n 皇后问题研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。
上图为 8 皇后问题的一种解法。
给定一个整数 n,返回所有不同的 n 皇后问题的解决方案。
每一种解法包含一个明确的 n 皇后问题的棋子放置方案,该方案中 ‘Q’ 和 ‘.’ 分别代表了皇后和空位。
示例:
输入: 4
输出: [
[".Q..", // 解法 1
"...Q",
"Q...",
"..Q."],
["..Q.", // 解法 2
"Q...",
"...Q",
".Q.."]
]
解释: 4 皇后问题存在两个不同的解法。
来源:力扣(LeetCode)
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第一个想法是使用蛮力法,意味着生成在棋盘上放置 N 个皇后的所有可能的情况,并且检查是否保证没有皇后可以互相攻击。这意味着 O ( N N ) \mathcal{O}(N^N) O(NN)的时间复杂度,因此我们必须考虑优化。
下面是两个有用的编程概念。
第一个叫做 约束编程.
它的基本含义是在放置每个皇后以后增加限制。当在棋盘上放置了一个皇后后,立即排除当前行,列和对应的两个对角线。该过程传递了 约束 从而有助于减少需要考虑情况数。
第二个叫做 回溯法.
我们来想象一下,当在棋盘上放置了几个皇后且不会相互攻击。但是选择的方案不是最优的,因为无法放置下一个皇后。此时我们该怎么做?回溯。意思是回退一步,来改变最后放置皇后的位置并且接着往下放置。如果还是不行,再 回溯。
在建立算法之前,我们来考虑两个有用的细节。
一行只可能有一个皇后且一列也只可能有一个皇后。
这意味着没有必要再棋盘上考虑所有的方格。只需要按列循环即可。
对于所有的主对角线有 行号 + 列号 = 常数,对于所有的次对角线有 行号 - 列号 = 常数.
这可以让我们标记已经在攻击范围下的对角线并且检查一个方格 (行号, 列号) 是否处在攻击位置。
现在已经可以写回溯函数 backtrack(row = 0).
下面是上述算法的一个直接的实现。
class Solution {
int rows[];
// "hill" diagonals
int hills[];
// "dale" diagonals
int dales[];
int n;
// output
List<List<String>> output = new ArrayList();
// queens positions
int queens[];
public boolean isNotUnderAttack(int row, int col) {
int res = rows[col] + hills[row - col + 2 * n] + dales[row + col];
return (res == 0) ? true : false;
}
public void placeQueen(int row, int col) {
queens[row] = col;
rows[col] = 1;
hills[row - col + 2 * n] = 1; // "hill" diagonals
dales[row + col] = 1; //"dale" diagonals
}
public void removeQueen(int row, int col) {
queens[row] = 0;
rows[col] = 0;
hills[row - col + 2 * n] = 0;
dales[row + col] = 0;
}
public void addSolution() {
List<String> solution = new ArrayList<String>();
for (int i = 0; i < n; ++i) {
int col = queens[i];
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for(int j = 0; j < col; ++j) sb.append(".");
sb.append("Q");
for(int j = 0; j < n - col - 1; ++j) sb.append(".");
solution.add(sb.toString());
}
output.add(solution);
}
public void backtrack(int row) {
for (int col = 0; col < n; col++) {
if (isNotUnderAttack(row, col)) {
placeQueen(row, col);
// if n queens are already placed
if (row + 1 == n) addSolution();
// if not proceed to place the rest
else backtrack(row + 1);
// backtrack
removeQueen(row, col);
}
}
}
public List<List<String>> solveNQueens(int n) {
this.n = n;
rows = new int[n];
hills = new int[4 * n - 1];
dales = new int[2 * n - 1];
queens = new int[n];
backtrack(0);
return output;
}
}
复杂度分析
时间复杂度: O ( N ! ) \mathcal{O}(N!) O(N!). 放置第 1 个皇后有 N 种可能的方法,放置两个皇后的方法不超过 N (N - 2) ,放置 3 个皇后的方法不超过 N(N - 2)(N - 4) ,以此类推。总体上,时间复杂度为 O ( N ! ) \mathcal{O}(N!) O(N!) .
空间复杂度: O ( N ) \mathcal{O}(N) O(N) . 需要保存对角线和行的信息。
作者:LeetCode
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N皇后不过是在8皇后的基础上修改一下就好了,虽然难度写的是困难,但是学过8皇后后写出个答案应该都不难吧
执行用时 :17 ms, 在所有Java提交中击败了28.56%的用户
内存消耗 :36.4 MB, 在所有Java提交中击败了100.00%的用户
class Solution {
boolean[][] chessboard;
int[] yForX;
List<String> resList;
List<List<String>> res;
public List<List<String>> solveNQueens(int n) {
chessboard = new boolean[n][n];
yForX = new int[n];
res = new LinkedList<>();
placeQueen(0);
return res;
}
private boolean isLegal(int x, int y){
int n=yForX.length;
for(int i=1;i<=x&&y>=i;i++){
if(chessboard[x-i][y-i]) return false;
}
for(int i=1;i<n-x&&n-y>i;i++){
if(chessboard[x+i][y+i]) return false;
}
for(int i=1;i<=x&&n-y>i;i++){
if(chessboard[x-i][y+i]) return false;
}
for(int i=1;i<n-x&&y>=i;i++){
if(chessboard[x+i][y-i]) return false;
}
for(int i=0;i<n;i++){
if(i==y) continue;
if(chessboard[x][i]) return false;
}
for(int i=0;i<n;i++){
if(i==x) continue;
if(chessboard[i][y]) return false;
}
return true;
}
private void placeQueen(int x){
int n = yForX.length;
for(int i=0;i<n;i++){
if(isLegal(x,i)) {
yForX[x]=i;
if(x<n-1){
chessboard[x][i]=true;
placeQueen(x+1);
chessboard[x][i]=false;
}
else {
recordChessboard();
}
}
}
}
private void recordChessboard(){
int n =yForX.length;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
resList = new LinkedList<>();
for(int i=0;i<n;i++){
sb.delete( 0, sb.length() );
for(int j=0;j<n;j++){
if(j==yForX[i]) sb.append("Q");
else sb.append(".");
}
resList.add(sb.toString());
}
res.add(resList);
}
}
后来把isLegal函数优化了一下,可以提高速度:
执行用时 :6 ms, 在所有Java提交中击败了87.44%的用户
内存消耗 :37.5 MB, 在所有Java提交中击败了99.27%的用户
//根据placeQueen是一行一行进行的特点,isLegal只需要检查斜上方和正上方是否有皇后就可以了。
private boolean isLegal(int x, int y){
int n=yForX.length;
for(int i=1;i<=x&&y>=i;i++){
if(chessboard[x-i][y-i]) return false;
}
for(int i=1;i<=x&&n-y>i;i++){
if(chessboard[x-i][y+i]) return false;
}
for(int i=0;i<x;i++){
if(chessboard[i][y]) return false;
}
return true;
}