使用 Python 实现八皇后问题:一个优雅的递归解决方案

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八皇后问题是一个经典的计算机科学问题,它要求在 8x8 的棋盘上放置 8 个皇后,使得它们彼此不攻击。这个问题有 92 种不同的解决方案。

huake_00152_.jpg 递归是一种解决问题的有效方法,它可以将一个复杂的问题分解成更小的子问题,然后逐一解决。对于八皇后问题,我们可以使用递归来枚举所有可能的皇后摆放方案,并计算出满足要求的方案数量。

2. 解决方案

为了解决这个问题,我们可以使用一个长度为 8 的列表来表示棋盘上的皇后摆放情况。列表中的每个元素表示一个皇后所在的列号,而元素的值则表示皇后所在的行号。例如,如果列表中的元素为 [0, 4, 7, 5, 2, 6, 1, 3],则表示皇后分别位于 (0, 0), (1, 4), (2, 7), (3, 5), (4, 2), (5, 6), (6, 1), (7, 3) 这 8 个位置上。

为了判断一个皇后摆放方案是否合法,我们需要检查棋盘上是否没有两个皇后位于同一行、同一列或同一对角线上。我们可以通过以下函数来判断一个皇后摆放方案是否合法:

def is_available(n, table, column, N):
    return not any(t in (n, n - i, n + i)
                   for t, i in zip(table, range(column, 0, -1)))

这个函数接收 5 个参数:

  • n:皇后要放置的行号
  • table:当前的棋盘状态
  • column:皇后要放置的列号
  • N:棋盘的大小

函数首先检查皇后是否可以放在第 n 行,即检查第 n 行是否没有其他皇后。然后,函数检查皇后是否可以放在第 column 列,即检查第 column 列是否没有其他皇后。最后,函数检查皇后是否可以放在第 n 行和第 column 列的同一对角线上,即检查对角线上是否没有其他皇后。如果这三个条件都满足,则函数返回 True,否则返回 False。

有了这个函数,我们就可以使用递归来枚举所有可能的皇后摆放方案,并计算出满足要求的方案数量。我们可以使用以下函数来计算满足要求的方案数量:

def solve(N, table, column, end):

    if column == end:
        return 1

    sum = 0
    for n in range(N):
        # if no other queen can attack here, place a queen in this row 
        if is_available(n, table, column, N):
            table[column] = n
            # Omit the current column at the start
            sum += solve(N, table, column+1, end)
        #else: we can't place queen here, we should abort this direction
            # do nothing

    return sum

这个函数接收 5 个参数:

  • N:棋盘的大小
  • table:当前的棋盘状态
  • column:皇后要放置的列号
  • end:棋盘的最后一列

函数首先检查是否已经到达棋盘的最后一列,如果是,则返回 1,表示找到一种满足要求的皇后摆放方案。否则,函数将尝试在当前列放置皇后,并递归地调用自己来计算剩下的列的皇后摆放方案的数量。函数将把这些方案的数量累加起来,并返回累加后的结果。

我们可以使用以下函数来调用 solve 函数并计算出所有满足要求的皇后摆放方案的数量:

def queens_sum(N):
    return solve(N, [0]*N, 0, N)

这个函数接收一个参数:

  • N:棋盘的大小

函数首先创建一个长度为 N 的列表,并将其初始化为 0。然后,函数调用 solve 函数并返回 solve 函数的返回值。