回溯算法

回溯(backtracking):

有“通用解題法”之稱。用它可以系統(tǒng)地搜索問題的所有解。它在問題的解空間樹中,按深度優(yōu)先策略從根結(jié)點出發(fā)搜索解空間樹。算法搜索至解空間樹的任一結(jié)點時,先判斷該結(jié)點是否包含問題的解,如果肯定不包含,則跳過對以該節(jié)點為根的子樹的搜索,逐層向其祖先結(jié)點回溯;否則,進入該子樹,繼續(xù)按深度優(yōu)先策略繼續(xù)搜索。

八皇后問題:

問題描述:在8×8的國際象棋棋盤上放置八個皇后,使得任何一個皇后都無法直接吃掉其他的皇后?為了達到此目的,任兩個皇后都不能處于同一條橫行、縱行或斜線上。

#include <iostream>
#include <cmath>
#define N 8
using namespace std;
int a[8];//皇后每行每列有且只能有一個,所以用a[i]代表第i個皇后(在第i行)放在第a[i]列
int cnt=1;//記錄解的序號
void search(int m);
int canPlace(int row ,int col);
void printResult();
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */

int main(int argc, char** argv) {
    search(0);
    return 0;
}
void search(int m)
{
    if(m>=N)printResult();
    else
    {
        int i;
        for(i=0;i<N;i++)//枚舉8列
        {
            if(canPlace(m,i))
            {
                a[m]=i;
                search(m+1); 
            }
            a[m]=0;
            
        }
    }
}
int canPlace(int row ,int col)
{
    int i;
    for(i=0;i<row;i++) //皇后肯定不會同行,a[i]==col檢查是否同列,abs(i-row)==abs(a[i]-col)檢查是否同對角線,如果同對角線,行差和列差的絕對值應該相等。
    {
        if(a[i]==col||abs(i-row)==abs(a[i]-col))return 0;
    }
    return 1;
    
    
}
void printResult()
{
    int i,j;
    cout<<"No "<<cnt<<":"<<endl;
    for(i=0;i<N;++i)
    {
        for(j=0;j<a[i];++j)
        {
            cout<<".";
        }
        cout<<"A";
        j++;
        for(;j<N;++j)
        {
            cout<<".";
        }
        cout<<endl;
    }
    cnt++;
    
}

下面給出4皇后回溯過程:


以及八皇后回溯過程(樹太深,所以把時間設置的很快,大家看個熱鬧就行,感受一下計算機的力量):


0-1背包問題:

問題描述:在0 / 1背包問題中,需對容量為c 的背包進行裝載。從n 個物品中選取裝入背包的物品,每件物品i 的重量為wi ,價值為pi 。對于可行的背包裝載,背包中物品的總重量不能超過背包的容量,最佳裝載是指所裝入的物品價值最高。

#include <iostream>
#define MAX 10
using namespace std;
int n;//物品個數(shù)
int c;//背包容量
int maxValue;//記錄所選物品最大價值
int w[MAX];//物品重量數(shù)組
int v[MAX];//物品價值數(shù)組
int a[MAX];//a數(shù)組存放當前物品的選擇情況
          //a[i]=0表述不選第i個物品,a[i]=1表示選擇第i個物品
int result[100];
int cnt; 
void init();
void readData();
void search(int m);
void checkMax();
void printResult();
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */

int main(int argc, char** argv) {
    cin>>n>>c;
    while(n!=0||c!=0)
    {
        init();
        readData();
        search(0);
        result[cnt]=maxValue;
        cnt++;
        cin>>n>>c;
    }
    printResult();
    return 0;
}

void init()
{
    maxValue=0;
    int i;
    for(i=0;i<MAX;++i)
    {
        w[i]=v[i]=a[i]=0;
    }
}

void readData()
{
    int i;
    for(i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>w[i];
    } 
    for(i=0;i<n;i++)
    {
        cin>>v[i];
    } 
    
}

void search(int m)
{
    if(m>=n)
        checkMax();
    else
    {
        a[m]=0;//不要該物品
        search(m+1);
        a[m]=1;//要該物品
        search(m+1);
    }
    
}

void checkMax()
{
    int weight=0,value=0;
    int i;
    for(i=0;i<n;i++)
    {
        if(a[i]==1)
        {
            weight+=w[i];
            value+=v[i];
        }
        if(weight<=c)
        {
            if(value>maxValue)
                maxValue=value;
        }
    }
}

void printResult()
{
    int i;
    for(i=0;i<cnt;++i)
    {
        cout<<result[i]<<endl;
    }
}

堡壘問題:

