Dat un număr întreg n sarcina este să le găsești pe toate solutii distincte la problema n-reginelor unde n matcile sunt puse pe o n * n tablă de șah astfel încât două regine să nu se poată ataca una pe cealaltă.
Nota: Fiecare soluție este o configurație unică a n matci reprezentate ca o permutare a [123....n] . Numărul de la i th poziția indică rândul reginei în i th coloană. De exemplu [3142] arată un astfel de aspect.
Exemplu:
Intrare: n = 4
Ieșire: [2 4 1 3] [3 1 4 2]
Explicatie: Acestea sunt cele 2 solutii posibile.Intrare: n = 2
Ieșire: []
Explicaţie: Nicio soluție, deoarece reginele se pot ataca între ele în toate configurațiile posibile.
Cuprins
- [Abordare naivă] Prin generarea tuturor permutărilor folosind recursiunea
- [Abordare așteptată] Utilizarea backtracking cu tăierea
- [Abordare alternativă] Backtracking folosind Bit-masking
[Abordare naivă] - Utilizarea recursiunii - O(n! * n) Timp și O(n) spațiu
O idee simplă pentru a rezolva Problema N-Queens este de a genera toate permutările posibile ale [1 2 3 ... n] și apoi verificați dacă reprezintă o configurație N-Queens validă. Deoarece fiecare regină trebuie să fie pe un rând și coloană diferit folosind automat permutările are grijă de acele reguli. Dar încă trebuie să verificăm că nu există două regine pe aceeași diagonală.
Mai jos este dat implementare:
C++//C++ program to find all solution of N queen problem //using recursion #include
//Java program to find all solution of N queen problem //using recursion import java.util.ArrayList; class GfG { // Check if placement is safe static boolean isSafe(ArrayList<Integer> board int currRow int currCol) { for(int i = 0; i < board.size(); i++) { int placedRow = board.get(i); int placedCol = i + 1; // Check diagonals if(Math.abs(placedRow - currRow) == Math.abs(placedCol - currCol)) { return false; // Not safe } } return true; // Safe to place } // Recursive utility to solve static void nQueenUtil(int col int n ArrayList<Integer> board ArrayList<ArrayList<Integer>> res boolean[] visited) { // If all queens placed add to res if(col > n) { res.add(new ArrayList<>(board)); return; } // Try each row in column for(int row = 1; row <= n; row++) { // If row not used if(!visited[row]) { // Check safety if(isSafe(board row col)) { // Mark row visited[row] = true; // Place queen board.add(row); // Recur for next column nQueenUtil(col + 1 n board res visited); // Backtrack board.remove(board.size()-1); visited[row] = false; } } } } // Function to solve N-Queen static ArrayList<ArrayList<Integer>> nQueen(int n) { ArrayList<ArrayList<Integer>> res = new ArrayList<>(); ArrayList<Integer> board = new ArrayList<>(); boolean[] visited = new boolean[n +1]; nQueenUtil(1 n board res visited); return res; } public static void main(String[] args) { int n = 4; ArrayList<ArrayList<Integer>> res = nQueen(n); for(ArrayList<Integer> row : res) { System.out.print('['); for(int i = 0; i < row.size(); i++) { System.out.print(row.get(i)); if(i != row.size()-1) System.out.print(' '); } System.out.println(']'); } } }
#Python program to find all solution of N queen problem #using recursion # Function to check if placement is safe def isSafe(board currRow currCol): for i in range(len(board)): placedRow = board[i] placedCol = i + 1 # Check diagonals if abs(placedRow - currRow) == abs(placedCol - currCol): return False # Not safe return True # Safe to place # Recursive utility to solve N-Queens def nQueenUtil(col n board res visited): # If all queens placed add to res if col > n: res.append(board.copy()) return # Try each row in column for row in range(1 n+1): # If row not used if not visited[row]: # Check safety if isSafe(board row col): # Mark row visited[row] = True # Place queen board.append(row) # Recur for next column nQueenUtil(col+1 n board res visited) # Backtrack board.pop() visited[row] = False # Main N-Queen solver def nQueen(n): res = [] board = [] visited = [False] * (n + 1) nQueenUtil(1 n board res visited) return res if __name__ == '__main__': n = 4 res = nQueen(n) for row in res: print(row)
