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<p>根据国际象棋的规则,皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个皇后和一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的棋盘,寻找使得所有皇后之间无法相互攻击的摆放方案。</p>
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<p>如图 13-15 所示,当 <span class="arithmatex">\(n = 4\)</span> 时,共可以找到两个解。从回溯算法的角度看,<span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的棋盘共有 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> 个格子,给出了所有的选择 <code>choices</code> 。在逐个放置皇后的过程中,棋盘状态在不断地变化,每个时刻的棋盘就是状态 <code>state</code> 。</p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="4 皇后问题的解" src="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" /></a></p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="4 皇后问题的解" class="animation-figure" src="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" /></a></p>
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<p align="center"> 图 13-15 4 皇后问题的解 </p>
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<p>图 13-16 展示了本题的三个约束条件:<strong>多个皇后不能在同一行、同一列、同一对角线</strong>。值得注意的是,对角线分为主对角线 <code>\</code> 和次对角线 <code>/</code> 两种。</p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="n 皇后问题的约束条件" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" /></a></p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="n 皇后问题的约束条件" class="animation-figure" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" /></a></p>
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<p align="center"> 图 13-16 n 皇后问题的约束条件 </p>
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<h3 id="1">1. 逐行放置策略<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>皇后的数量和棋盘的行数都为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,因此我们容易得到一个推论:<strong>棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后</strong>。</p>
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<p>也就是说,我们可以采取逐行放置策略:从第一行开始,在每行放置一个皇后,直至最后一行结束。</p>
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<p>如图 13-17 所示,为 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制,图 13-17 仅展开了第一行的其中一个搜索分支,并且将不满足列约束和对角线约束的方案都进行了剪枝。</p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="逐行放置策略" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png" /></a></p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="逐行放置策略" class="animation-figure" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png" /></a></p>
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<p align="center"> 图 13-17 逐行放置策略 </p>
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<p>本质上看,<strong>逐行放置策略起到了剪枝的作用</strong>,它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。</p>
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<p>那么,如何处理对角线约束呢?设棋盘中某个格子的行列索引为 <span class="arithmatex">\((row, col)\)</span> ,选定矩阵中的某条主对角线,我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引都相等,<strong>即对角线上所有格子的 <span class="arithmatex">\(row - col\)</span> 为恒定值</strong>。</p>
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<p>也就是说,如果两个格子满足 <span class="arithmatex">\(row_1 - col_1 = row_2 - col_2\)</span> ,则它们一定处在同一条主对角线上。利用该规律,我们可以借助图 13-18 所示的数组 <code>diags1</code> ,记录每条主对角线上是否有皇后。</p>
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<p>同理,<strong>次对角线上的所有格子的 <span class="arithmatex">\(row + col\)</span> 是恒定值</strong>。我们同样也可以借助数组 <code>diags2</code> 来处理次对角线约束。</p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="处理列约束和对角线约束" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png" /></a></p>
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<p><a class="glightbox" href="../n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="处理列约束和对角线约束" class="animation-figure" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png" /></a></p>
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<p align="center"> 图 13-18 处理列约束和对角线约束 </p>
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<h3 id="3">3. 代码实现<a class="headerlink" href="#3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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