• 回溯算法


    回溯算法 题目整理 part1 

    回溯算法 题目整理 part2 

    1、概念

    回溯算法实际上一个类似枚举的搜索尝试过程,主要是在搜索尝试过程中寻找问题的解,当发现已不满足求解条件时,就“回溯”返回,尝试别的路径。

    回溯法是一种选优搜索法,按选优条件向前搜索,以达到目标。但当探索到某一步时,发现原先选择并不优或达不到目标,就退回一步重新选择,这种走不通就退回再走的技术为回溯法,而满足回溯条件的某个状态的点称为“回溯点”。

    回溯法(英语:backtracking)也称试探法,回溯法有“通用的解题方法”之称。它可以系统的搜索一个问题的所有解或者任意解。

    回溯法是一个既带有系统性又带有跳跃性的的搜索算法。它在包含问题的所有解的解空间树中,按照深度优先的策略,从根结点

    出发搜索解空间树。算法搜索至解空间树的任一结点时,总是先判断该结点是否肯定不包含问题的解。如果肯定不包含,则跳过

    对以该结点为根的子树的系统搜索,逐层向其祖先结点回溯。否则,进入该子树,继续按深度优先的策略进行搜索。回溯法在用来

    求问题的所有解时,要回溯到根,且根结点的所有子树都已被搜索遍才结束。而回溯法在用来求问题的任一解时,只要搜索到问题

    的一个解就可以结束。这种以深度优先的方式系统地搜索问题的解的算法称为回溯法,它适用于解一些组合数较大的问题.

    回溯法通常用最简单的递归方法来实现,在反复重复上述的步骤后可能出现两种情况:

    1 .找到一个可能存在的正确的答案。

    2. 在尝试了所有可能的分步方法后宣告该问题没有答案。

    在最坏的情况下,回溯法会导致一次复杂度为指数时间的计算。

    2、适用范围

    在包含问题的所有解的解空间树中,按照深度优先搜索的策略,从根结点出发深度探索解空间树。

     适用范围:

    1,问题的解用向量表示

      X = (x1, x2, ..., xn)

    2,需要搜索一个或一组解

    3,满足约束条件的最优解

    回溯法的基本思想

    对于用回溯法求解的问题,首先要将问题进行适当的转化,得出状态空间树。这棵树的每条完整路径都代表了一种解的可能。通过深度优先搜索

    这棵树,枚举每种可能的解的情况;从而得出结果。但是,回溯法中通过构造约束函数,可以大大提升程序效率,因为在深度优先搜索的过程中,

    不断的将每个解(并不一定是完整的,事实上这也就是构造约束函数的意义所在)与约束函数进行对照从而删除一些不可能的解,这样就不必继续

    把解的剩余部分列出从而节省部分时间。

    回溯法中,首先需要明确下面三个概念:

     1,约束函数:约束函数是根据题意定出的。通过描述合法解的一般特征用于去除不合法的解,从而避免继续搜索出这个不合法解的剩余部分。因此,

           约束函数是对于任何状态空间树上的节点都有效、等价的。

    2,状态空间树:刚刚已经提到,状态空间树是一个对所有解的图形描述。树上的每个子节点的解都只有一个部分与父节点不同。

    3,扩展节点、活结点、死结点:所谓扩展节点,就是当前正在求出它的子节点的节点,在DFS中,只允许有一个扩展节点。活结点就是通过与约束函数

          的对照,节点本身和其父节点均满足约束函数要求的节点;死结点反之。由此很容易知道死结点是不必求出其子节点的(没有意义)。

    3、用回溯法解题的一般步骤:

    首先,要通过读题完成下面三个步骤:


    (1)描述解的形式,定义一个解空间,它包含问题的所有解,这一步主要明确问题的解空间树。

    (2)构造状态空间树。

    (3)构造约束函数(用于杀死节点)。

    然后就要通过DFS思想完成回溯,具体流程如下:

    (1)设置初始化的方案(给变量赋初值,读入已知数据等)。

    (2)变换方式去试探,若全部试完则转(7)。

    (3)判断此法是否成功(通过约束函数),不成功则转(2)。

    (4)试探成功则前进一步再试探。

    (5)正确方案还未找到则转(2)。

    (6)已找到一种方案则记录并打印。

    (7)退回一步(回溯),若未退到头则转(2)。

    (8)已退到头则结束或打印无解。

    总结起来就是: 

    针对所给问题,确定问题的解空间 --> 确定结点的扩展搜索规则--> 以DFS方式搜索解空间,并在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。

