DFS BFS 回溯法

 

回溯法

回溯法也称为试探法,该方法首先暂时放弃关于问题规模大小的限制,并将问题的候选解按某种顺序逐一枚举和检验。当发现当前候选解不可能是解时,就选择下一个候选解;倘若当前候选解除了还不满足问题规模要求外,满足所有其他要求时,继续扩大当前候选解的规模,并继续试探。如果当前候选解满足包括问题规模在内的所有要求时,该候选解就是问题的一个解。

在回溯法中,放弃当前候选解,寻找下一个候选解的过程称为回溯。扩大当前候选解的规模,以继续试探的过程称为向前试探。

回溯法的基本思想:确定了解空间的组织结构后,回溯法就从开始结点(根结点)出发,以深度优先的方式搜索整个解空间。这个开始结点就成为一个活结点,同时也成为当前的扩展结点。在当前的扩展结点处,搜索向纵深方向移至一个新结点。这个新结点就成为一个新的活结点,并成为当前扩展结点。如果在当前的扩展结点处不能再向纵深方向移动,则当前扩展结点就成为死结点。换句话说,这个结点不再是一个活结点。此时,应往回移动(回溯)至最近的一个活结点处,并使这个活结点成为当前的扩展结点。回溯法即以这种工作方式递归地在解空间中搜索,直至找到所要求的解或解空间中已没有活结点时为止。

运用回溯法解题通常包含以下三个步骤:

1)针对所给问题,定义问题的解空间;

2)确定易于搜索的解空间结构;

3)以深度优先的方式搜索解空间,并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索;

 

DFSBFS

深度优先搜索(DFS-Deep First Search)所遵循的搜索策略是尽可能“深”地搜索图。在深度优先搜索中,对于最新发现的顶点,如果它还有以此为起点而未探测到的边,就沿此边继续汉下去。当结点v的所有边都己被探寻过,搜索将回溯到发现结点v有那条边的始结点。这一过程一直进行到已发现从源结点可达的所有结点为止。如果还存在未被发现的结点,则选择其中一个作为源结点并重复以上过程,整个进程反复进行直到所有结点都被发现为止。广度优先搜索(BFS-Broad First Search)和DFS类似,只是每次都先尽可能地扩展当前节点的邻居节点,之后再向其子节点进行扩展。

剪枝方法

搜索的进程可以看作是从树根出发,遍历一棵倒置的树--搜索树的过程。而所谓剪枝,顾名思义,就是通过某种判断,避免一些不必要的遍历过程,形象的说,就是剪去了搜索树中的某些“枝条”,故称剪枝。

剪枝的原则

 

原则之一:正确性。

剪枝方法之所以能够优化程序的执行效率,正如前所述,是因为它能够“剪去”搜索树中的一些“枝条”。然而,如果在剪枝的时候,将“长有”我们所需要的解的枝条也剪掉了,那么,一切优化也就都失去了意义。所以,对剪枝的第一个要求就是正确性,即必须保证不丢失正确的结果,这是剪枝优化的前提。

为了满足这个原则,我们就应当利用“必要条件”来进行剪枝判断。也就是说,通过解所必须具备的特征、必须满足的条件等方面来考察待判断的枝条能否被剪枝。这样,就可以保证所剪掉的枝条一定不是正解所在的枝条。当然,由必要条件的定义,我们知道,没有被剪枝不意味着一定可以得到正解(否则,也就不必搜索了)。

原则之二:准确性。

在保证了正确性的基础上,对剪枝判断的第二个要求就是准确性,即能够尽可能多的剪去不能通向正解的枝条。剪枝方法只有在具有了较高的准确性的时候,才能真正收到优化的效果。因此,准确性可以说是剪枝优化的生命。

当然,为了提高剪枝判断的准确性,我们就必须对题目的特点进行全面而细致的分析,力求发现题目的本质,从而设计出优秀的剪枝判断方案。

原则之三:高效性。

一般说来,设计好剪枝判断方法之后,我们对搜索树的每个枝条都要执行一次判断操作。然而,由于是利用出解的“必要条件”进行判断,所以,必然有很多不含正解的枝条没有被剪枝。这些情况下的剪枝判断操作,对于程序的效率的提高无疑是具有副作用的。为了尽量减少剪枝判断的副作用,我们除了要下功夫改善判断的准确性外,经常还需要提高判断操作本身的时间效率。

然而这就带来了一个矛盾:我们为了加强优化的效果,就必须提高剪枝判断的准确性,因此,常常不得不提高判断操作的复杂度,也就同时降低了剪枝判断的时间效率;但是,如果剪枝判断的时间消耗过多,就有可能减小、甚至完全抵消提高判断准确性所能带来的优化效果,这恐怕也是得不偿失。很多情况下,能否较好的解决这个矛盾,往往成为搜索算法优化的关键。

剪枝的方法

可行性剪枝。

最优性剪枝(上下界剪枝)

极端法:通过对当前节点进行理想式扩展,通过否定这样的理想情况来避免对当前节点的扩展。

调整法:基本思想是通过对子树的比较剪掉重复子树和明显不是最有前途的子树。

数学方法:利用专门知识剪枝,如在图论中借助连通分量,数论中借助模方程的分析等

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