python解数独,回溯算法,保姆级注释

leetcode37 解数独

编写一个程序,通过填充空格来解决数独问题

  • 我们可以考虑按照「行优先」的顺序依次枚举每一个空白格中填的数字,通过递归 +回溯的方法枚举所有可能的填法。当递归到最后一个空白格后,如果仍然没有冲突,说明我们找到了答案;在递归的过程中,如果当前的空白格不能填下任何一个数字,那么就进行回溯。由于每个数字在同一行、同一列、同一个九宫格中只会出现一次,因此我们可以使用\textit{line}[i]line[i],\textit{column}[j]column[j],\textit{block}[x][y]block[x][y]分别表示第 ii 行,第 jj 列,第 (x, y)(x,y)个九宫格中填写数字的情况。我们同时也可以借助位运算,仅使用一组整数表示每个数字是否出现过。具体地,当数b的二进制表示的第i位(从低到高,最低位为第0位)为1,当且仅当数字i+1i+1 已经出现过。例如当数字b的二进制表示为b(011000100)时,就表示数字3、7、8已经出现过。–摘自力扣

  • 按位与运算符:参与运算的两个值,如果两个相应位都为1,则该位的结果为1,否则为0。 –摘自菜鸟教程

思路与算法:递归+回溯+位运算

  • 主要采用递归方法和回溯框架
  • 中间求交集部分采用位运算节省空间
  • 数据结构采用set可以大大提高效率

代码实现

def solveSudoku(self, board: List[List[str]]):
    #定义一个完整的九宫格rang(1,10)代表有1-9个可选数字,range(9)代表循环产生9个格子,range(3)分别代表行、列、宫的可选集
    c = [[set(range(1,10)) for _ in range(9)] for _ in range(3)]

    empty = []  # 定义可用数字集
    for i in range(9):
        for j in range(9):
            if board[i][j] != '.':  #更新可用数字集
                val = int(board[i][j])
                c[0][i].remove(val) #移除存在数字
                c[1][j].remove(val)
                c[2][(i // 3)*3 + j // 3].remove(val)
            else:
                empty.append((i, j)) #保留可用数字

    def backtrack(iter=0):
        if iter == len(empty):  #如果在数独正确的情况下,当iter回溯到与empty相同大小时,就代表已经遍历完全部九宫格同时代表找到了答案
            return True
        i, j = empty[iter] #分别获取行列位置
        b = (i // 3)*3 + j // 3 #根据公示获取宫位置
        for val in c[0][i] & c[1][j] & c[2][b]:  #取行、列、宫三个列表交集部分为val可用数字集,开始递归
            c[0][i].remove(val)
            c[1][j].remove(val)
            c[2][b].remove(val)
            board[i][j] = str(val)
            if backtrack(iter+1):
                return True
            c[0][i].add(val) #回溯完成后则将其加入可用数字集
            c[1][j].add(val)
            c[2][b].add(val)
        return False
    backtrack()

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