如圖城堡是一個4×4的方格,為了保衛(wèi)城堡,現(xiàn)需要在某些格子里修建一些堡壘。城堡中的某些格子是墻,其余格子都是空格,堡壘只能建在空格里,每個堡壘都可以向上下左右四個方向射擊,如果兩個堡壘在同一行或同一列,且中間沒有墻相隔,則兩個堡壘都會把對方打掉。問對于給定的一種狀態(tài),最多能夠修建幾個堡壘。

#include <iostream>
#define MAX 5
int n;
int a[MAX*MAX];
int maxnum;
using namespace std;
void search(int m);
int canPlace(int m);
void checkMax();
/*run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop*/ 

int main(int argc, char** argv) {
    while(cin>>n&&n!=0)
    {
        
        maxnum=0;
        char c;
        int i;
        for(i=0;i<n*n;++i)
        {
            cin>>c;
            if(c=='.')a[i]=1;
            else if(c=='X')a[i]=0;
        }
        search(0);
        cout<<maxnum<<endl;
        
    }
    return 0;
}

void search(int m)
{
    if(m>=n*n)checkMax();
    else
    {
        search(m+1);
        if(canPlace(m)==1)
        {
            a[m]=2;//放堡壘
            search(m+1);
            a[m]=1;//把堡壘拿掉 
        }
    }
}

int canPlace(int m)
{
    if(a[m]==0)return 0;
    int row,col;
    row=m/n; 
    col=m%n;
    int i,j;
    for(i=0;i<m;++i)
    {
        if(a[i]==2)
        {
            if(i/n==row)//同行有堡壘
            {
                int flag=0;
                for(j=i+1;j<m;++j)
                {
                    if(a[j]==0)flag=1;
                }
                if(flag==0)return 0;                
            }
            if(i%n==col)//同列有堡壘
            {
                int flag=0;
                for(j=col;j<m;j+=n)
                {
                    if(a[j]==0)flag=1;
                }
                if(flag==0)return 0;
            } 
        }
        
    }
    return 1;
}

void checkMax()
{
    int i;
    int cnt=0;
    for(i=0;i<n*n;++i)
    {
        if(a[i]==2)cnt++;
    }
    if(cnt>maxnum)maxnum=cnt;
}

素數(shù)環(huán)問題:

問題描述:把從1到20這20個數(shù)擺成一個環(huán),要求相鄰的兩個數(shù)的和是一個素數(shù)。

#include <stdio.h>
#include <cmath>
void search(int);
void init();              
void printresult();      
int isprime(int);         
void swap(int,int);       
int a[21];                
int main()
{
    init();
    search(2);            
}
int isprime(int num)
{
    int i,k;
    k=sqrt(num);
    for(i=2;i<=k;i++)
        if(num%i==0)
            return(0);
    return(1);
}
void printresult()
{
    int i;
    for(i=1;i<=20;i++)
        printf("%3d",a[i]);
    printf("\n");
}
void search(int m)
{
    int i;
    if(m>20)                       
    {
        if(isprime(a[1]+a[20]))        //判斷首尾是否滿足要求
            printresult();            
        return;
    }
    else
    {
        for(i=m;i<=20;i++)     //注意i是從m開始的而不是m+1      
        {
            swap(m,i);              
            if(isprime(a[m-1]+a[m]))  
                search(m+1);       
            swap(m,i);             
        }
    }
}
void swap(int m, int i)
{
    int t;
    t=a[m];
    a[m]=a[i];
    a[i]=t;
}
void init()
{
    int i;
    for(i=0;i<21;i++)
        a[i]=i;
}


迷宮問題:

問題描述:給一個20×20的迷宮、起點坐標和終點坐標,問從起點是否能到達終點。
輸入:多個測例。輸入的第一行是一個整數(shù)n,表示測例的個數(shù)。接下來是n個測例,每個測例占21行,第一行四個整數(shù)x1,y1,x2,y2是起止點的位置(坐標從零開始),(x1,y1)是起點,(x2,y2)是終點。下面20行每行20個字符,’.’表示空格;’X’表示墻。
輸出:每個測例的輸出占一行,輸出Yes或No。

#include <iostream>
using namespace std;
#define N 20//20*20的迷宮
int k=20,t=20;//行數(shù)和列數(shù)
int a[N][N];//1代表墻,0代表可走,2代表已經(jīng)走過
int n;//測例個數(shù)
int startRow,startCol;//入口坐標
int endRow,endCol;//出口坐標
int flag=0;
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */
void readData();
void search(int row,int col);
int canPlace(int row,int col);
void printResult();

int main(int argc, char** argv) {
    cin>>n;
    while(n--)
    {
        flag=0;
        readData();
        search(startRow,startCol);
        printResult();
        