//C# program to find all solution of N queen problem //using recursion using System; using System.Collections.Generic; class GfG { // Check if placement is safe static bool isSafe(List<int> board int currRow int currCol){ for (int i = 0; i < board.Count; i++) { int placedRow = board[i]; int placedCol = i + 1; // Check diagonals if (Math.Abs(placedRow - currRow) == Math.Abs(placedCol - currCol)) { return false; // Not safe } } return true; // Safe to place } // Recursive utility to solve static void nQueenUtil(int col int n List<int> board List<List<int> > res bool[] visited){ // If all queens placed add to res if (col > n) { res.Add(new List<int>(board)); return; } // Try each row in column for (int row = 1; row <= n; row++) { // If row not used if (!visited[row]) { // Check safety if (isSafe(board row col)) { // Mark row visited[row] = true; // Place queen board.Add(row); // Recur for next column nQueenUtil(col + 1 n board res visited); // Backtrack board.RemoveAt(board.Count - 1); visited[row] = false; } } } } // Main N-Queen solver static List<List<int>> nQueen(int n){ List<List<int> > res = new List<List<int> >(); List<int> board = new List<int>(); bool[] visited = new bool[n + 1]; nQueenUtil(1 n board res visited); return res; } static void Main(string[] args) { int n = 4; List<List<int>> res = nQueen(n); foreach (var temp in res) { Console.WriteLine('[' + String.Join(' ' temp) + ']'); } } }
//JavaScript program to find all solution of N queen problem //using recursion // Function to check if placement is safe function isSafe(board currRow currCol){ for (let i = 0; i < board.length; i++) { let placedRow = board[i]; let placedCol = i + 1; // Check diagonals if (Math.abs(placedRow - currRow) === Math.abs(placedCol - currCol)) { return false; // Not safe } } return true; // Safe to place } // Recursive utility to solve N-Queens function nQueenUtil(col n board res visited){ // If all queens placed add to res if (col > n) { res.push([...board ]); return; } // Try each row in column for (let row = 1; row <= n; row++) { // If row not used if (!visited[row]) { // Check safety if (isSafe(board row col)) { // Mark row visited[row] = true; // Place queen board.push(row); // Recur for next column nQueenUtil(col + 1 n board res visited); // Backtrack board.pop(); visited[row] = false; } } } } // Main N-Queen solver function nQueen(n){ let res = []; let board = []; let visited = Array(n + 1).fill(false); nQueenUtil(1 n board res visited); return res; } // Driver code let n = 4; let res = nQueen(n); res.forEach(row => console.log(row));
Ieșire
[2 4 1 3] [3 1 4 2]
Complexitatea timpului: O(n!*n) n! pentru generarea tuturor permutări și O(n) pentru validarea fiecărei permutări.
Spațiu auxiliar: Pe)
[Abordare așteptată] - Utilizarea backtracking cu tăiere - O(n!) Timp și O(n) spațiu
Pentru a optimiza abordarea de mai sus putem folosi dare înapoi cu tăierea . În loc să generăm toate permutările posibile, construim soluția în mod incremental, în timp ce facem acest lucru, ne putem asigura la fiecare pas că soluția parțială rămâne valabilă. Dacă apare un conflict, vom reveni imediat, acest lucru vă ajută evitând inutil calcule .
Implementare pas cu pas :
- Începeți de la prima coloană și încercați să plasați o regină pe fiecare rând.
- Păstrați matrice pentru a urmări care rânduri sunt deja ocupate. La fel și pentru urmărire major şi diagonale minore sunt deja ocupate.
- Dacă o regină plasare conflicte cu matcile existente sari peste că rând şi înapoi regina să încerce următorul posibil rând (Tăiați și dați înapoi în timpul conflictului).
