使用回溯递归解决8皇后问题

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我一直在研究八皇后问题,但卡住了。我不需要代码,我希望得到指导和方向以便理解如何使用回溯递归来解决这个问题。

该程序应通过绘制皇后的位置来枚举N皇后问题的所有解决方案,就像这里所示的两个解决方案一样。

我目前的伪代码如下:

void queen(int n){

   for( int i = 0; i < n; i++){

       place queen[ i ] on row i;

       for(int j = 0 ; j < n ; j++){
               if( queen[ i ] is not in the same column as queen[0] through queen[ i - 1 ]  &&
                   queen[ i ] is not on the same major diagonal with queen[0] through queen[ i -1 ]  &&
                   queen[ i ] is not on the same minor diagonal with queen[0] through queen[ i -1 ]  ) {
                              print 'Q ';
                   }
               else{
                              print '* ';
                   }

               System.out.println();
         }

         System.out.println();

  }

}

我的伪代码中没有任何回溯递归,因为我不知道如何实现。

非常感谢任何帮助。请勿提供代码。

(响应Nemo的更新):

solver(int n, Board b){
    for(int i = 0; i < b.length; i++){
       place queen in column i;
       for(int j = 0; j < b.length; j++){
           change b;
           solver(n+1,changed b); 
       }
    }
}

这是否正确?

(更新2):

 solver8(board /* with queens presented in first 7 columns */){
    // place a queen in the 8th column;
    for(each possible placement of the queen in column 8 
        or in other words int i = 0; i < board.length; i++ ){
             place the queen and print the board
    }
}


 solver7(board /* with queens presented in first 6 columns */){
    // place a queen in the 7th column;
    for(each possible placement of the queen in column 7 
        or in other words int i = 0; i < board.length; i++ ){
             solver8(board with queens placed in first 7 columns);
    }
}


 solver6(board /* with queens presented in first 5 columns */ ){
    // place a queen in the 6th column;
    for(each possible placement of the queen in column 6 
        or in other words int i = 0; i < board.length; i++ ){
             solver7(board with queens presented in first 6 columns);
    }
}

一直持续到...

 solver1(1, empty board){
     for(int i = 0; i < board.length; i++){
        place queen in row[i] of column 1;
        solver2(board with queen in row[i] of column 1);
      }
}

更新3(已编辑):

private int numberOfQueens = 8;
solver(int n, Board b){

        for(int r = 0; r < b.length; r++){

               place queen in row[r] of column[n];

               if(n == numberOfQueens){
                    print the board;
                    return;
                }
                else{
                    solver(n+1, board with queen in row[r] of column[n]);
                }
           }
     }
}

这是作业吗?如果是的话,你应该将问题标记为作业。这可能会防止人们给出完整的解决方案,这些解决方案对你没有任何帮助。 - Bertrand Marron
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+1 是明确要求我们不为您编写代码的表示赞同。 :-) - Aasmund Eldhuset
@Bertrand:我不会说这是作业,因为我是自学的。 - Nath
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@Aasmund:是的,完全正确。没有代码。我想要理解并自己实现它。 - Nath
几点说明:1)查一下递归的含义(不是要挑剔你)。你在伪代码中没有使用它,因为简单来说,你没有从方法Queen内部调用Queen方法。2)为了解决这个问题,你的程序将不得不尝试许多不同的解决方案,直到找到一个可行的方案。为此,在找到解决方案之前,它不会打印任何内容。因此,在程序处理问题时,你需要某种数据结构来将问题保存在内存中。 - Marvo
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5个回答

