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回溯算法的应用

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回溯算法的应用 课程名称： 算法设计与分析 院 系： 计算机科学与信息工程学院 学生姓名： *** 学 号： ********* 专业班级： 计算机科学与技术(信息技术)11-1 指导教师： ***

2013年12月27日 回溯算法的应用 摘 要：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。 在做题时，有时会遇到这样一类题目，它的问题可以分解，但是又不能得出明确的动态规划或是递归解法，此时可以考虑用回溯法解决此类问题。回溯法是尝试搜索算法中最为基本的一种算法，它的优点在于其程序结构明确，可读性强，易于理解，而且通过对问题的分析可以大大提高运行效率。 回溯算法也叫试探法，实际上是一个类似枚举的搜索尝试方法，是一种系统地搜索问题的解的方法。它的主要思想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。

关键词：回溯搜索 全排列 最优化问题 结点 目 录 第1章 绪论........................................................................................................ 1 1.1 回溯算法的背景知识 .................................................................................... 1 1.2 回溯法的前景意义 ........................................................................................ 1 第2章 回溯算法的理论知识 ........................................................................... 2 2.1 问题的解最优化问题 .................................................................................... 2 2.2 回溯算法的一般性描述 ................................................................................ 2 第3章 全排列问题 ......................................................................................... 4 3.1 问题描述......................................................................................................... 4 3.2 问题分析......................................................................................................... 4 3.3 算法设计......................................................................................................... 4 3.4 测试结果与分析 ............................................................................................ 6 第四章 最优化问题 ........................................................................................... 7 4.1 问题描述......................................................................................................... 7 4.2 问题分析......................................................................................................... 7 4.3 算法设计......................................................................................................... 7 4.4 测试结果与分析 ............................................................................................ 9 第5章 结论......................................................................................................10 参考文献 ..............................................................................................................10 第 1 页 共 17 页 1

第1章 绪论 1.1 回溯算法的背景知识 回溯算法是尝试搜索算法中最为基本的算法，在递归算法中，其存在的意义是在递归知道可解的最小问题后，逐步返回原问题的过程。实际上是一个类似于枚举的搜索尝试方法，他的主题思想是在搜索尝试的过程中寻找问题的解，当发现不满足条件时就回溯返回，尝试别的路径 简单的说就是：从问题的某一种初始状态出发，依次搜寻每一种可能到达的情况，当走到这条路的“尽头”时，回过头到上一个情况，看这个情况是否还有没有走过的路，依次进行下去，直到遍历完所有的情况。 回溯法实际上是一种深度优先搜索的方式。对于回溯法解决的问题，通常将其解空间组织成图或者树的形式。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。

1.2 回溯法的前景意义 在做题时，有时会遇到这样一类题目，它的问题可以分解，但是又不能得出明确的动态规划或是递归解法，此时可以考虑用回溯法解决此类问题。回溯法的优点在于其程序结构明确，可读性强，易于理解，而且通过对问题的分析可以大大提高运行效率。 通过运用回溯法，可以解决很多问题，譬如我们所熟知的“全排列”、“最优化问题”，这只是在教学阶段中的运用，在实际运用中回溯法也能起到很大的作用。回溯法适用于解决难以归纳一般规律解法的问题，其适用范围广，灵活性大，在解一些列举方法的问题时尤其可用。但是，其缺点也是明显的，即时间复杂度较大；因此在采用时应该因情况的不同而做出不同的选择。 第 2 页 共 17 页 2

第2章 回溯算法的理论知识 2.1 问题的解最优化问题 对于最优化问题。 一个有趣的高精度数据：构造一个尽可能大的数，使其从高到低满足前一位能被1整除，前2位能被2整除，„„，前n位能被n整除。 记高精度数据为a1，a2，„，an，a1能被1整除且（a1*10+a2)能被2整除且„„（a1*10^n-1+a2*10^n-2+„an)能被n整除；求最大的这样的数。 此数只能用从高位到低位逐位尝试，失败回溯的算法策略求解，生成的高精度数据用数组从高位到低位存储，1号元素开始存储最高位。此数的大小无法估计不妨为数组开辟100个空间。 算法中数组A为当前求解的高精度数据的暂存处，数组B为当前最大的满足条件的数， 算法的首位A[1]（最高位）从1开始枚举。以后各位从0开始枚举。所以求解出的满足条件的数据之间只须比较数就能确定大小，n为当前满足条件的最大数据的位数，i为当前满足条件数据的位数，当i>=n就认为找到了更大的解。当i>n不必解释，位数多数据一定大；i=n时，由于尝试是由小到大进行的，虽然位数相等，但后来满足条件的数据一定比前面的大。

