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回溯算法
阅读量:5264 次
发布时间:2019-06-14

本文共 3262 字,大约阅读时间需要 10 分钟。

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:

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
2 #include
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

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

 

 

转载于:https://www.cnblogs.com/jiangchen/p/5393849.html

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