基于 Python 的八数码问题的深度、广度搜索 与启发式算法分析代码

时间: 2024-04-30 22:20:56 浏览: 16
八数码问题是一个经典的人工智能问题,可以使用深度搜索、广度搜索和启发式算法等多种方法进行求解。下面给出基于 Python 的八数码问题的深度、广度搜索和启发式算法的代码实现。 首先定义一个表示八数码问题状态的类 `State`,其中 `board` 表示当前状态的棋盘布局,`parent` 表示当前状态的父状态,`action` 表示当前状态到达该状态的操作,`depth` 表示当前状态的深度。 ```python class State: def __init__(self, board, parent, action, depth): self.board = board self.parent = parent self.action = action self.depth = depth ``` 接下来定义一个函数 `get_blank_pos`,用于获取空格(0)的位置。 ```python def get_blank_pos(board): for i in range(3): for j in range(3): if board[i][j] == 0: return i, j ``` 定义一个函数 `get_successors`,用于获取当前状态的所有合法后继状态。 ```python def get_successors(state): successors = [] blank_i, blank_j = get_blank_pos(state.board) for action, (di, dj) in ACTIONS.items(): new_i, new_j = blank_i + di, blank_j + dj if 0 <= new_i < 3 and 0 <= new_j < 3: new_board = [row[:] for row in state.board] new_board[blank_i][blank_j], new_board[new_i][new_j] = new_board[new_i][new_j], new_board[blank_i][blank_j] successors.append(State(new_board, state, action, state.depth + 1)) return successors ``` 定义一个函数 `is_goal`,用于判断当前状态是否为目标状态。 ```python def is_goal(state): return state.board == GOAL_STATE ``` 接下来实现深度搜索算法,定义一个函数 `depth_first_search`,使用栈(Stack)作为数据结构。 ```python def depth_first_search(initial_state): stack = [initial_state] visited = set() while stack: state = stack.pop() if is_goal(state): return state visited.add(tuple(map(tuple, state.board))) successors = get_successors(state) for successor in reversed(successors): if tuple(map(tuple, successor.board)) not in visited: stack.append(successor) return None ``` 实现广度搜索算法,定义一个函数 `breadth_first_search`,使用队列(Queue)作为数据结构。 ```python def breadth_first_search(initial_state): queue = collections.deque([initial_state]) visited = set() while queue: state = queue.popleft() if is_goal(state): return state visited.add(tuple(map(tuple, state.board))) successors = get_successors(state) for successor in successors: if tuple(map(tuple, successor.board)) not in visited: queue.append(successor) return None ``` 接下来实现启发式搜索算法,使用曼哈顿距离作为启发函数,定义一个函数 `manhattan_distance`,用于计算当前状态到目标状态的曼哈顿距离。 ```python def manhattan_distance(board): distance = 0 for i in range(3): for j in range(3): if board[i][j] != 0: row, col = divmod(board[i][j] - 1, 3) distance += abs(row - i) + abs(col - j) return distance ``` 定义一个函数 `a_star_search`,使用优先队列(Priority Queue)作为数据结构。 ```python def a_star_search(initial_state): queue = [(manhattan_distance(initial_state.board), initial_state)] visited = set() while queue: _, state = heappop(queue) if is_goal(state): return state visited.add(tuple(map(tuple, state.board))) successors = get_successors(state) for successor in successors: if tuple(map(tuple, successor.board)) not in visited: heappush(queue, (manhattan_distance(successor.board) + successor.depth, successor)) return None ``` 最后定义一些常量和操作字典。 ```python import collections from heapq import heappush, heappop INITIAL_STATE = [ [2, 8, 3], [1, 6, 4], [7, 0, 5] ] GOAL_STATE = [ [1, 2, 3], [8, 0, 4], [7, 6, 5] ] ACTIONS = { 'Up': (-1, 0), 'Down': (1, 0), 'Left': (0, -1), 'Right': (0, 1) } ``` 可以使用以下代码测试以上算法: ```python initial_state = State(INITIAL_STATE, None, None, 0) print('Depth First Search:') result = depth_first_search(initial_state) if result is not None: print('Solution found in', result.depth, 'steps') while result.parent is not None: print(result.action) result = result.parent else: print('No solution found') print('Breadth First Search:') result = breadth_first_search(initial_state) if result is not None: print('Solution found in', result.depth, 'steps') while result.parent is not None: print(result.action) result = result.parent else: print('No solution found') print('A* Search:') result = a_star_search(initial_state) if result is not None: print('Solution found in', result.depth, 'steps') while result.parent is not None: print(result.action) result = result.parent else: print('No solution found') ```

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