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九宫图=》数独
根据9×9盘面上的已知数字,推理出所有剩余空格的数字,并满足每一行、每一列、每一个粗线宫内的数字均含1-9,不重复。每一道合格的数独谜题都有且仅有唯一答案,推理方法也以此为基础,任何无解或多解的题目都是不合格的。
解空间(9!)9≈ 1050
约束:
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巡警平台设置
Pi, Qj (i=1…m,j=1…n)分别表示交警平台和路口,sij 表示Pi到QjQ的最短路径,xij : {0,1}
目标: 全局
约束:
(解空间 2mn)
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巡警平台设置
目标:短板最优
约束:
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解法:搜索算法: 回溯法 分支定界法 + 概率算法:拉斯维加斯(Las-Vegas)算法 + 贪心算法(Greedy Algorithm)
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参考文献: 王晓东,计算机算法设计与分析,电子工业出版社,2001,北京
精确解
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回溯法
回溯法的策略:深度优先搜索。
算法框架
(1)递归回溯最优子结构性质
(2)迭代回溯贪心选择性质
(3)子集树算法框架
(4)排列树算法框架
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有许多问题,当需要找出它的解集或者要求回答什么解是满足某些约束条件的最佳解时,往往要使用回溯法。
回溯法的基本做法是搜索,或是一种组织得井井有条的,能避免不必要搜索的穷举式搜索法。这种方法适用于解一些组合数相当大的问题。
回溯法在问题的解空间树中,按深度优先策略,从根结点出发搜索解空间树。算法搜索至解空间树的任意一点时,先判断该结点是否包含问题的解。如果肯定不包含,则跳过对该结点为根的子树的搜索,逐层向其祖先结点回溯;否则,进入该子树,继续按深度优先策略搜索。
回溯法
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问题的解空间
问题的解向量:回溯法希望一个问题的解能够表示成一个n元式(x1,x2,…,xn)的形式。
显约束:对分量xi的取值限定。
隐约束:为满足问题的解而对不同分量之间施加的约束。
解空间:对于问题的一个实例,解向量满足显式约束条件的所有多元组,构成了该实例的一个解空间。
注意:同一个问题可以有多种表示,有些表示方法更简单,所需表示的状态空间更小(存储量少,搜索方法简单)。
n=3时的0-1背包问题用完全二叉树表示的解空间
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生成问题状态的基本方法
扩展结点:一个正在产生儿子的结点称为扩展结点
活结点:一个自身已生成但其儿子还没有全部生成的节点称做活结点
死结点:一个所有儿子已经产生的结点称做死结点
深度优先的问题状态生成法:如果对一个扩展结点R,一旦产生了它的一个儿子C,就把C当做新的扩展结点。在完成对子树C(以C为根的子树)的穷尽搜索之后,将R重新变成扩展结点,继续生成R的下一个儿子(如果存在)
宽度优先的问题状态生成法:在一个扩展结点变成死结点之前,它一直是扩展结点
回溯法:为了避免生成那些不可能产生最佳解的问题状态,要不断地利用限界函数(bounding function)来处死那些实际上不可能产生所需解的活结点,以减少问题的计算量。具有限界函数的深度优先生成法称为回溯法
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回溯法的基本思想
(1)针对所给问题,定义问题的解空间;
(2)确定易于搜索的解空间结构;
(3)以深度优先方式搜索解空间,并在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。
常用剪枝函数:
用约束函数在扩展结点处剪去不满足约束的子树;
用限界函数剪去得不到最优解的子树。
用回溯法解题的一个显著特征是在搜索过程中动态产生问题的解空间。在任何时刻,算法只保存从根结点到当前扩展结点的路径。如果解空间树中从根结点到叶结点的最长路径的长度为h(n),则回溯法所需的计算空间通常为O(h(n))。而显式地存储整个解空间则需要O(2h(n))或O(h(n)!)内存空间。
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