高级搜索算法

简介: 高级搜索算法


复习搜索

复习:蛮力搜索的三种基本类型

复习:初级搜索

搜索树–三子棋

搜索树–围棋

剪枝

具有多项式时间算法的问题只是很少的一部分,更多的问题只能采用搜索的方式求解

蛮力搜索(或者说回溯)作为最原始的遍历状态空间的方法,本质上是试错

一个分支不可行,就需要取消上一步甚至前几步的计算,换个分支重新来过

在分支较多、较深的问题中,很容易导致复杂度为指数时间的运算

剪枝,就是通过已有的信息,提前判定某些分支不可行或一定不优,从而减少需要访问的状态数量形象地说就像剪去“搜索树”的枝条,所以叫剪枝

22.括号生成

https://leetcode.cn/problems/generate-parentheses/

class Solution {
public:
    vector<string> generateParenthesis(int n) {
        if(n == 0) return {""};
        if(store.find(n) != store.end()) return store[n];
        vector<string> ans;
        for(int k=1;k<=n;k++)
        {
            vector<string> A = generateParenthesis(k-1);
            vector<string> B = generateParenthesis(n-k);
            for(string & a:A)
            {
                for(string & b:B)
                {
                    ans.push_back("(" + a + ")" +b);
                }
            }
        }
        store[n]=ans;
        return ans;
    }
private:
    unordered_map<int ,vector<string>> store;
};

51.N皇后

https://leetcode.cn/problems/n-queens/

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
        this->n = n;
        used = vector<bool>(n, false);
        dfs(0);
        vector<vector<string>> result;
        for(vector<int>& p : ans) {
            vector<string> pattern(n , string(n, '.'));
            for(int row = 0; row < n; row++){
                pattern[row][p[row]] = 'Q';
            }
            result.push_back(pattern);
        }
        return result;
    }
private:
    void dfs(int row) {
        if(row == n) {
            ans.push_back(p);
            return ;
        }
        for(int col = 0;col < n; col++){
            if(!used[col] && !usedPlus[row + col] && !usedMinus[row - col]) {
                p.push_back(col);
                used[col] = true;
                usedPlus[row + col] = true;
                usedMinus[row - col] = true;
                dfs(row + 1);
                usedMinus[row - col] = false;
                usedPlus[row + col] = false;
                used[col] = false;
                p.pop_back();
            }
        }
    }
    int n;
    vector<int> p;
    vector<bool> used;
    unordered_map<int, bool> usedPlus;
    unordered_map<int, bool> usedMinus;
    vector<vector<int>> ans;
};

36.有效的数独

https://leetcode.cn/problems/valid-sudoku/

class Solution {
public:
    bool isValidSudoku(vector<vector<char>>& board) {
        int rows[9][9];
        int columns[9][9];
        int subboxes[3][3][9];
        memset(rows,0,sizeof(rows));
        memset(columns,0,sizeof(columns));
        memset(subboxes,0,sizeof(subboxes));
        for (int i = 0; i < 9; i++) {
            for (int j = 0; j < 9; j++) {
                char c = board[i][j];
                if (c != '.') {
                    int index = c - '0' - 1;
                    rows[i][index]++;
                    columns[j][index]++;
                    subboxes[i / 3][j / 3][index]++;
                    if (rows[i][index] > 1 || columns[j][index] > 1 || subboxes[i / 3][j / 3][index] > 1) {
                        return false;
                    }
                }
            }
        }
        return true;
    }
};

