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2023-07-24 03:03:29 +08:00
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<p align="center"> Fig. 4 皇后问题的解 </p>
本题共三个约束条件:**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 `\`对角线 `/` 两种。
本题共包含三个约束条件:**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 `\`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"> Fig. n 皇后问题的约束条件 </p>
### 皇后放置策略
### 逐行放置策略
皇后的数量和棋盘的行数都为 $n$ ,因此我们容易得到一个推论:**棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后**。这意味着,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。**此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。
皇后的数量和棋盘的行数都为 $n$ ,因此我们容易得到一个推论:**棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后**。
下图展示了 $4$ 皇后问题的逐行放置过程。受篇幅限制,下图仅展开了第一行的一个搜索分支。在搜索过程中,我们将不满足列约束和对角线约束的方案都剪枝了
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
如下图所示,为 $4$ 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制,下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。
![逐行放置策略](n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png)
<p align="center"> Fig. 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。
### 列与对角线剪枝
为了实现根据列约束剪枝,我们可以利用一个长度为 $n$ 的布尔型数组 `cols` 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前,我们通过 `cols` 将已有皇后的列剪枝,并在回溯中动态更新 `cols` 的状态。
为了满足列约束,我们可以利用一个长度为 $n$ 的布尔型数组 `cols` 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前,我们通过 `cols` 将已有皇后的列进行剪枝,并在回溯中动态更新 `cols` 的状态。
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)` ,观察矩阵的某条主对角线,**我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引相等**,即 `row - col` 为恒定值。换句话说,若两个格子满足 `row1 - col1 == row2 - col2` ,则这两个格子一定处在一条主对角线上
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相等**即对角线上所有格子的 $row - col$ 为恒定值**
利用该性质,我们可以借助一个数组 `diag1` 来记录每条主对角线上是否有皇后。注意,$n$ 维方阵 `row - col` 的范围是 $[-n + 1, n - 1]$ ,因此共有 $2n - 1$ 条主对角线。
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,我们可以借助一个数组 `diag1` 来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**。我们可以使用相同方法,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"> Fig. 处理列约束和对角线约束 </p>
同理,**次对角线上的所有格子的 `row + col` 是恒定值**。我们可以使用同样的方法,借助数组 `diag2` 来处理次对角线约束。
### 代码实现
根据以上分析,我们便可以写出 $n$ 皇后的解题代码
请注意,$n$ 维方阵中 $row - col$ 的范围是 $[-n + 1, n - 1]$ $row + col$ 的范围是 $[0, 2n - 2]$ ,所以主对角线和次对角线的数量都为 $2n - 1$ ,即数组 `diag1``diag2` 的长度都为 $2n - 1$
=== "Java"
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[class]{}-[func]{nQueens}
```
### 复杂度分析
逐行放置 $n$ 次,考虑列约束,则从第一行到最后一行分别有 $n, n-1, \cdots, 2, 1$ 个选择,**因此时间复杂度为 $O(n!)$** 。实际上,根据对角线约束的剪枝也能够大幅地缩小搜索空间,因而搜索效率往往优于以上时间复杂度。
`state` 使用 $O(n^2)$ 空间,`cols` , `diags1` , `diags2` 皆使用 $O(n)$ 空间。最大递归深度为 $n$ ,使用 $O(n)$ 栈帧空间。因此,**空间复杂度为 $O(n^2)$** 。
数组 `state` 使用 $O(n^2)$ 空间,数组 `cols` , `diags1` , `diags2` 皆使用 $O(n)$ 空间。最大递归深度为 $n$ ,使用 $O(n)$ 栈帧空间。因此,**空间复杂度为 $O(n^2)$** 。