深度优先搜索与回溯算法

深度优先搜索与回溯算法回溯是计算机解题中常用的算法，很多问题无法根据某种确定的计算法则来求解，可以利用搜索与回溯的技术求解。回溯是搜索算法中的一种控制策略。它的基本思想是：为了求得问题的解，先选择某一种可能情况向前探索，在探索过程中，一旦发现原来的选择是错误的，就退回一步重新选择，继续向前探索，如此反复进行，直至得到解或证明无解。如迷宫问题：进入迷宫后，先随意选择一个前进方向，一步步向前试探前进,如果碰到死胡同，说明前进方向已无路可走，这时，首先看其它方向是否还有路可走，如果有路可走，则沿该方向再向前试探；如果已无路可走，则返回一步，再看其它方向是否还有路可走；如果有路可走，则沿该方向再向前试探。按此原则不断搜索回溯再搜索，直到找到新的出路或从原路返回入口处无解为止。回溯法算法框架Proceduredfs(s)//访问状态sBeginif边界thenbegin判断是否为目标状态；exit;end;fori：=状态变换规则数beginsi=s+规则I保存局面dfs（si）还原局面end；End;【例1】设有n个整数的集合｛1,2,…,n｝，从中取出任意r个数（rn），试列出所有的可能的情况。例如{1,2,3}，r=2。那么有3种可能，（1,2），（1,3），（2,3）【例2】任何一个大于1的自然数n，总可以拆分成若干个小于n的自然数之和。当n=7共14种拆分方法：7=1+1+1+1+1+1+17=1+1+1+1+1+27=1+1+1+1+37=1+1+1+2+27=1+1+1+47=1+1+2+37=1+1+57=1+2+2+27=1+2+47=1+3+37=1+67=2+2+37=2+57=3+4total=14【例3】素数环:从1到n（=20）这n个数摆成一个环，要求相邻的两个数的和是一个素数。【算法分析】非常明显，这是一道回溯的题目。从1开始，每个空位有20种可能，只要填进去的数合法：与前面的数不相同；与左边相邻的数的和是一个素数。第20个数还要判断和第1个数的和是否素数。【例4】八皇后问题：要在国际象棋棋盘中放八个皇后，使任意两个皇后都不能互相吃。（提示：皇后能吃同一行、同一列、同一对角线的任意棋子。）１２３４５６７８１２３４５６７８｜／＼｜／＼｜／＼｜／－－－▲－－－－／｜＼／｜＼／｜＼【例5】马的遍历中国象棋半张棋盘如图4（a）所示。马自左下角往右上角跳。今规定只许往右跳，不许往左跳。比如图4（a）中所示为一种跳行路线，并将所经路线打印出来。打印格式为：0,0-2,1-3,3-1,4-3,5-2,7-4,8…【例6】数的划分(NOIP2001)【问题描述】将整数n分成k份，且每份不能为空，任意两种分法不能相同(不考虑顺序)。例如:n=7,k=3,下面三种分法被认为是相同的。•1，1，5；1，5，1；5，1，1；•问有多少种不同的分法。•【输入格式】•n,k(6n≤200，2≤k≤6)•【输出格式】•一个整数，即不同的分法。•【输入样例】•73•【输出样例】•4{4种分法为：1,1,5；1,2,4；1,3,3;2,2,3说明部分不必输出}【例7】跳马问题。在5*5格的棋盘上，有一只中国象棋的马，从（1,1）点出发，按日字跳马，它可以朝8个方向跳，但不允许出界或跳到已跳过的格子上，要求在跳遍整个棋盘。输出前5个方案及总方案数。输出格式示例：11621102520112415221721969127423143181385【课堂练习】1、输出自然数1到n所有不重复的排列，即n的全排列。【参考过程】intSearch(inti){Intj;for(j=1;j=n;j++)if(b[j]){a[i]=j;b[j]=false;if(In)Search(i+1);elseprint();b[j]=true;}}2、找出n个自然数(1,2,3,…,n)中r个数的组合。例如，当n=５,r=3时，所有组合为：123124125134135145234235245345total=10//组合的总数【分析】：设在b[1],b[2],…,b[i-1]中已固定地取了某一组值且b[i-1]=k的前提下，过程Search(i,k)能够列出所有可能的组合。