人工智能基础-搜索树的扩展与n皇后问题

发布于 2021-10-27  25 次阅读


贪心算法

算法原理

贪心算法也属于启发式算法的一种。贪心算法从来不关注整体,而总是选择基于当前状态下的最优解,贪心可以看成A*的一种特殊情况

在上一篇博客中,已经知道A*算法的综合优先级为f(N)=g(N)+h(N),这里的只需要令g(N)=0,f(N)便是当前状态下的预计花费,只需要每次都选择h(N)最小的路径,便是当前状态下的最优解

迷宫问题

DearXuan

贪心算法从不关注g(N),因此只需要每次都比较相邻节点里的h(N)即可

贪心算法得到的路径为: A-C-H-I-J-P

回溯算法

算法原理

回溯算法是DFS的扩展,在DFS的基础上多了剪枝函数,剪枝函数包括约束函数和限界函数,用于判断当前节点是否符合题意,如果不符合,则原路返回。由于多了判断,因此遍历的节点比DFS更少,速度也更快

通常情况下,可以把问题的解转化成多叉树,当一个节点满足题意时,才会继续遍历它的子树,否则直接跳过当前节点

约束函数

约束函数用来排除不可能存在解的情况。例如四皇后问题中,分别在(0,0)和(2,1)位置放上皇后,此时整个棋盘只剩下(1,3)位置
DearXuan
显然这种情况不满足题意,因此跳过该情况对应的节点

限界函数

限界函数用来排除非最优解的情况。例如在路径规划,已经找到了一条长度为10的通路,而当前节点的g(N)已经大于10,那么当前节点的子树中不可能存在比10更短的通路,因此跳过该节点

n皇后问题

问题描述

将n个皇后放在n×n的方格纸上,使n个皇后彼此之间不在同一行,同一列,统一对角线上。给出所有摆法

状态定义

定义一维数组queen[n]来表示皇后位置,queen[i]=j表示第i行的皇后在j列,若j=-1则表示第i行没有皇后(目前没有,但是最终一定会有)

例如

int queen[] = {2,0,3,1};

表示皇后位置如下
DearXuan

冲突检测

显然用一维数组表示法,不可能出现皇后在同一行的情况,因此只需要比较列和对角线

//检查当前状态下是否有冲突
bool CheckConflict() {
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        //queen[i] == -1表示还没有放上皇后
        if(queen[i] == -1) continue;
        for (int j = i + 1; j < N; j++) {
            //queen[j] == -1表示还没有放上皇后
            if(queen[j] == -1) continue;
            //第i行和第j行的皇后在同一列
            if (queen[i] == queen[j]) return false;
            //对角线冲突
            if (abs(i - j) == abs(queen[i] - queen[j])) return false;
        }
    }
    return true;
}

约束函数

约束函数CheckEnable(int i,int j)用于判断能否在(i,j)处放置皇后,如果不能,则不需要继续遍历

//约束函数,检查当前状态下,能否在(i,j)放置皇后
bool CheckEnable(int i, int j) {
    queen[i] = j;//假设(i,j)上有皇后
    bool flag = CheckConflict();//判断是否有冲突
    queen[i] = -1;//恢复原状
    return flag;
}

回溯

//查找第i行的皇后位置
void Search(int i) {
    if(i >= N){
        num++;
        Print();
        return;
    }
    //遍历(i,j)的所有情况
    for(int j=0;j<N;j++){
        //判断(i,j)能否放置皇后
        if(CheckEnable(i,j)){
            //可以放置,尝试将皇后放入(i,j)
            queen[i] = j;
            //查找第i+1行的放法
            Search(i+1);
            //拿走皇后
            queen[i] = -1;
        }
    }
}

完整代码

#include <iostream>
#include <queue>

using namespace std;

#define N 4

//数组表示皇后未知,queen[i]表示第i行的皇后在第几列,-1表示未放置
int queen[N];
//解的总数
int num = 0;

void Print();
void Search(int i);

int main() {
    for (int &i: queen) {
        i = -1;
    }
    Search(0);
    printf("Total Answer: %d",num);
    return 0;
}

//检查当前状态下是否有冲突
bool CheckConflict() {
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        //queen[i] == -1表示还没有放上皇后
        if(queen[i] == -1) continue;
        for (int j = i + 1; j < N; j++) {
            //queen[j] == -1表示还没有放上皇后
            if(queen[j] == -1) continue;
            //第i行和第j行的皇后在同一列
            if (queen[i] == queen[j]) return false;
            //对角线冲突
            if (abs(i - j) == abs(queen[i] - queen[j])) return false;
        }
    }
    return true;
}

//约束函数,检查当前状态下,能否在(i,j)放置皇后
bool CheckEnable(int i, int j) {
    queen[i] = j;//假设(i,j)上有皇后
    bool flag = CheckConflict();//判断是否有冲突
    queen[i] = -1;//恢复原状
    return flag;
}

//遍历第i行的皇后位置
void Search(int i) {
    if(i >= N){
        num++;
        Print();
        return;
    }
    //遍历(i,j)的所有情况
    for(int j=0;j<N;j++){
        //判断(i,j)能否放置皇后
        if(CheckEnable(i,j)){
            //可以放置,尝试将皇后放入(i,j)
            queen[i] = j;
            //查找第i+1行的放法
            Search(i+1);
            //拿走皇后
            queen[i] = -1;
        }
    }
}

void Print(){
    for(int i : queen){
        for(int j=0;j<N;j++){
            if(i == j){
                printf("1 ");
            } else{
                printf("0 ");
            }
        }
        printf("\n");
    }
    printf("\n");
}

当 n = 4 时
DearXuan

当 n = 8 时
DearXuan