数据结构与算法 回溯算法介绍和举例

回溯算法(Backtracking)是一种穷举搜索的算法,用于在大规模搜索问题中找到所有或部分可行解。其主要思想是不断地在解空间中试探,找到可行解或者最优解。下面我们以一个八皇后问题为例来说明回溯算法的思想和实现。

八皇后问题是一个经典的回溯算法问题,其要求在一个8×8的棋盘上放置8个皇后,使得任意两个皇后之间都不能在同一行、同一列或同一斜线上。我们可以使用回溯算法来解决这个问题。具体来说,我们可以按照如下的步骤来实现回溯算法:

定义一个数组board来表示当前的棋盘状态。其中,board[i]表示第i行皇后所在的列数。

定义一个回溯函数backtrack,用于在当前状态下继续试探下一步的情况。在每一次尝试放置一个皇后时,需要检查当前的棋盘状态是否合法,如果合法,则继续向下探索;如果不合法,则回溯到上一步,重新尝试其它的可能。

在回溯函数中,我们可以使用递归来实现对所有情况的穷举搜索。具体来说,我们从第一行开始,依次枚举每一列,然后检查当前状态是否合法。如果合法,则继续探索下一行;如果不合法,则回溯到上一行,重新尝试其它的列。

如果找到了一组解,则记录下来,并继续寻找其它的解。如果搜索完所有可能的情况,还没有找到合适的解,则回溯到上一步,继续尝试其它的可能。

下面是一个八皇后问题的Java代码实现:

public class EightQueens {
    private List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();

    public List<List<Integer>> solveNQueens(int n) {
        if (n <= 0) {
            return res;
        }

        int[] board = new int[n];
        Arrays.fill(board, -1);
        backtrack(board, 0);
        return res;
    }

    private void backtrack(int[] board, int row) {
        int n = board.length;
        if (row == n) {
            res.add(toList(board));
            return;
        }

        for (int col = 0; col < n; col++) {
            if (isValid(board, row, col)) {
                board[row] = col;
                backtrack(board, row + 1);
                board[row] = -1;
            }
        }
    }

    private boolean isValid(int[] board, int row, int col) {
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            if (board[i] == col) {
                return false;
            }
            if (Math.abs(row - i) == Math.abs(col - board[i])) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    private List<Integer> toList(int[] board) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < board.length; i++) {
            list.add(board[i]);
        }
        return list;
    }
}

在回溯函数backtrack中,我们从第0行开始,依次枚举每一列,然后检查当前状态是否合法。如果合法,则将皇后放在当前位置上,继续探索下一行;如果不合法,则回溯到上一行,重新尝试其它的列。如果搜索完所有可能的情况,还没有找到合适的解,则回溯到上一步,继续尝试其它的可能。如果找到了一组解,则记录下来,并继续寻找其它的解。