// C++ program to find all solution of N queen problem by // using backtracking and pruning #include
// Java program to find all solutions of the N-Queens problem // using backtracking and pruning import java.util.ArrayList; import java.util.List; class GfG { // Utility function for solving the N-Queens // problem using backtracking. static void nQueenUtil(int j int n ArrayList<Integer> board boolean[] rows boolean[] diag1 boolean[] diag2 ArrayList<ArrayList<Integer>> res) { if (j > n) { // A solution is found res.add(new ArrayList<>(board)); return; } for (int i = 1; i <= n; ++i) { if (!rows[i] && !diag1[i + j] && !diag2[i - j + n]) { // Place queen rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = true; board.add(i); // Recurse to the next column nQueenUtil(j + 1 n board rows diag1 diag2 res); // Remove queen (backtrack) board.remove(board.size() - 1); rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = false; } } } // Solves the N-Queens problem and returns // all valid configurations. static ArrayList<ArrayList<Integer>> nQueen(int n) { ArrayList<ArrayList<Integer>> res = new ArrayList<>(); ArrayList<Integer> board = new ArrayList<>(); // Rows occupied boolean[] rows = new boolean[n + 1]; // Major diagonals (row + j) and Minor diagonals (row - col + n) boolean[] diag1 = new boolean[2 * n + 1]; boolean[] diag2 = new boolean[2 * n + 1]; // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board rows diag1 diag2 res); return res; } public static void main(String[] args) { int n = 4; ArrayList<ArrayList<Integer>> res = nQueen(n); for (ArrayList<Integer> solution : res) { System.out.print('['); for (int i = 0; i < solution.size(); i++) { System.out.print(solution.get(i)); if (i != solution.size() - 1) { System.out.print(' '); } } System.out.println(']'); } } }
# Python program to find all solutions of the N-Queens problem # using backtracking and pruning def nQueenUtil(j n board rows diag1 diag2 res): if j > n: # A solution is found res.append(board[:]) return for i in range(1 n + 1): if not rows[i] and not diag1[i + j] and not diag2[i - j + n]: # Place queen rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = True board.append(i) # Recurse to the next column nQueenUtil(j + 1 n board rows diag1 diag2 res) # Remove queen (backtrack) board.pop() rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = False def nQueen(n): res = [] board = [] # Rows occupied rows = [False] * (n + 1) # Major diagonals (row + j) and Minor diagonals (row - col + n) diag1 = [False] * (2 * n + 1) diag2 = [False] * (2 * n + 1) # Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board rows diag1 diag2 res) return res if __name__ == '__main__': n = 4 res = nQueen(n) for temp in res: print(temp)
// C# program to find all solutions of the N-Queens problem // using backtracking and pruning using System; using System.Collections.Generic; class GfG { // Utility function for solving the N-Queens // problem using backtracking. static void nQueenUtil(int j int n List<int> board bool[] rows bool[] diag1 bool[] diag2 List<List<int>> res) { if (j > n) { // A solution is found res.Add(new List<int>(board)); return; } for (int i = 1; i <= n; ++i) { if (!rows[i] && !diag1[i + j] && !diag2[i - j + n]) { // Place queen rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = true; board.Add(i); // Recurse to the next column nQueenUtil(j + 1 n board rows diag1 diag2 res); // Remove queen (backtrack) board.RemoveAt(board.Count - 1); rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = false; } } } // Solves the N-Queens problem and returns // all valid configurations. static List<List<int>> nQueen(int n) { List<List<int>> res = new List<List<int>>(); List<int> board = new List<int>(); // Rows occupied bool[] rows = new bool[n + 1]; // Major diagonals (row + j) and Minor diagonals (row - col + n) bool[] diag1 = new bool[2 * n + 1]; bool[] diag2 = new bool[2 * n + 1]; // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board rows diag1 diag2 res); return res; } static void Main(string[] args) { int n = 4; List<List<int>> res = nQueen(n); foreach (var temp in res) { Console.WriteLine('[' + String.Join(' ' temp) + ']'); } } }