由于此时b[i]只能取k+1至n-r+i，对j=k+1,k+2,…,n-r+i，使b[i]:=j，再调用过程Search(i+1,j)，形成递归调用。直至i的值大于r时，就可以在b中构成一种组合并输出。3、输出字母a、b、c、d，4个元素全排列的每一种排列。4、显示从前m个大写英文字母中取n个不同字母的所有种排列。5、有A、B、C、D、E五本书，要分给张、王、刘、赵、钱五位同学，每人只能选一本，事先让每人把自已喜爱的书填于下表，编程找出让每人都满意的所有方案。【答案】四种方案张王刘赵钱①CABDE②DACBE③DBCAE④DECAB6、有红球4个，白球3个，黄球3个，将它们排成一排共有多少种排法？【分析】：可以用回溯法来生成所有的排法。用数组b[1..3]表示尚未排列的这3种颜色球的个数。设共有I-1个球已参加排列，用子程序Search(i)生成由第I个位置开始的以后n-I+1位置上的各种排列。对于第I个位置，我们对3种颜色的球逐一试探，看每种颜色是否还有未加入排序的球。若有，则选取一个放在第I个位置上，且将这种球所剩的个数减1，然后调用Search(I+1),直至形成一种排列后出。对第I个位置上的所有颜色全部试探完后，则回溯至前一位置。【上机练习】1、全排列问题(Form.cpp)【问题描述】输出自然数1到n所有不重复的排列，即n的全排列，要求所产生的任一数字序列中不允许出现重复的数字。【输入格式】n(1≤n≤9)【输出格式】由1～n组成的所有不重复的数字序列，每行一个序列。【输入样例】Form.in3【输出样例】Form.out1231322132313123212、组合的输出(Compages.cpp)【问题描述】排列与组合是常用的数学方法，其中组合就是从n个元素中抽出r个元素(不分顺序且r＝n)，我们可以简单地将n个元素理解为自然数1，2，…，n，从中任取r个数。现要求你用递归的方法输出所有组合。例如n＝5，r＝3，所有组合为：l23l24125l34l35145234235245345【输入】一行两个自然数n、r(1n21，1＝r＝n)。【输出】所有的组合，每一个组合占一行且其中的元素按由小到大的顺序排列，每个元素占三个字符的位置，所有的组合也按字典顺序。【样例】compages.incompages.out531231241251341351452342352453453、N皇后问题(Queen.cpp)【问题描述】在N*N的棋盘上放置N个皇后（n=10）而彼此不受攻击（即在棋盘的任一行，任一列和任一对角线上不能放置2个皇后），编程求解所有的摆放方法。八皇后的两组解【输入格式】输入：n【输出格式】每行输出一种方案，每种方案顺序输出皇后所在的列号，各个数之间有空格隔开。若无方案，则输出nosolute!【输入样例】Queen.in4【输出样例】Queen.out241331424、有重复元素的排列问题【问题描述】设R={r1,r2,…,rn}是要进行排列的n个元素。其中元素r1,r2,…,rn可能相同。试设计一个算法，列出R的所有不同排列。【编程任务】给定n以及待排列的n个元素。计算出这n个元素的所有不同排列。【输入格式】由perm.in输入数据。文件的第1行是元素个数n，1≤n≤500。接下来的1行是待排列的n个元素。【输出格式】计算出的n个元素的所有不同排列输出到文件perm.out中。文件最后1行中的数是排列总数。【输入样例】4aacc【输出样例】多解aaccacacaccacaaccacaccaa65、子集和问题【问题描述】子集和问题的一个实例为〈S,t〉。其中，S={x1，x2，…，xn}是一个正整数的集合，c是一个正整数。子集和问题判定是否存在S的一个子集S1，使得子集S1和等于c。【编程任务】对于给定的正整数的集合S={x1，x2，…，xn}和正整数c，编程计算S的一个子集S1，使得子集S1和等于c。【输入格式】由文件subsum.in提供输入数据。文件第1行有2个正整数n和c，n表示S的个数，c是子集和的目标值。