舞蹈链

✍ dations ◷ 2025-07-26 12:04:51 #搜寻算法,数独

在计算机科学中, 舞蹈链(Dancing Links), 也叫 DLX, 是由 Donald Knuth 提出的数据结构,目的是快速实现他提出的的 X算法. X算法是一种递归算法,时间复杂度不确定, 深度优先, 通过回溯寻找精确覆盖问题所有可能的解。有一些著名的精确覆盖问题,包括铺砖块,八皇后问题,数独问题。

名字来自于这个算法的工作方式,算法中的迭代让链接与同伴链接"跳舞",很像“精心编排的舞蹈”。 Knuth 归功于 Hiroshi Hitotsumatsu 与 Kōhei Noshita 在1979的研究 , 但是Knuth的论文让舞蹈链流行。

文章的剩余部分讨论这种算法在Algorithm X中的应用,强烈建议读者先阅读 X算法 。

舞蹈链的主要思想来自于 双向链表

x.left.right ← x.right;x.right.left ← x.left;

以上代码会从链表中移除x元素

x.left.right ← x;x.right.left ← x;

以上代码会恢复x元素在链表中的位置(如果x的左侧元素和右侧元素没有变的话)。不管链表中有多少个元素,就算只有一个,算法也可以工作。

Knuth 发现用朴素算法实现Algorithm X会花费大量的时间来搜索1。当要选择一列的时候,要搜索整个矩阵来找到1。当选择一行的时候,需要在整列中搜索1。为了把搜索时间从 complexity O(n) 降到 O(1), Knuth 使用了一个 稀疏矩阵 ,只存放所有1 的位置。

无论何时,矩阵中的每个节点都会与左边和右边的节点(原始矩阵中的1的位置)、上面和下面(原始矩阵中同一列的1),以及列头连接。每一行和每一列都会形成一个双向链表。

每一列都会有特殊的,叫做“列头”的节点,作为列表中的一部分。列头形成了特殊的一行,(“控制行”)包括了原始矩阵中还存在的每一列。

最后,每一列的头会记录这一列中节点的个数,我们可以用这些信息来定位节点最少的一列,只花费complexity O() 的时间复杂度。 (而不是O(×)),这里的n指的是列的个数,m指的是行的个数。选择节点最少的一列来进行搜索在一些情况下可以提高性能,但不是每个问题中都需要这么做。

在 Algorithm X中,行与列是按照规则生成的,存储着原始矩阵。每次移除一列以及那列中的一行。如果选中的列没有包括任何行,当前的矩阵是无解的,必须回溯。当移除元素时,每一列中与那一行有交叉点的(原始矩阵中的1)都会被移除。列被移除了,因为他们已经被填满,行被移除是因为他们与指定的列有冲突。要移除某一列,要先移除那列的头,接着,遍历所有与这一列有交集的行,把那行与其他行的交点都去掉(这样阻止了这些列与当前列的冲突)。对包含1的列重复这样的列移除操作。这样的做法保证每个节点只被移除一次,并且按照顺序,这样就可以正确地回溯了。如果代入过程的矩阵没有任何的行,那么这已经被填满,选中的列就是一个解。

要回溯,之前的操作需要反过来做一遍,使用刚才提到的第二个算法。Knuth 的论文给了一个清晰的这两个操作的关系以及移除、恢复操作的具体方式,并放宽了要求。

算法也可以解决一个特定的约束是可选的覆盖问题,但是可以满足最多一次。 舞蹈链接可容纳这些必须填充的主要列,次要列是可选的。 这将算法的解决方案测试从没有列的矩阵改变为没有主列的矩阵,并且如果正在使用列中1最少的启发式搜索,那么只需在主列中检查。 Knuth讨论了应用于n皇后问题的可选约束。 棋盘对角线表示可选的约束,因为一些对角线可能不被占用。 如果一个对角线被占用,它只能被占用一次。

相关

  • LCCN美国国会图书馆控制号(英语:Library of Congress Control Number,简称LCCN)是美国国会图书馆用于图书记录、编码和查询的序列号。每一本书籍都有相对应的控制号。该号码与书籍内
  • 霸主霸主,是中国春秋时代强大诸侯国君主的头衔。今日,也称在某一方面地位极高者为霸主。在先秦古籍,“伯”、“霸”两字可以互通,“霸”本来是指诸侯中的长者,就像“伯”是指家族中的
  • 卡塔尔埃米尔卡达国埃米尔是卡塔尔的君主,由阿勒萨尼家族统治。
  • 乌尔第三王朝乌尔第三王朝(Ur III),又称为新乌尔帝国,是苏美尔城邦乌尔建立的第三王朝,并在公元前2112-2004年统治整个美索不达米亚。在美索不达米亚的历史上,帝制起始于其两百年前的阿卡德王
  • 心灵裸舞《心灵裸舞》(Dancing Naked in the Mind Field)是美国生物化学家、PCR发明者凯利·穆利斯的自传,1998年Vintage Books初版。书中讲述了他发明PCR的经过,以及由此获得诺贝尔化学
  • 建瓯市第二中学福建省建瓯市第二中学,简称“建瓯第二中学” 或 “建瓯二中”,(英文:Jianou No.2 Middle School),是福建省一所普通全日制中学。2005年被福建省教育厅确认为二级达标高中。
  • 比尔·康顿威廉·“比尔”·坎登(英语:William "Bill" Condon,1955年10月22日-)是一名美国男编剧、导演和制片人。比尔·康顿出生于纽约市,父亲是名侦探。他生长于一个爱尔兰天主教家庭。他
  • NGC 2509NGC 2509是位于船尾座的一个疏散星团。它的赤经为8h 0.7m,赤纬为-19° 4′,大小8′。
  • 三自性三自性(梵语:tri-svabhāva),又称三自相(梵语:tri-svalakṣaṇa),也就是遍计所执性、依他起性、圆成实性,简称为遍依圆或三性。是唯识宗的主要理论法义,唯识宗的主体思想即是唯识无境,
  • 里奇·摩尔里奇·摩尔(Rich Moore,1963年5月10日-),是一名美国动画导演,也是动画公司Rough Draft Studios的商业合伙人,该公司最知名的作品是《辛普森一家》。他毕业于加州艺术学院动画专业。