// JavaScript program to find all solutions of the N-Queens problem // using backtracking and pruning // Utility function for solving the N-Queens // problem using backtracking. function nQueenUtil(j n board rows diag1 diag2 res) { if (j > n) { // A solution is found res.push([...board]); return; } for (let i = 1; i <= n; ++i) { if (!rows[i] && !diag1[i + j] && !diag2[i - j + n]) { // Place queen rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = true; board.push(i); // Recurse to the next column nQueenUtil(j + 1 n board rows diag1 diag2 res); // Remove queen (backtrack) board.pop(); rows[i] = diag1[i + j] = diag2[i - j + n] = false; } } } // Solves the N-Queens problem and returns // all valid configurations. function nQueen(n) { const res = []; const board = []; // Rows occupied const rows = Array(n + 1).fill(false); // Major diagonals (row + j) and Minor diagonals (row - col + n) const diag1 = Array(2 * n + 1).fill(false); const diag2 = Array(2 * n + 1).fill(false); // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board rows diag1 diag2 res); return res; } // Driver Code const n = 4; const res = nQueen(n); res.forEach(temp => console.log(temp));
Ieșire
[2 4 1 3] [3 1 4 2]
Complexitatea timpului: O(n!) Pentru generarea tuturor permutări .
Spațiu auxiliar: Pe)
[Abordare alternativă] - Backtracking folosind Bit-masking
Pentru a optimiza în continuare dare înapoi abordare mai ales pentru valori mai mari ale n putem folosi mascarea biților pentru a urmări eficient ocupat rânduri și diagonale. Mascarea de biți ne permite să folosim numere întregi ( rânduri ld rd ) pentru a urmări ce rânduri și diagonale sunt ocupate folosind rapid operații pe biți pentru mai repede calculele. Abordarea rămâne aceeași ca mai sus.
Mai jos este dat implementare:
C++//C++ program to find all solution of N queen problem //using recursion #include
// Java program to find all solution of N queen problem // using recursion import java.util.*; class GfG { // Function to check if the current placement is safe static boolean isSafe(int row int col int rows int ld int rd int n) { return !(((rows >> row) & 1) == 1) && !(((ld >> (row + col)) & 1) == 1) && !(((rd >> (row - col + n)) & 1) == 1); } // Recursive function to generate all possible permutations static void nQueenUtil(int col int n ArrayList<Integer> board ArrayList<ArrayList<Integer>> res int rows int ld int rd) { // If all queens are placed add into res if (col > n) { res.add(new ArrayList<>(board)); return; } // Try placing a queen in each row // of the current column for (int row = 1; row <= n; ++row) { // Check if it's safe to place the queen if (isSafe(row col rows ld rd n)) { // Place the queen board.add(row); // Recur to place the next queen nQueenUtil(col + 1 n board res rows | (1 << row) (ld | (1 << (row + col))) (rd | (1 << (row - col + n)))); // Backtrack: remove the queen board.remove(board.size() - 1); } } } // Main function to find all distinct // res to the n-queens puzzle static ArrayList<ArrayList<Integer>> nQueen(int n) { ArrayList<ArrayList<Integer>> res = new ArrayList<>(); // Current board configuration ArrayList<Integer> board = new ArrayList<>(); // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board res 0 0 0); return res; } public static void main(String[] args) { int n = 4; ArrayList<ArrayList<Integer>> res = nQueen(n); for (ArrayList<Integer> solution : res) { System.out.print('['); for (int j = 0; j < n; ++j) { System.out.print(solution.get(j)); if (j != n - 1) System.out.print(' '); } System.out.println(']'); } } }