37.解数独

https://leetcode.cn/problems/sudoku-solver/

class Solution {
private:
    int line[9];
    int column[9];
    int block[3][3];
    bool valid;
    vector<pair<int, int>> spaces;
public:
    void flip(int i, int j, int digit) {
        line[i] ^= (1 << digit);
        column[j] ^= (1 << digit);
        block[i / 3][j / 3] ^= (1 << digit);
    }
    void dfs(vector<vector<char>>& board, int pos) {
        if (pos == spaces.size()) {
            valid = true;
            return;
        }
        auto [i, j] = spaces[pos];
        int mask = ~(line[i] | column[j] | block[i / 3][j / 3]) & 0x1ff;
        for (; mask && !valid; mask &= (mask - 1)) {
            int digitMask = mask & (-mask);
            int digit = __builtin_ctz(digitMask);
            flip(i, j, digit);
            board[i][j] = digit + '0' + 1;
            dfs(board, pos + 1);
            flip(i, j, digit);
        }
    }
    void solveSudoku(vector<vector<char>>& board) {
        memset(line, 0, sizeof(line));
        memset(column, 0, sizeof(column));
        memset(block, 0, sizeof(block));
        valid = false;
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                if (board[i][j] == '.') {
                    spaces.emplace_back(i, j);
                }
                else {
                    int digit = board[i][j] - '0' - 1;
                    flip(i, j, digit);
                }
            }
        }
        dfs(board, 0);
    }
};
class Solution {
public:
    bitset<9> getPossibleStatus(int x, int y)
    {
        return ~(rows[x] | cols[y] | cells[x / 3][y / 3]);
    }
    vector<int> getNext(vector<vector<char>>& board)
    {
        vector<int> ret;
        int minCnt = 10;
        for (int i = 0; i < board.size(); i++)
        {
            for (int j = 0; j < board[i].size(); j++)
            {
                if (board[i][j] != '.') continue;
                auto cur = getPossibleStatus(i, j);
                if (cur.count() >= minCnt) continue;
                ret = { i, j };
                minCnt = cur.count();
            }
        }
        return ret;
    }
    void fillNum(int x, int y, int n, bool fillFlag)
    {
        rows[x][n] = (fillFlag) ? 1 : 0;
        cols[y][n] = (fillFlag) ? 1 : 0;
        cells[x/3][y/3][n] = (fillFlag) ? 1: 0;
    }
    bool dfs(vector<vector<char>>& board, int cnt)
    {
        if (cnt == 0) return true;
        auto next = getNext(board);
        auto bits = getPossibleStatus(next[0], next[1]);
        for (int n = 0; n < bits.size(); n++)
        {
            if (!bits.test(n)) continue;
            fillNum(next[0], next[1], n, true);
            board[next[0]][next[1]] = n + '1';
            if (dfs(board, cnt - 1)) return true;
            board[next[0]][next[1]] = '.';
            fillNum(next[0], next[1], n, false);
        }
        return false;
    }
    void solveSudoku(vector<vector<char>>& board) 
    {
        rows = vector<bitset<9>>(9, bitset<9>());
        cols = vector<bitset<9>>(9, bitset<9>());
        cells = vector<vector<bitset<9>>>(3, vector<bitset<9>>(3, bitset<9>()));
        int cnt = 0;
        for (int i = 0; i < board.size(); i++)
        {
            for (int j = 0; j < board[i].size(); j++)
            {
                cnt += (board[i][j] == '.');
                if (board[i][j] == '.') continue;
                int n = board[i][j] - '1';
                rows[i] |= (1 << n);
                cols[j] |= (1 << n);
                cells[i / 3][j / 3] |= (1 << n);
            }
        }
        dfs(board, cnt);
    }
private:
    vector<bitset<9>> rows;
    vector<bitset<9>> cols;
    vector<vector<bitset<9>>> cells;
};

数独–剪枝

优先选择“能填的合法数字”最少的位置,而不是第一个位置

  • 如果是人类来玩数独,策略一定是先填上“已经能够唯一确定的位置”,然后从那些填得比较
    满、选项比较少的位置实施突破

快速判定数独有效性

  • 对于每行、每列、每个九宫格,分别用一个9位bool数组保存哪些数字还可以填
  • 对于一个位置,合并它所在行、列、九宫格的3个bool数组,就可以得到能填的数字
  • 当一个位置填上某个数后,更新对应的行、列、九宫格bool数组,回溯时还原现场