2.2 回溯算法的一般性描述 回溯法的一般描述 可用回溯法求解的问题P，通常要能表达为：对于已知的由n元组（x1，x2，„，xn）组成的一个状态空间E={（x1，x2，„，xn）∣xi∈Si ，i=1，2，„，n}，给定关于n元组中的一个分量的一个约束集D，要求E中满足D的全部约束条件的所有n元组。其中Si是分量xi的定义域，且 |Si| 有限，i=1，2，„，n。我们称E中满足D的全部约束条件的任一n元组为问题P的一个解。 解问题P的最朴素的方法就是枚举法，即对E中的所有n元组逐一地检测其

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第5章 回溯法

第5章 回溯法

第5章
教学要求

回溯
了解回溯算法的概念与回溯设计要领 掌握应用回溯算法求解桥本分数式、素数环、 数码串珠以及情侣拍照等典型案例
本章重点

理解回溯法 “向前走，碰壁回头”的实现
5.1 回溯概述

1. 回溯的概念
(1) 回溯法（Back track method）有“通用解题法”之美 称，是一种比枚举“聪明”的效率更高的搜索技术。

4. 4皇后问题的回溯举例
如何在4×4的方格棋盘上放置4个皇后，使它们互不攻击:

4皇后问题回溯描述
i=1;a[i]=1; while


(1) { g=1;for(k=i-1;k>=1;k--) if(a[i]=a[k] || abs(a[i]-a[k])=i-k) g=0; // 检测约束条件,不满足则返回 if(g && i==4) printf(a[1：4]); // 输出一个解 if(i<4 && g) {i++;a[i]=1;continue;} while(a[i]==4 && i>1) i--; // 向前回溯 if(a[i]==4 && i==1) break; //退出循环结束探索 else a[i]=a[i]+1; }
（2） 回溯描述 对于一般含参量m,n的搜索问题,输入正整数n,m,(n≥m) i=1;a[i]=<元素初值>; while (1) {for(g=1,k=i-1;k>=1;k--) if( <约束条件1> ) g=0; // 检测约束条件,不满足则返回 if(g && <约束条件2>) printf(a[1：m]); // 输出解 if(i<n && g) {i++;a[i]=<取值点>;continue;} while(a[i]=<回溯点> && i>1) i--; // 向前回溯 if(a[i]==n && i==1) break; // 退出循环，结束 else a[i]=a[i]+1; }
回溯法_ppt课件

回溯法_ppt课件

//h(i)表示在当前扩展节点处x[t]的第i个可选值
实 现 递 归
} }
if (Constraint(t) &&Bound(t) ) { if (Solution(t)) Output(x); else t ++; } else t --;
if (Constraint(t) &&Bound(t) ) { if (Solution(t)) Output(x); else t ++; } else t --; 分析：
算法设计与分析 >回溯法
5、回溯法解题步骤: 1).针对所给问题,定义问题的解空间 2).确定解空间结构. 3).以深度优先方式搜索解空间.
算法模式 Procedure BACKTRACK(n)； {k:=l； repeat if TK (x1,x2,...xK-1 )中的值未取遍 then { xK:＝TK (x1，x2，..., x K-1 )中未取过的一个值； if BK (x1, x2, ..., x K) then //状态结点(x1,...xk)被激活 if k＝n then output(x1, x2, ..., xk) //输出度优先 e1se k:＝k-l； //回溯 until k＝0； end；{BACKTRACK}
if (Constraint(t)&&Bound(t) ) Backtrack(t + 1)； if语句含义：Constraint(t)和Bound(t)表示当前扩展 节点处的约束函数和限界函数。 Constraint(t): 返回值为true时，在当前扩展节点处 x[1:t]的取值问题的约束条件，否则不满足问题的约束条 件，可剪去相应的子树 Bound(t): 返回的值为true时，在当前扩展节点处 x[1：t]的取值为时目标函数越界，还需由Backtrack(t+1) 对其相应的子树做进一步搜索。否则，当前扩展节点处 x[1：t]的取值是目标函数越界，可剪去相应的子树 for循环作用：搜索遍当前扩展的所有未搜索过的 子树。 递归出口：Backtrack(t)执行完毕，返回t-1层继续 执行，对还没有测试过的x[t-1]的值继续搜索。当t=1时， 若以测试完x[1]的所有可选值，外层调用就全部结束。
回溯法