接下来的1行中，有n个正整数，表示集合S中的元素。【输出格式】程序运行结束时，将子集和问题的解输出到文件subsum.out中。当问题无解时，输出“Nosolution!”。【输入样例】51022654【输出样例】2266、工作分配问题【问题描述】设有n件工作分配给n个人。将工作i分配给第j个人所需的费用为cij。试设计一个算法，为每一个人都分配一件不同的工作，并使总费用达到最小。【编程任务】设计一个算法，对于给定的工作费用，计算最佳工作分配方案，使总费用达到最小。【输入格式】由文件job.in给出输入数据。第一行有1个正整数n(1≤n≤20)。接下来的n行，每行n个数，第i行表示第i个人各项工作费用。【输出格式】将计算出的最小总费用输出到文件job.out。【输入样例】3425236345【输出样例】97、装载问题【问题描述】有一批共n个集装箱要装上艘载重量为c的轮船，其中集装箱i的重量为wi。找出一种最优装载方案，将轮船尽可能装满，即在装载体积不受限制的情况下，将尽可能重的集装箱装上轮船。【输入格式】由文件load.in给出输入数据。第一行有2个正整数n和c。n是集装箱数，c是轮船的载重量。接下来的1行中有n个正整数，表示集装箱的重量。【输出格式】将计算出的最大装载重量输出到文件load.out。【输入样例】51072654【输出样例】108、字符序列(characts)【问题描述】从三个元素的集合[A，B，C]中选取元素生成一个N个字符组成的序列，使得没有两个相邻字的子序列（子序列长度=2）相同。例：N=5时ABCBA是合格的，而序列ABCBC与ABABC是不合格的，因为其中子序列BC，AB是相同的。对于由键盘输入的N(1=N=12)，求出满足条件的N个字符的所有序列和其总数。【输入样例】4【输出样例】72•9、试卷批分(grade)•【问题描述】•某学校进行了一次英语考试，共有10道是非题，每题为10分，解答用1表示“是”，用0表示“非”的方式。但老师批完卷后，发现漏批了一张试卷，而且标准答案也丢失了，手头只剩下了3张标有分数的试卷。•试卷一：①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩•0010100100得分：70•试卷二：①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩•0111010111得分：50•试卷三：①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩•0111000101得分：30•待批试卷：①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩•0011100111得分：？•【问题求解】：•请编一程序依据这三张试卷，算出漏批的那张试卷的分数。•10、迷宫问题(migong)•【问题描述】•设有一个N*N(2=N10)方格的迷宫，入口和出口分别在左上角和右上角。迷宫格子中分别放0和1，0表示可通，1表示不能，入口和出口处肯定是0。迷宫走的规则如下所示：即从某点开始，有八个方向可走，前进方格中数字为0时表示可通过，为1时表示不可通过，要另找路径。找出所有从入口（左上角）到出口（右上角）的路径(不能重复)，输出路径总数，如果无法到达，则输出0。•【输入样例】•3•000•011•100•【输出样例】•2//路径总数11、部落卫队【问题描述】原始部落byteland中的居民们为了争夺有限的资源，经常发生冲突。几乎每个居民都有他的仇敌。部落酋长为了组织一支保卫部落的队伍，希望从部落的居民中选出最多的居民入伍，并保证队伍中任何2个人都不是仇敌。【编程任务】给定byteland部落中居民间的仇敌关系，编程计算组成部落卫队的最佳方案。【输入格式】第1行有2个正整数n和m，表示byteland部落中有n个居民，居民间有m个仇敌关系。居民编号为1，2，…，n。接下来的m行中，每行有2个正整数u和v，表示居民u与