八皇后问题

✍ dations ◷ 2024-12-22 18:21:40 #国际象棋,趣味数学,组合数学,数学问题,组合计数


八皇后问题是一个以国际象棋为背景的问题:如何能够在8×8的国际象棋棋盘上放置八个皇后,使得任何一个皇后都无法直接吃掉其他的皇后?为了达到此目的,任两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上。八皇后问题可以推广为更一般的皇后摆放问题:这时棋盘的大小变为×,而皇后个数也变成。当且仅当 = 1或 ≥ 4时问题有解。

八皇后问题最早是由国际象棋棋手马克斯·贝瑟尔(Max Bezzel)于1848年提出。第一个解在1850年由弗朗兹·诺克(Franz Nauck)给出。并且将其推广为更一般的皇后摆放问题。诺克也是首先将问题推广到更一般的皇后摆放问题的人之一。

在此之后,陆续有数学家对其进行研究,其中包括高斯和康托,1874年,S.冈德尔提出了一个通过行列式来求解的方法,这个方法后来又被J.W.L.格莱舍加以改进。

1972年,艾兹格·迪杰斯特拉用这个问题为例来说明他所谓结构化编程的能力。他对深度优先搜索回溯算法有着非常详尽的描述2。

八皇后问题在1990年代初期的著名电子游戏第七访客和NDS平台的著名电子游戏《雷顿教授与不可思议的小镇》中都有出现。

八个皇后在8x8棋盘上共有4,426,165,368(64C8)种摆放方法,但只有92个互不相同的解。如果将旋转和对称的解归为一种的话,则一共有12个独立解,具体如下:













下表给出了皇后问题的解的个数包括独立解U(OEIS中的数列A002562)以及互不相同的解D(OEIS中的数列A000170)的个数:

可以注意到六皇后问题的解的个数比五皇后问题的解的个数要少。现在还没有已知公式可以对计算皇后问题的解的个数。

下面是求解n皇后的C代码,在程序中可以自己设置n个皇后以及选择是否打印出具体解。

#include <stdio.h>#define QUEENS       8 /*皇后数量*/#define IS_OUTPUT    1 /*(IS_OUTPUT=0 or 1),Output用于选择是否输出具体解,为1输出,为0不输出*/int A, B, C, k;int inc, *a = A, *b = B + QUEENS, *c = C;void lay(int i) {  int j = 0, t, u;  while (++j <= QUEENS)    if (a + b + c == 0) {      k = a = b = c = 1;      if (i < QUEENS) lay(i + 1);      else {        ++inc;        if (IS_OUTPUT) {          for (printf("(%d)\n", inc), u = QUEENS + 1; --u; printf("\n"))            for (t = QUEENS + 1; --t; ) k ? printf("Q ") : printf("+ ");          printf("\n\n\n");        }      }      a = b = c = k = 0;    }}int main(void) {  lay(1);  printf("%d皇后共计%d个解\n", QUEENS, inc);  return 0;}

以下列出尼克劳斯·维尔特的Pascal语言程序。此程序找出了八皇后问题的一个解。

program eightqueen1(output); var i : integer; q : boolean;    a : array of boolean;    b : array of boolean;    c : array of boolean;    x : array of integer; procedure try( i : integer; var q : boolean);    var j : integer;    begin     j := 0;    repeat         j := j + 1;         q := false;        if a and b and c then            begin             x := j;            a := false;             b := false;             c := false;            if i < 8 then                begin                try( i + 1, q);                if not q then                    begin                     a := true;                     b := true;                     c := true;                    end                end             else                 q := true            end    until q or (j = 8);    end; beginfor i :=  1 to  8 do a := true;for i :=  2 to 16 do b := true;for i := -7 to  7 do c := true;try( 1, q);if q then    for i := 1 to 8 do write( x:4);writelnend.

使用回溯法进行求解八皇后问题

#include<stdio.h>#define PRINTF_IN 1 //定义是否打印,1:打印,0:不打印int queens(int Queens){    int i, k, flag, not_finish=1, count=0;    //正在处理的元素下标,表示前i-1个元素已符合要求,正在处理第i个元素	int a;    //八皇后问题的皇后所在的行列位置,从1幵始算起,所以加1    i=1;    a=1;  //为数组的第一个元素赋初值    printf("%d皇后的可能配置是:",Queens);    while(not_finish){  //not_finish=l:处理尚未结束        while(not_finish && i<=Queens){  //处理尚未结束且还没处理到第Queens个元素            for(flag=1,k=1; flag && k<i; k++) //判断是否有多个皇后在同一行                if(a==a)                    flag=0;            for (k=1; flag&&k<i; k++)  //判断是否有多个皇后在同一对角线                if( (a==a-(k-i)) || (a==a+(k-i)) )                    flag=0;            if(!flag){  //若存在矛盾不满足要求,需要重新设置第i个元素                if(a==a){  //若a的值已经经过一圈追上a的值                    i--;  //退回一步,重新试探处理前一个元素                    if(i>1 && a==Queens)                        a=1;  //当a为Queens时将a的值置1                    else                        if(i==1 && a==Queens)                            not_finish=0;  //当第一位的值达到Queens时结束                        else                            a++;  //将a == Queens)                    a=1;                else                    a++;  //将a的值取下一个值            }else if(++i<=Queens)                if(a == Queens )                    a=1;  //若前一个元素的值为Queens则a=l                else                    a = a+1;  //否则元素的值为前一个元素的下一个值        }        if(not_finish){            ++count;			if(PRINTF_IN){				printf((count-1)%3 ? "   :" : "\n:", count);								for(k=1; k<=Queens; k++) //输出结果                printf(" %d", a); 			}               if(a<Queens )                a++;  //修改倒数第二位的值            else                a=1;            i=Queens -1;    //开始寻找下一个满足条件的解        }    }	return count;}int main(){	int Num ; 	printf("输入一个N皇后数值:");	scanf("%d" , &Num);	printf("\n%d皇后有%d种配置\n",Num,queens(Num));}

使用回溯法进行求解八皇后问题(Java版本)

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