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搜索算法练习——拼图问题

时间:2024-04-01 15:02:21浏览次数:37  
标签:状态 ni 拼图 练习 搜索算法 empty board 方块

拼图问题是一个经典的搜索问题,其中目标是将一个拼图板恢复到初始状态,或者找到一个初始状态到目标状态的最短路径。

我们可以使用广度优先搜索(BFS)来解决这个问题,将每个状态作为节点,并尝试所有可能的移动。

from collections import deque

def swap(board, i, j, ni, nj):
    """
    交换拼图板上两个方块的位置。
    
    Parameters:
        board (list): 当前拼图板状态。
        i (int): 第一个方块的行号。
        j (int): 第一个方块的列号。
        ni (int): 第二个方块的行号。
        nj (int): 第二个方块的列号。
    """
    board[i][j], board[ni][nj] = board[ni][nj], board[i][j]

def get_neighbors(board):
    """
    获取当前拼图板状态的所有可能邻居状态。
    
    Parameters:
        board (list): 当前拼图板状态。
    
    Returns:
        list: 所有可能的邻居状态列表。
    """
    neighbors = []
    empty_row, empty_col = find_empty_square(board)
    moves = [(1, 0), (-1, 0), (0, 1), (0, -1)]  # 可以向上、下、左、右移动的方向
    for dr, dc in moves:
        nr, nc = empty_row + dr, empty_col + dc
        if 0 <= nr < len(board) and 0 <= nc < len(board[0]):
            new_board = [row[:] for row in board]  # 创建当前拼图板的副本
            swap(new_board, empty_row, empty_col, nr, nc)  # 移动空方块
            neighbors.append(new_board)
    return neighbors

def find_empty_square(board):
    """
    在拼图板上找到空方块的位置。
    
    Parameters:
        board (list): 拼图板状态。
    
    Returns:
        tuple: 空方块的行号和列号。
    """
    for i in range(len(board)):
        for j in range(len(board[0])):
            if board[i][j] == 0:
                return i, j

def is_goal_state(board, target):
    """
    检查当前拼图板状态是否为目标状态。
    
    Parameters:
        board (list): 当前拼图板状态。
        target (list): 目标拼图板状态。
    
    Returns:
        bool: 如果当前状态与目标状态相同,则返回True,否则返回False。
    """
    return board == target

def bfs_puzzle(initial, target):
    """
    使用广度优先搜索(BFS)解决拼图问题。
    
    Parameters:
        initial (list): 初始拼图板状态。
        target (list): 目标拼图板状态。
    
    Returns:
        list: 到达目标状态的最短路径,如果不存在路径则返回空列表。
    """
    queue = deque([(initial, [])])  # 使用队列存储当前拼图板状态和到达该状态的路径
    visited = set([tuple(map(tuple, initial))])  # 使用集合记录已经访问过的拼图板状态
    
    while queue:
        board, path = queue.popleft()
        if is_goal_state(board, target):
            return path
        for neighbor in get_neighbors(board):
            if tuple(map(tuple, neighbor)) not in visited:
                visited.add(tuple(map(tuple, neighbor)))
                queue.append((neighbor, path + [neighbor]))
    
    return []

# 示例初始拼图板状态和目标拼图板状态
initial_board = [
    [1, 2, 3],
    [0, 4, 5],
    [6, 7, 8]
]
target_board = [
    [1, 2, 3],
    [4, 5, 6],
    [7, 8, 0]
]

# 使用广度优先搜索解决拼图问题
shortest_path = bfs_puzzle(initial_board, target_board)
if shortest_path:
    print("到达目标状态的最短路径:")
    for step in shortest_path:
        for row in step:
            print(row)
        print()
else:
    print("未找到到达目标状态的路径。")

在上述代码中,我们首先定义了几个辅助函数:

  • swap(board, i, j, ni, nj):用于交换拼图板上两个方块的位置。
  • get_neighbors(board):用于获取当前拼图板状态的所有可能邻居状态。
  • find_empty_square(board):用于找到拼图板上空方块的位置。
  • is_goal_state(board, target):用于检查当前拼图板状态是否为目标状态。

然后,我们使用广度优先搜索(BFS)来解决拼图问题。在每一步中,我们从队列中取出当前拼图板状态,然后尝试移动空方块,并将新的拼图板状态加入队列中。最终,如果找到到达目标状态的路径,则打印该路径;否则,打印未找到路径的消息。

标签:状态,ni,拼图,练习,搜索算法,empty,board,方块
From: https://blog.csdn.net/SmiledrinkCat/article/details/137023086

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