# Python program to find all solution of N queen problem # using recursion # Function to check if the current placement is safe def isSafe(row col rows ld rd n): return not ((rows >> row) & 1) and not ((ld >> (row + col)) & 1) and not ((rd >> (row - col + n)) & 1) # Recursive function to generate all possible permutations def nQueenUtil(col n board res rows ld rd): # If all queens are placed add into res if col > n: res.append(board[:]) return # Try placing a queen in each row # of the current column for row in range(1 n + 1): # Check if it's safe to place the queen if isSafe(row col rows ld rd n): # Place the queen board.append(row) # Recur to place the next queen nQueenUtil(col + 1 n board res rows | (1 << row) (ld | (1 << (row + col))) (rd | (1 << (row - col + n)))) # Backtrack: remove the queen board.pop() # Main function to find all distinct # res to the n-queens puzzle def nQueen(n): res = [] # Current board configuration board = [] # Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board res 0 0 0) return res if __name__ == '__main__': n = 4 res = nQueen(n) for solution in res: print('[' end='') for j in range(n): print(solution[j] end='') if j != n - 1: print(' ' end='') print(']')
// C# program to find all solution of N queen problem // using recursion using System; using System.Collections.Generic; class GfG { // Function to check if the current placement is safe static bool isSafe(int row int col int rows int ld int rd int n) { return !(((rows >> row) & 1) == 1) && !(((ld >> (row + col)) & 1) == 1) && !(((rd >> (row - col + n)) & 1) == 1); } // Recursive function to generate all possible permutations static void nQueenUtil(int col int n List<int> board List<List<int>> res int rows int ld int rd) { // If all queens are placed add into res if (col > n) { res.Add(new List<int>(board)); return; } // Try placing a queen in each row // of the current column for (int row = 1; row <= n; ++row) { // Check if it's safe to place the queen if (isSafe(row col rows ld rd n)) { // Place the queen board.Add(row); // Recur to place the next queen nQueenUtil(col + 1 n board res rows | (1 << row) (ld | (1 << (row + col))) (rd | (1 << (row - col + n)))); // Backtrack: remove the queen board.RemoveAt(board.Count - 1); } } } // Main function to find all distinct // res to the n-queens puzzle static List<List<int>> nQueen(int n) { List<List<int>> res = new List<List<int>>(); // Current board configuration List<int> board = new List<int>(); // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board res 0 0 0); return res; } static void Main() { int n = 4; List<List<int>> res = nQueen(n); foreach (var solution in res) { Console.Write('['); for (int j = 0; j < n; ++j) { Console.Write(solution[j]); if (j != n - 1) Console.Write(' '); } Console.WriteLine(']'); } } }
// JavaScript program to find all solution of N queen problem // using recursion // Function to check if the current placement is safe function isSafe(row col rows ld rd n) { return !((rows >> row) & 1) && !((ld >> (row + col)) & 1) && !((rd >> (row - col + n)) & 1); } // Recursive function to generate all possible permutations function nQueenUtil(col n board res rows ld rd) { // If all queens are placed add into res if (col > n) { res.push([...board]); return; } // Try placing a queen in each row // of the current column for (let row = 1; row <= n; ++row) { // Check if it's safe to place the queen if (isSafe(row col rows ld rd n)) { // Place the queen board.push(row); // Recur to place the next queen nQueenUtil(col + 1 n board res rows | (1 << row) (ld | (1 << (row + col))) (rd | (1 << (row - col + n)))); // Backtrack: remove the queen board.pop(); } } } // Main function to find all distinct // res to the n-queens puzzle function nQueen(n) { let res = []; // Current board configuration let board = []; // Start solving from the first column nQueenUtil(1 n board res 0 0 0); return res; } // Driver Code let n = 4; let res = nQueen(n); for (let i = 0; i < res.length; i++) { process.stdout.write('['); for (let j = 0; j < n; ++j) { process.stdout.write(res[i][j].toString()); if (j !== n - 1) process.stdout.write(' '); } console.log(']'); }
Ieșire
[2 4 1 3] [3 1 4 2]
Complexitatea timpului: O(n!) pentru generarea tuturor permutărilor.
Complexitatea spațiului: Pe)