通过二分法用c语言解决八数码问题

时间: 2024-01-05 21:03:08 浏览: 96
八数码问题是指在一个3x3的棋盘上,摆放着编号为1~8的8个方块,再加上一个空格,共计9个空格,如下图所示: ``` +---+---+---+ | 1 | 2 | 3 | +---+---+---+ | 4 | | 5 | +---+---+---+ | 6 | 7 | 8 | +---+---+---+ ``` 现在需要将这些方块按照规定的顺序移动,使得最终的棋盘状态变为: ``` +---+---+---+ | 1 | 2 | 3 | +---+---+---+ | 4 | 5 | 6 | +---+---+---+ | 7 | 8 | | +---+---+---+ ``` 其中,每次只能移动与空格相邻的方块,且空格不能移动。现在我们需要用C语言实现通过二分法解决八数码问题。 首先,我们需要定义一个结构体用来表示每一个棋盘状态,其中包括: - 一个3x3的二维数组,表示当前的棋盘状态; - 一个整数,表示当前状态到达目标状态的代价估计值(可以用曼哈顿距离或者错误位置数量等方式计算); - 一个指向父状态的指针,用来记录状态转移路径。 代码如下: ```c typedef struct node { int board[3][3]; int cost; struct node *parent; } Node; ``` 接下来,我们需要实现状态转移函数,即根据当前的状态,生成所有可能的下一步状态。这里我们可以定义一个函数`generate_next_states`,它的输入是当前状态的指针,输出是所有可能的下一步状态的指针数组。该函数的实现如下: ```c Node** generate_next_states(Node *current_state, int *num_states) { int x, y, i, j, temp; Node **next_states = (Node**)malloc(sizeof(Node*) * 4); *num_states = 0; // 找到空格的位置 for (i = 0; i < 3; i++) { for (j = 0; j < 3; j++) { if (current_state->board[i][j] == 0) { x = i; y = j; break; } } } // 生成所有可能的下一步状态 if (x > 0) { // 上移 next_states[*num_states] = (Node*)malloc(sizeof(Node)); memcpy(next_states[*num_states]->board, current_state->board, sizeof(int) * 9); temp = next_states[*num_states]->board[x][y]; next_states[*num_states]->board[x][y] = next_states[*num_states]->board[x-1][y]; next_states[*num_states]->board[x-1][y] = temp; next_states[*num_states]->cost = estimate_cost(next_states[*num_states]->board); next_states[*num_states]->parent = current_state; (*num_states)++; } if (x < 2) { // 下移 next_states[*num_states] = (Node*)malloc(sizeof(Node)); memcpy(next_states[*num_states]->board, current_state->board, sizeof(int) * 9); temp = next_states[*num_states]->board[x][y]; next_states[*num_states]->board[x][y] = next_states[*num_states]->board[x+1][y]; next_states[*num_states]->board[x+1][y] = temp; next_states[*num_states]->cost = estimate_cost(next_states[*num_states]->board); next_states[*num_states]->parent = current_state; (*num_states)++; } if (y > 0) { // 左移 next_states[*num_states] = (Node*)malloc(sizeof(Node)); memcpy(next_states[*num_states]->board, current_state->board, sizeof(int) * 9); temp = next_states[*num_states]->board[x][y]; next_states[*num_states]->board[x][y] = next_states[*num_states]->board[x][y-1]; next_states[*num_states]->board[x][y-1] = temp; next_states[*num_states]->cost = estimate_cost(next_states[*num_states]->board); next_states[*num_states]->parent = current_state; (*num_states)++; } if (y < 2) { // 右移 next_states[*num_states] = (Node*)malloc(sizeof(Node)); memcpy(next_states[*num_states]->board, current_state->board, sizeof(int) * 9); temp = next_states[*num_states]->board[x][y]; next_states[*num_states]->board[x][y] = next_states[*num_states]->board[x][y+1]; next_states[*num_states]->board[x][y+1] = temp; next_states[*num_states]->cost = estimate_cost(next_states[*num_states]->board); next_states[*num_states]->parent = current_state; (*num_states)++; } return next_states; } ``` 其中,`estimate_cost`是一个估价函数,用于估计当前状态到目标状态的代价。这里我们采用曼哈顿距离作为估价函数,其计算方式如下: ```c int estimate_cost(int board[3][3]) { int i, j, x, y, cost = 0; int target_x[9] = {0, 0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 2}; int target_y[9] = {0, 1, 2, 0, 1, 2, 0, 1, 2}; for (i = 0; i < 3; i++) { for (j = 0; j < 3; j++) { if (board[i][j] == 0) continue; x = target_x[board[i][j]-1]; y = target_y[board[i][j]-1]; cost += abs(i - x) + abs(j - y); } } return cost; } ``` 最后,我们可以实现一个二分法函数`solve_puzzle`,它的输入是初始状态和目标状态,输出是最终的状态转移路径。该函数的实现如下: ```c Node* solve_puzzle(Node *initial_state, Node *target_state) { int num_states, i; Node *current_state, **next_states, *min_state; int l = 0, r = 100, mid; // 初始化初始状态 initial_state->cost = estimate_cost(initial_state->board); initial_state->parent = NULL; // 二分法搜索 while (l <= r) { mid = (l + r) / 2; // 初始化搜索队列 Queue *queue = create_queue(); enqueue(queue, initial_state); // BFS搜索 while (!is_queue_empty(queue)) { current_state = dequeue(queue); // 到达目标状态,返回路径 if (memcmp(current_state->board, target_state->board, sizeof(int) * 9) == 0) { return current_state; } // 生成所有可能的下一步状态 next_states = generate_next_states(current_state, &num_states); // 将下一步状态加入搜索队列 for (i = 0; i < num_states; i++) { if (next_states[i]->cost + mid <= r) { enqueue(queue, next_states[i]); } else { free(next_states[i]); } } free(next_states); } // 更新搜索区间 if (current_state->cost <= mid) { min_state = current_state; r = current_state->cost; } else { l = current_state->cost; } } return min_state; } ``` 其中,`Queue`是一个队列结构体,可以用链表实现。`create_queue`、`enqueue`、`dequeue`和`is_queue_empty`分别用来创建队列、入队、出队和判断队列是否为空。这里我们不再赘述,读者可以自行实现。 至此,我们就完成了通过二分法用C语言解决八数码问题的程序。
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