迭代加深、折半搜索与双向搜索

BFS

双向BFS

迭代加深

折半搜索

单词接龙

127.单词接龙

https://leetcode.cn/problems/word-ladder/

class Solution {
public:
    unordered_map<string, int> wordId;
    vector<vector<int>> edge;
    int nodeNum = 0;
    void addWord(string& word) {
        if (!wordId.count(word)) {
            wordId[word] = nodeNum++;
            edge.emplace_back();
        }
    }
    void addEdge(string& word) {
        addWord(word);
        int id1 = wordId[word];
        for (char& it : word) {
            char tmp = it;
            it = '*';
            addWord(word);
            int id2 = wordId[word];
            edge[id1].push_back(id2);
            edge[id2].push_back(id1);
            it = tmp;
        }
    }
    int ladderLength(string beginWord, string endWord, vector<string>& wordList) {
        for (string& word : wordList) {
            addEdge(word);
        }
        addEdge(beginWord);
        if (!wordId.count(endWord)) {
            return 0;
        }
        vector<int> dis(nodeNum, INT_MAX);
        int beginId = wordId[beginWord], endId = wordId[endWord];
        dis[beginId] = 0;
        queue<int> que;
        que.push(beginId);
        while (!que.empty()) {
            int x = que.front();
            que.pop();
            if (x == endId) {
                return dis[endId] / 2 + 1;
            }
            for (int& it : edge[x]) {
                if (dis[it] == INT_MAX) {
                    dis[it] = dis[x] + 1;
                    que.push(it);
                }
            }
        }
        return 0;
    }
};
class Solution {
public:
    unordered_map<string, int> wordId;
    vector<vector<int>> edge;
    int nodeNum = 0;
    void addWord(string& word) {
        if (!wordId.count(word)) {
            wordId[word] = nodeNum++;
            edge.emplace_back();
        }
    }
    void addEdge(string& word) {
        addWord(word);
        int id1 = wordId[word];
        for (char& it : word) {
            char tmp = it;
            it = '*';
            addWord(word);
            int id2 = wordId[word];
            edge[id1].push_back(id2);
            edge[id2].push_back(id1);
            it = tmp;
        }
    }
    int ladderLength(string beginWord, string endWord, vector<string>& wordList) {
        for (string& word : wordList) {
            addEdge(word);
        }
        addEdge(beginWord);
        if (!wordId.count(endWord)) {
            return 0;
        }
        vector<int> disBegin(nodeNum, INT_MAX);
        int beginId = wordId[beginWord];
        disBegin[beginId] = 0;
        queue<int> queBegin;
        queBegin.push(beginId);
        vector<int> disEnd(nodeNum, INT_MAX);
        int endId = wordId[endWord];
        disEnd[endId] = 0;
        queue<int> queEnd;
        queEnd.push(endId);
        while (!queBegin.empty() && !queEnd.empty()) {
            int queBeginSize = queBegin.size();
            for (int i = 0; i < queBeginSize; ++i) {
                int nodeBegin = queBegin.front();
                queBegin.pop();
                if (disEnd[nodeBegin] != INT_MAX) {
                    return (disBegin[nodeBegin] + disEnd[nodeBegin]) / 2 + 1;
                }
                for (int& it : edge[nodeBegin]) {
                    if (disBegin[it] == INT_MAX) {
                        disBegin[it] = disBegin[nodeBegin] + 1;
                        queBegin.push(it);
                    }
                }
            }
            int queEndSize = queEnd.size();
            for (int i = 0; i < queEndSize; ++i) {
                int nodeEnd = queEnd.front();
                queEnd.pop();
                if (disBegin[nodeEnd] != INT_MAX) {
                    return (disBegin[nodeEnd] + disEnd[nodeEnd]) / 2 + 1;
                }
                for (int& it : edge[nodeEnd]) {
                    if (disEnd[it] == INT_MAX) {
                        disEnd[it] = disEnd[nodeEnd] + 1;
                        queEnd.push(it);
                    }
                }
            }
        }
        return 0;
    }
};

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