人工智能基础-搜索树的扩展与n皇后问题
人工智能基础-搜索树的扩展与n皇后问题
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
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
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
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
当 n = 8 时
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