回溯法

回溯法一、回溯法：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。

二、算法框架：1、问题的解空间：应用回溯法解问题时，首先应明确定义问题的解空间。

问题的解空间应到少包含问题的一个（最优）解。

2、回溯法的基本思想：确定了解空间的组织结构后，回溯法就从开始结点（根结点）出发，以深度优先的方式搜索整个解空间。

这个开始结点就成为一个活结点，同时也成为当前的扩展结点。

在当前的扩展结点处，搜索向纵深方向移至一个新结点。

这个新结点就成为一个新的活结点，并成为当前扩展结点。

如果在当前的扩展结点处不能再向纵深方向移动，则当前扩展结点就成为死结点。

换句话说，这个结点不再是一个活结点。

此时，应往回移动（回溯）至最近的一个活结点处，并使这个活结点成为当前的扩展结点。

回溯法即以这种工作方式递归地在解空间中搜索，直至找到所要求的解或解空间中已没有活结点时为止。

运用回溯法解题通常包含以下三个步骤：（1）针对所给问题，定义问题的解空间；（2）确定易于搜索的解空间结构；（3）以深度优先的方式搜索解空间，并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索；3、递归回溯：由于回溯法是对解空间的深度优先搜索，因此在一般情况下可用递归函数来实现回溯法如下：procedure try(i:integer);varbeginif i>n then 输出结果else for j:=下界 to 上界 dobeginx[i]:=h[j];if 可行{满足限界函数和约束条件} then begin 置值；try(i+1); end;end;end;说明：i 是递归深度；n 是深度控制，即解空间树的的高度；可行性判断有两方面的内容：不满约束条件则剪去相应子树；若限界函数越界，也剪去相应子树；两者均满足则进入下一层；二、习题：1、0-1背包：n=3,w=[16,15,15],p=[45,25,25],c=302、旅行售货员问题：某售货员要到若干城市去推销商品，已知各城市之间的路程（或旅费）。

回溯法的几种算法框架

回溯法的几种算法框架

回溯法的几种算法框架回溯法是一种经典的求解问题的算法框架，通常用于解决组合优化、搜索和排列问题。

下面将介绍回溯法的几种常见算法框架。

1. 全排列问题：全排列问题是指对给定的一组数字或字符，求出所有可能的排列方式。

回溯法可以通过递归的方式实现。

首先选择一个初始位置，然后从剩余的数字中选择下一个位置，依次类推，直到所有位置都被填满。

当所有位置都填满时，得到一个排列。

随后继续回溯，在上一次选择的位置后面选择下一个数字，直到得到所有的排列。

2. 子集问题：子集问题是指对给定的一组数字或字符，求出所有可能的子集。

回溯法可以通过递归的方式实现。

从给定的集合中选择一个元素，可以选择将其添加到当前正在构建的子集中，也可以选择跳过。

递归地遍历所有可能的选择路径，直到得到所有的子集。

3. 组合问题：组合问题是指在给定的一组数字或字符中，取出若干个元素进行组合，求解出所有不重复的组合方式。

回溯法可以通过递归的方式实现。

从给定的集合中选择一个元素，将其添加到当前正在构建的组合中，然后以当前选择元素的下一个位置为起点，递归地构建后续的组合。

如果当前组合已经满足条件或者已经遍历完所有可能的位置，则回溯到上一次选择的位置，继续尝试其他可能的选择。

4. 搜索问题：搜索问题是指在给定的搜索空间中，找到满足特定条件的解。

回溯法可以通过递归的方式实现。

从初始状态开始，选择一个操作或移动方式，然后递归地探索所有可能的状态转移路径。

每次探索时，进行剪枝操作，排除一些不符合条件的状态。

当找到满足条件的解或搜索空间遍历完时，回溯到上一次选择的位置，继续探索其他可能的路径。

总结：回溯法是一种求解问题的经典算法框架，适用于组合优化、搜索和排列问题。

通过选择和回溯的方式，可以遍历所有可能的解空间，并找到满足特定条件的解。

在实际应用中，可以根据具体问题的特点，选择合适的算法框架和相应的优化策略，以提高算法的效率和准确性。