数据结构之回溯

Posted 2020-12-17 hrnn

回溯

• 利用回溯算法求解八皇后问题
• 利用回溯算法求解0-1背包问题

利用回溯算法求解八皇后问题

八皇后问题（eight　queens　problem）是国际西洋棋棋手马克斯·贝瑟尔于1848年提出：在8×8格的国际象棋上摆放八个皇后，使其不能互相攻击，即任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上，问有多少种摆法。可以把８皇后问题扩展到ｎ皇后问题，即在ｎｘｎ的棋盘上摆放ｎ个皇后，使任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上。

回溯法设计思路

　　回溯法从解空间树的根节点出发，按照深度优先策略搜索满足约束条件的解。在搜索至树中节点时，先判断该节点对应的部分解是否满足条件，也就是判断该节点是否包含问题的（最优）解，如果肯定不包含，则跳过以该节点为根的子树，即所谓剪枝。否则进入以该节点给根的子树，继续按照深度优先策略进行搜索。

#include <iostream>
#include<math.h>
using namespace std;
 
int Place(int k,int x[])
{
    for(int i=0;i<k;i++)
        if(x[i]==x[k] || abs(i-k)==abs(x[i]-x[k]))
            return 1;
    return 0;        
}
 
int Queen(int n,int x[],int sum)
{
    int k=0;
    int flag=0;//有无解标志
    
    while (k>=0)
    {
        x[k]++;
    
        while(x[k]<n && Place(k,x)==1)
            x[k]++;
        if(x[k]<n && k==n-1)
        {
            flag=1;//有解
            sum++;
            for(int i=0;i<n;i++)
                cout<<x[i]+1<<"  ";
            cout<<endl;
            if(k<n && x[0]<n)
            {
                x[k--]=-1;//回溯
                continue;
            }
            
        }
        if(x[k]<n && k<n-1)
            k+=1;
        else
            x[k--]=-1;
        
    }
    if(flag==0)
    cout<<"无解。"<<endl;
    return sum;
}
 
int main()
{
    int sum=0;
    int n=8;//皇后个数
    int x[8];
    for(int i=0;i<n;i++)
        x[i]=-1;
    sum=Queen(n,x,sum);
    cout<<"解毕，共有 "<< sum <<" 个解。"<<endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;

int Capacity;                //背包容量
bool selected[10000];        //当前选择方案
bool optimal[10000];        //最佳选择方案
int maxTotalValue = 0;        //最大价值
int valueofPackage = 0;        //当前背包价值
int residualCapacity;        //剩余背包价值
int n;
int weight[10000];            //背包重量
int value[10000];            //背包价值

void dfs(int i)
{
    if(i > n){
        if(valueofPackage >= maxTotalValue){
            for(int i = 1 ; i <= n ; i++){
                optimal[i] = selected[i];
            }
            maxTotalValue = valueofPackage;
        }
        return;
    }else{
        residualCapacity -= weight[i];
        if(residualCapacity >= 0){    //遍历左子树
            selected[i] = 1;
            valueofPackage += value[i];
            dfs(i+1);
            selected[i] = 0;
            valueofPackage -= value[i];
            residualCapacity += weight[i];
        }else{//不满足原路返回
            residualCapacity += weight[i];
        }
    }
    //遍历右子树
    dfs(i+1);
}


int main(){
    cout<<"输入背包容量："<<endl;
    cin>>Capacity;
    residualCapacity = Capacity;
    cout<<"请输入背包个数："<<endl;
    cin>>n;
    cout<<"请输入每个背包重量："<<endl;
    for(int i = 1 ; i <= n ; i++){
        cin>>weight[i];
    }
    cout<<"请输入每个背包价值："<<endl;
    for(int i = 1 ; i <= n ; i++){
        cin>>value[i];
    }
    dfs(1);
    cout<<"最佳方案为："<<endl;
    for(int i = 1 ; i <= n ; i++){
        if(optimal[i] == 1){
            cout<<i<<" ";
        }
    }
    cout<<endl<<"最大背包价值为："<<endl<<maxTotalValue;
    
    return 0;
}
回溯法本质是用来搜索问题的解，典型地就是使用深度优先搜索，搜索路径一般沿树形结构进行，在搜索过程中，首先会判断所搜索的树结点是否包含问题的解，如果肯定不包含，则不再搜索以该结点为根的树结点，而向其祖先结点回溯；否则进入该子树，继续按深度优先策略搜索。