    4、算法框架

    (1)问题框架

    设问题的解是一个n维向量(a1,a2,………,an),约束条件是ai(i=1,2,3,…..,n)之间满足某种条件,记为f(ai)。

    (2)非递归回溯框架

    int a[n],
    i;初始化数组a[];
    i = 1;
    while (i > 0(有路可走) and(未达到目标)) // 还未回溯到头
    {
        if (i > n) // 搜索到叶结点
        {搜索到一个解,输出;
        } else // 处理第i个元素
        {
            a[i]第一个可能的值;
            while (a[i]在不满足约束条件且在搜索空间内) {
                a[i]下一个可能的值;
            }
            if (a[i]在搜索空间内) {
                19 : 标识占用的资源;20 : i = i + 1; // 扩展下一个结点  21:          }  22:          else  23:         {
                清理所占的状态空间; // 回溯25:               i = i –1; 
            }
        }

    (3)递归的算法框架

    回溯法是对解空间的深度优先搜索,在一般情况下使用递归函数来实现回溯法比较简单,其中i为搜索的深度,框架如下:

    int a[n];
        try(int i)
        {
            if(i>n)
               输出结果;
             else
            {
               for(j = 下界; j <= 上界; j=j+1)  // 枚举i所有可能的路径
               {
                  if(fun(j))                 // 满足限界函数和约束条件
                    {
                       a[i] = j;
                    ...                         // 其他操作
                       try(i+1);
                     回溯前的清理工作(如a[i]置空值等);
                     }
                }
            }
       }

    典型问题应用

    素数环问题,hdoj1016:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1016

    题目大意:

    将从1到n这n个整数围成一个圆环,若其中任意2个相邻的数字相加,结果均为素数,那么这个环就成为素数环。

    要求输出:从整数1开始。

    分析问题,可以构造解空间树,比较顺利的想到 DFS 、回溯。

    代码如下:

     1 #include<stdio.h>  
     2 #include <string.h>  
     3   
     4 #define M 40  
     5   
     6 int isPrime[M];////素数表,下标为素数的置为1,否则0  
     7 int vis[M>>1];// vis 标识 1-n,是否被选  
     8 int res[M>>1];// 存储解向量  
     9   
    10 int cnt;// 测试样例个数  
    11   
    12 void prime()//求出1-40的所有素数  
    13 {  
    14     int i, j;  
    15     for(i=1; i<M; ++i)  
    16     {  
    17         int ok = 1;  
    18         for(j=2; j*j<=i; ++j)  
    19         {  
    20             if(i%j == 0)  
    21             {  
    22                 ok = 0;  
    23                 break;  
    24             }  
    25         }  
    26         if(ok)  
    27             isPrime[i]=1;  
    28   
    29     }  
    30 }  
    31   
    32 void dfs(int cur, int n)  
    33 {  
    34     int i;  
    35     if(cur == n && isPrime[res[n-1] + res[0]])//别忘了测试边界,最后一个和第一个数 构成的环  
    36     {  
    37         for(i=0; i<n-1; ++i)  
    38             printf("%d ", res[i]);  
    39         printf("%d
    ", res[i]);  
    40     }  
    41     else  
    42     {  
    43         for(i=2; i<=n; i++)// 尝试每个i, 1始终在排头,因此从2开始计算  
    44         {  
    45             if(!vis[i] && isPrime[res[cur-1] + i])// i未用过且和前一个数和为素数  
    46             {  
    47                 res[cur] = i;  
    48                 vis[i] = 1; // 设置标志  
    49                 dfs(cur+1, n);  
    50                 vis[i] = 0; // 回溯, 清除标识  
    51             }  
    52         }  
    53     }  
    54 }  
    55   
    56   
    57 int main()  
    58 {  
    59     int n;  
    60     //freopen("in.txt", "r", stdin);  
    61     prime();  
    62     cnt = 0;  
    63     while(scanf("%d", &n) != EOF)  
    64     {  
    65         ++cnt;  
    66         printf("Case %d:
    ", cnt);  
    67         memset(vis, 0, sizeof(vis));  
    68         res[0] = 1;  
    69         dfs(1, n);  
    70         printf("
    ");  
    71     }  
    72     return 0;  
    73 }  

    代码中 prime()函数 求出1-40的所有素数,因为只要测试 1-19 因此 可以事前 把1-38的素数存储到一个 素数表里。这样计算时间更快。

     更多问题:http://www.cnblogs.com/jiangchen/p/5393848.html

     

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