回溯法介绍
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。
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
等
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)。
利用回溯法解题的具体步骤
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。
回溯法基本框架
设问题的解是一个n维向量(a1,a2,………,an),约束条件是bi(i=1,2,3,…..,n)之间满足某种条件,记为f(bi)。
递归实现:
int a[n];
初始化数组a[]等操作
...
void dfs(int cur)
{
int i;
if(cur>n)
//统计、输出结果等;
else
{
for(i = 下界; i <= 上界; ++i) // 枚举i所有可能的路径
{
if(fun(i)) // 满足限界函数和约束条件
{
a[cur] = i;
... // 其他操作,设置标志等
dfs(cur+1);
//回溯前的清理工作(如a[cur]置空值,标志置0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:
#include<stdio.h>
#include <string.h>
#define M 40
int isPrime[M];////素数表,下标为素数的置为1,否则0
int vis[M>>1];// vis 标识 1-n,是否被选
int res[M>>1];// 存储解向量
int cnt;// 测试样例个数
void prime()//求出1-40的所有素数
{
int i, j;
for(i=1; i<M; ++i)
{
int ok = 1;
for(j=2; j*j<=i; ++j)
{
if(i%j == 0)
{
ok = 0;
break;
}
}
if(ok)
isPrime[i]=1;
}
}
void dfs(int cur, int n)
{
int i;
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
{
for(i=0; i<n-1; ++i)
printf("%d ", res[i]);
printf("%d\n", res[i]);
}
else
{
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
{
if(!vis[i] && isPrime[res[cur-1] + i])// i未用过且和前一个数和为素数
{
res[cur] = i;
vis[i] = 1; // 设置标志
dfs(cur+1, n);
vis[i] = 0; // 回溯, 清除标识
}
}
}
}
int main()
{
int n;
//freopen("in.txt", "r", stdin);
prime();
cnt = 0;
while(scanf("%d", &n) != EOF)
{
++cnt;
printf("Case %d:\n", cnt);
memset(vis, 0, sizeof(vis));
res[0] = 1;
dfs(1, n);
printf("\n");
}
return 0;
}
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。
下面是最近更新的回溯法的相关例子,http://blog.csdn.net/daniel_ustc/article/details/17041933。
参考:
http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%9B%9E%E6%BA%AF%E6%B3%95
http://www.newsjz.com/wxqgr/xxas/as2/sfjc/201103/337.html