       可能这么说不是很容易懂，咱们来的实例吧，那就是经典的0-1背包问题，关于这一问题后边很多算法都会涉及到，咱们一点点深入～

       我们还是使用典型的三背包为例，问题描述如下：设有三个背包，其重量分别为：16,15, 15；价值分别为： 45，25，25；请选择背包，使其重量不超过30，但价值最大。

       可以看出我们的约束条件为总重量不超过30，目标是价值最大，那我们就可以使用回溯法的思想来求解：

       每个背包都可以被选择中或者不选，理论上如果不加任何限制的话一共有八种可能（2×2×2），但我们在搜索的过程中要时刻注意总重量不可超过30 ，在这个基础上使其总价值最大，于是我们可以从第一个背包开始，先选中它，其重量是16，小于30，没有问题，然后在选择第二个背包，其重量为15，二者总重量为31，超过30，所以不能选择第二个背包，同理第三个背包也不能选，也就是说在选中第一个背包的前提下，另外两个背包就都不能再选了，这是八种理论可能情况中的一种；以此类推，不选第一个背包，在此基础上选择第二个背包，总重量为15，没有问题，再选第三个，此时总重量为30，也没有问题；对照这两种情况，前者总价值为45，后者总价值为50，当然，我们以上帝视角可以看出最大价值也就是50，但落实到具体的算法该如何全方位多角度深层次地解决这一问题呢？

        我们来看一个完全二叉树结构图：

对于上述的背包问题，在此二叉树结构中可以简单地理解为：从A出发，往左子树方向走说明选中了A，往右子树方向走说明没有选中A，即“左选右不选”，落实到上图中就是1代表选中0代表未选中；我们上边说道的第一种情况，即只选中第一个背包的情况对应上图的A->B->E->K；那这里有朋友可能会问了为啥二叉树会有四层，不是一共三个背包嘛，对的，因为我们每一层所代表的背包选与不选都得由下一层所决定，比如节点E代表第三个背包，如果我们走到K就说明不选E，反之，若走到J则说明选中了E，因此三个背包我们需要四层完全二叉树，同理，若有N个背包则需要N+1层。

        当我们的搜索路径到达K后，得到了一组值，即总重量为16，总价值为45，此时，由于已经到了树的叶子结点，因此需要回溯直到根，再继续进行后续的搜索，在后续搜索过程中，一方面要进行结点的判断，另一方面，一旦得到了一个合符要求的价值，则与前一次搜索所得到的结果进行比较，如果比前一次搜索得到的值大，则取代，反之，继续搜索直到整个树搜索结束所得到的最大值即为问题的解。

       总的来说，上述的求解过程在程序实现过程中可以这样来理解：我们把二叉树的每一层看成是某一个物品。当我们选择物品时总是从第一个物品开始进行选择，可能选，也可能不选。如果选中，则从二叉树的左边子树开始搜索，如果未选中，则从二叉树的右边子树开始搜索。以此类推即可～ 

       如果将每个物品的重量对应每一层的一个节点，在每次选择每一个物品时进行重量的判断，并记录权值，则可决定是否应该继续搜索下一层的子树。     

       如果设物品的重量存放在W数组中, W[i]为第i个物品的重量，P[i]表示第i个物品的价值。C表示背包能够承受的最大重量。cw表示当前物品的重量，cp表示当前物品的价值（稍微记忆一下这几个符号量的意义）。在选中情况下（即搜索左子树）执行下面的操作：     

（ 1 ）首先判断加上该物品重量后是否满足最大重量不超过C的要求,如果不超过，则：       cw+=w[i];       cp+=p[i];   反之则搜索右子树；  

（ 2 ）继续搜索下一层，执行相同的操作；      

（ 3 ）当搜索到最后一层时，显然可得到从根到该结点所选择的所有物品的价值，如果该价值大于前一次得到的最大价值，则替代前一次的价值，反之，则不取代；    

（ 4 )  退回到上一层，即其双亲结点所在的一层，显然此时应执行：        cw-=w[i];        cp-=p[i];       

执行上述语句的目的在于为访问右子树做准备。在访问右子树时，显然不需要计算其重量和价值，因为右子树表示未选中该物品

      最后这几步是我在一些资料中看到的...总感觉有问题,尝试做了一些修改,还是有些别扭,其实大家也可以理解,算法这东西变幻莫测,再基本的原理也可以有很多表现形式,可以进一步优化,我们不要以上帝视角看待这个过程,这样会想当然地人为进行条件约束;