8
使用递归解决这类问题的目的是让你思考:“我现在已经放置了k个皇后;如果总共有n个皇后,我如何放置剩余的皇后?”因此,递归函数应该带有两个参数:目标皇后数量和到目前为止已放置的皇后数量。编写函数时,你的首要目标是尝试不同的方法来放置第k个皇后。但是当你选择了一个可能的位置并发现它是有效的时,你需要放置剩余的n-k-1个皇后。我们该怎么做呢?答案是:递归!使用参数k-1调用函数(在函数内部),以表示你想放置剩余的k-1个皇后。每当你耗尽所有可能性(或发现没有可能性)时,只需从函数中返回即可——然后你将回到先前的函数调用(例如试图放置第k个皇后的函数调用)。
编辑:你还需要创建一个二维数组来表示棋盘的当前状态;这个数组必须作为递归函数的附加参数发送,或者作为包含该方法的类的字段保留。
至于回溯,只需确保使用k+1调用的函数在返回之前从棋盘中删除第k+1个皇后即可;这本质上意味着“我们现在已经(不成功地)尝试了所有放置剩余皇后的方法——基于已经放置的k个皇后的位置。它们都失败了,所以请调整前k个皇后的位置(将由使用k调用的函数、调用该函数的函数等来完成),然后再次尝试。”

1
您也不需要创建一个二维数组。您可以保留一维数组(每个字段索引是行,索引处的数字是皇后所在的列)。 - Op De Cirkel
@Aasmund Eldhuset:我试图找到一个更简单的问题,以便像你说的那样理解回溯递归,但我找不到。感谢你的例子。所以,你的意思是如何填充数组的所有元素为零和一,以使得数组的每个给定元素不超过三个一? - Nath
@Nath:抱歉回复晚了。是的;使用一个包含十个元素的一维 int 数组。每个元素应该包含 0 或 1(所以 array[0] == 0array[0] == 1array[1] == 0array[1] == 1,以此类推到 array[9] == 0array[9] == 1)。目标是,如你所说,生成填充数组的所有可能方式,使得最多只有三个元素包含 1。 - Aasmund Eldhuset
@Nath:回溯法的思路是编写一个递归函数,该函数将数组作为参数,并带有一个 int i 参数,用于指示我们当前正在尝试填充哪个元素。如果 i == 10,则意味着所有数组元素都已填充,当前数组的内容是有效解决方案,可以打印出来(然后函数返回)。否则,让 array[i] = 0 并使用 i + 1 递归调用该函数。当递归调用返回时,您就知道已经探索了填充数组其余部分的所有可能方法。 - Aasmund Eldhuset
@ Nath:之后,检查数组元素i左侧是否包含少于三个“1”;如果是,则我们可以在位置“i”放置一个“1”,并再次递归调用函数以尝试数组其余部分的所有可能性。 - Aasmund Eldhuset
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一般来说,递归回溯搜索的过程如下:

// On input, s represents a valid State up to depth d-1
sub do_it(int d, State s)
    if (d == MAX_DEPTH+1)
        // State s represents an answer!  Print it and return.
    else
        (augment s to make it valid for depth d)
        for each augmented_s
            do_it(d+1, augmented_s)
        end for
    end if
end sub

// top level
do_it(0, empty_state)

请注意,对于给定的深度为d-1的有效s,可能有多种方法将其增强为深度为d的有效状态。思路是使用每个方法调用自己。
对于此问题,“状态”是棋盘。深度“d-1”可能意味着前d-1列已填充。合法的增强状态是在第d列中有一个皇后,使其不能被捕获。
[更新]
以下是另一种看待它的方式。反向解决问题。
假设我要求你编写一个名为solver8()的简单函数。该函数以一个具有前7列中已经存在皇后的棋盘作为输入。它所要做的就是取出该棋盘,找到添加皇后到第8列的所有方法,并打印出这些棋盘。你认为你能写出这个函数吗?好的,请写下来。
现在假设我要求你编写一个几乎同样简单的函数solver7()。该函数以一个具有前6列中已经存在皇后的棋盘作为输入。它所要做的就是取出该棋盘,找到添加皇后到第7列的所有方法,并将这些棋盘作为参数传递给solver8()。你能写出这个函数吗?
现在假设我要求你编写另一个名为solver6()的函数。该函数以前5列中已经存在皇后的棋盘作为输入。它所要做的就是取出该棋盘,找到添加皇后到第6列的所有方法,然后将这些棋盘传递给solver7()。
依此类推,直到我们到达solver1()。这个函数需要一个空棋盘,找到在第一列中放置皇后的所有方法,并将每个棋盘传递给solver2()。
你刚刚编写了8个函数,它们一起解决了8皇后问题。如果这不合理,请将其编写为8个函数并盯着看,直到你明白为止。
现在,如果您查看所有这些函数,您会发现它们非常相似。因此,您可以编写单个函数而不是编写solver8、solver7、solver6、...、solver1。
solver(int n, Board b)

