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2023-08-22 13:50:12 +08:00
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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 $n$ 个皇后和一个 $n \times n$ 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。
图所示,当 $n = 4$ 时,共可以找到两个解。从回溯算法的角度看,$n \times n$ 大小的棋盘共有 $n^2$ 个格子,给出了所有的选择 `choices` 。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 `state`
如图 13-15 所示,当 $n = 4$ 时,共可以找到两个解。从回溯算法的角度看,$n \times n$ 大小的棋盘共有 $n^2$ 个格子,给出了所有的选择 `choices` 。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 `state`
![4 皇后问题的解](n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png)
<p align="center"> 图4 皇后问题的解 </p>
<p align="center"> 图 13-15 &nbsp; 4 皇后问题的解 </p>
图展示了本题的三个约束条件:**多个皇后不能在同一行、同一列、同一对角线**。值得注意的是,对角线分为主对角线 `\` 和次对角线 `/` 两种。
13-16 展示了本题的三个约束条件:**多个皇后不能在同一行、同一列、同一对角线**。值得注意的是,对角线分为主对角线 `\` 和次对角线 `/` 两种。
![n 皇后问题的约束条件](n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png)
<p align="center"> 图n 皇后问题的约束条件 </p>
<p align="center"> 图 13-16 &nbsp; n 皇后问题的约束条件 </p>
### 1. &nbsp; 逐行放置策略
@@ -26,11 +26,11 @@ comments: true
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。
图所示,为 $4$ 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制,图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。
如图 13-17 所示,为 $4$ 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。
![逐行放置策略](n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png)
<p align="center"> 图逐行放置策略 </p>
<p align="center"> 图 13-17 &nbsp; 逐行放置策略 </p>
本质上看,**逐行放置策略起到了剪枝的作用**,它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。
@@ -40,13 +40,13 @@ comments: true
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 $(row, col)$ ,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,**即对角线上所有格子的 $row - col$ 为恒定值**。
也就是说,如果两个格子满足 $row_1 - col_1 = row_2 - col_2$ ,则它们一定处在同一条主对角线上。利用该规律,我们可以借助图所示的数组 `diag1` ,记录每条主对角线上是否有皇后。
也就是说,如果两个格子满足 $row_1 - col_1 = row_2 - col_2$ ,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 `diag1` ,记录每条主对角线上是否有皇后。
同理,**次对角线上的所有格子的 $row + col$ 是恒定值**。我们同样也可以借助数组 `diag2` 来处理次对角线约束。
![处理列约束和对角线约束](n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png)
<p align="center"> 图处理列约束和对角线约束 </p>
<p align="center"> 图 13-18 &nbsp; 处理列约束和对角线约束 </p>
### 3. &nbsp; 代码实现