    }
    return 0;
}
void readData()
{
    cin>>startRow>>startCol;
    cin>>endRow>>endCol;
    int i,j;
    char c;
    for(i=0;i<k;i++)
    {
        for(j=0;j<t;j++)
        {
            cin>>c;
            if(c=='.')a[i][j]=0;
            else if(c=='X')a[i][j]=1;
        }
    }
    
}
void search(int row,int col)
{
    if((row==endRow)&&(col==endCol))
    {
        flag=1;
        return;
    }
    else
    {
        int r,c;
        a[row][col]=2;//標記已經(jīng)走過的位置
        r=row,c=col-1;//向左走
        if(canPlace(r,c))search(r,c);
        r=row,c=col+1;//向右走 
        if(canPlace(r,c))search(r,c);
        r=row-1,c=col;//向上走 
        if(canPlace(r,c))search(r,c);
        r=row+1,c=col;//向下走 
        if(canPlace(r,c))search(r,c);
    }
    
}
int canPlace(int row,int col)//判斷是否可走
{
    if(row>=0&&row<k&&col>=0&&col<t&&a[row][col]==0)return 1;//不越界且可以走
    else
        return 0;
}
void printResult()
{
    if(flag==1)cout<<"Yes"<<endl;
    else cout<<"No"<<endl;
}


農(nóng)場灌溉問題:

問題描述:一農(nóng)場由圖所示的十一種小方塊組成,藍色線條為灌溉渠。若相鄰兩塊的灌溉渠相連則只需一口水井灌溉。給出若干由字母表示的最大不超過50×50具體由(m,n)表示,的農(nóng)場圖,編程求出最小需要打的井數(shù)。每個測例的輸出占一行。當M=N=-1時結(jié)束程序。


#include <iostream>  
using namespace std;  
int m, n;  
  
struct Maze  
{  
    char ch;                     //方塊類型 
    int visited;                 //訪問標記 
    int left, right, up, down;   //連通線  
}maze[100][100];  
int dir[4][2] = {{1,0}, {-1,0}, {0,-1}, {0,1}}; //上下左右四個方向
  
bool Place(int x, int y, int nx, int ny)  
{  
    //未越界且未被訪問過 
    if(nx>0 && nx<=m && ny>0 && ny<=n && !maze[nx][ny].visited)  
    {  
        //向左
        if(nx==x && ny==y-1 && maze[x][y].left && maze[nx][ny].right)  
            return true;  
        //向下 
        if(nx==x+1 && ny==y && maze[x][y].down && maze[nx][ny].up)  
            return true;  
        //向右  
        if(nx==x && ny==y+1 && maze[x][y].right && maze[nx][ny].left)  
            return true;  
        //向上 
        if(nx==x-1 && ny==y && maze[x][y].up && maze[nx][ny].down)  
            return true;  
    }  
    return 0;  
}  
void dfs(int x, int y)  
{  
    maze[x][y].visited = 1;               
    for(int i = 0; i < 4; i++)  
    {  
        int nx = x+dir[i][0];  
        int ny = y+dir[i][1];  
        //將所有可聯(lián)通的區(qū)域全部標記 
        if(Place(x, y, nx, ny))  
            dfs(nx, ny);  
    }  
}  
int main()  
{  
    while(cin >> m >> n && (m!=-1 || n!=-1))  
    {  
        int cnt = 0;  
        for(int i = 1; i <= m; i++)  
            for(int j = 1; j <= n; j++)  
            {  
                cin >> maze[i][j].ch;  
                //初始化 
                maze[i][j].visited = 0;  
                maze[i][j].down = 0;  
                maze[i][j].up = 0;  
                maze[i][j].right = 0;  
                maze[i][j].left = 0;  
                switch(maze[i][j].ch)  
                {  
                    case'A':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                break;  
                    case'B':    maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                break;  
                    case'C':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'D':    maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'E':    maze[i][j].up=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'F':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].right=1;  
                                break;  
                    case'G':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                break;  
                    case'H':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'I':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'J':    maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                    case'K':    maze[i][j].left=1;  
                                maze[i][j].right=1;  
                                maze[i][j].up=1;  
                                maze[i][j].down=1;  
                                break;  
                }  
            }  
        //連通區(qū)域個數(shù)  
        for(int i = 1; i <= m; i++)  
            for(int j = 1; j <= n; j++)  
            {  
                if(maze[i][j].visited == 0)     // 未被訪問過
                {  
                    dfs(i, j);  
                    cnt ++;  
                }  
            }  
        cout << cnt << endl;  
    }  
    return 0;  
}  

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