...这样,solver(1, b)与solver1(b)相同,solver(2, b)与solver2(b)相同,依此类推,solver(8, b)与solver8(b)相同。而不是像solver2(...)调用solver3(...),你只需要让solver(2, ...)调用solver(3, ...)。一个函数代替了8个函数,但是执行的任务相同。

您很快会发现,如果您从一个完全填充的棋盘开始使用solver9()并让solver8()调用它,最终的代码将更加简洁。


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@Nath:我添加了一个更新,尝试用不同的解释。请告诉我你的想法。 - Nemo
@Nemo:非常感谢您的回复。我的思路变得更加清晰了。我写了另一份伪代码。您能否请看一下我更新的帖子,并让我知道它是否正确反映了您的解释? - Nath
1
@Nath:抱歉,但那不是正確的方法... 每個“solver()”只應該有一個循環。我真的認為你應該從忘記遞歸版本並像我描述的那樣將其寫成8個單獨的函數開始。例如solver6不需要遍歷任何列;它應該假設前5列已經填好了,它唯一的作用是在第6列放置一個皇后並調用solver7()。它會根據皇后在第六列的每種可能位置分別調用solver7()一次。就這樣。 - Nemo
1
@Nath:我已经编辑了你的第二个更新,让它更像我想表达的意思...希望没问题。 - Nemo
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所有8个求解器都必须放置一个皇后。solver1()将皇后放在第1列。solver2()将皇后放在第2列。solver3()将皇后放在第3列。以此类推。 - Nemo
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将第一个皇后放在[0][0],然后找到第二个的位置。假设你找到了一个位置,就继续找下一个,以此类推。假设你的第五个皇后无法放置在第五列或行(取决于你遵循哪个规则)。回到第四个皇后,再找到另一个位置。然后再回到第五个皇后。假设你现在在第八个皇后,但没有可用的位置。回到第七个皇后,但仍然没有可用的位置。你会一直回溯到第二个皇后,找到一个可用的位置,然后再去第三个皇后。这样讲清楚了吗?

0

希望这个解决方案能够帮到您

主要点如下:

1. 递归易于理解

2. 有效位置 2.1 在同一列中发现交叉皇后

*
*

2.2 交叉皇后斜向发现

*--
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--*

或者

--*
---
*--

代码:

package queenproblem;

public class QueenProblem
    {
        int numQueens[];// hold columns postion
        int numQueen;

        QueenProblem(int noOfQueens) {
            this.numQueen = noOfQueens;
            numQueens = new int[noOfQueens];

        }

        public static void main(String[] args) {
            new QueenProblem(8).solveProblem();

        }

        public void solveProblem() {
            arrange(0);
        }

        // recursive Function
        void arrange(int rowIndex) {
            // 1.to check valid Postion of not.
            // 2. to check all Queens postion is found or not.
            for (int i = 0; i < numQueen; i++)
            {
                if (isValid(rowIndex, i))
                {
                    numQueens[rowIndex] = i;// save col index

                    if (rowIndex == numQueen - 1)
                    {
                        printsBoard();
                    } else
                    {
                        arrange(rowIndex + 1);

                    }

                }
            }

        }

        private void printsBoard() {
            for (int i = 0; i < numQueen; i++)
            {
                for (int j = 0; j < numQueen; j++)
                {
                    if (numQueens[i] == j)
                    {
                        System.out.print(" * ");
                    } else System.out.print(" - ");
                }
                System.out.println();
            }
            System.out.println();

        }

        boolean isValid(int rowIndex, int colIndex) {

            for (int i = 0; i < rowIndex; i++)
            {
                // on the save columns
                if (numQueens[i] == colIndex) return false;

                if ((i - rowIndex) == (numQueens[i] - colIndex)) return false;
                if ((i - rowIndex) == (colIndex - numQueens[i])) return false;

            }

            return true;
        }
    }

8皇后问题92个可能解法:

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虽然这段代码可能回答了问题,但是提供关于为什么和/或如何回答问题的额外上下文可以提高其长期价值。 - JAL

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