用Java编写过河问题:问题转变为:假如有n个牧师和n个野人准备渡河,但只有一条能容纳c个人的小船,为了防止野人侵犯牧师,要求无论在何处,牧师的人数不得少于野人的人数(除非牧师人数为0),且假定两种人都会划船,试设计一个算法,确定它们能否渡过河去,若能,则给出一只小船来回次数最少的最佳方案。

时间: 2023-10-01 20:03:12 浏览: 94
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Java实现传教士过河问题

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以下是用Java编写的河问题的解法: ```java import java.util.ArrayList; import java.util.HashSet; import java.util.List; import java.util.Set; public class RiverCrossing { private static final int NUM_OF_PASSENGERS = 3; // 每次最多能过河的人数 private static final int NUM_OF_PASSENGERS_TYPE = 2; // 人的种类数量(牧师和野人) private static final int NUM_OF_BOAT_SEATS = 2; // 小船可以坐的人数 private static final int START_STATE = 0; // 起始状态 private static final int END_STATE = (1 << (NUM_OF_PASSENGERS * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE)) - 1; // 终止状态 private static final int LEFT_BANK = 0; // 左岸 private static final int RIGHT_BANK = 1; // 右岸 private static final int MISSIONARY = 0; // 牧师 private static final int CANNIBAL = 1; // 野人 // 判断当前状态是否合法 private static boolean isValid(int state) { int leftBank[] = decodeState(state, LEFT_BANK); int rightBank[] = decodeState(state, RIGHT_BANK); if (leftBank[MISSIONARY] != 0 && leftBank[MISSIONARY] < leftBank[CANNIBAL]) return false; if (rightBank[MISSIONARY] != 0 && rightBank[MISSIONARY] < rightBank[CANNIBAL]) return false; return true; } // 将状态转换为数组 private static int[] decodeState(int state, int bank) { int[] bankArray = new int[NUM_OF_PASSENGERS_TYPE]; for (int i = 0; i < NUM_OF_PASSENGERS; i++) { int passengerType = (state >> (i * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE + bank * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE * NUM_OF_PASSENGERS)) & (NUM_OF_PASSENGERS_TYPE - 1); bankArray[passengerType]++; } return bankArray; } // 将数组转换为状态 private static int encodeState(int[] leftBank, int[] rightBank) { int state = 0; for (int i = 0; i < NUM_OF_PASSENGERS; i++) { state |= (leftBank[MISSIONARY] > i ? MISSIONARY : CANNIBAL) << (i * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE + LEFT_BANK * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE * NUM_OF_PASSENGERS); state |= (rightBank[MISSIONARY] > i ? MISSIONARY : CANNIBAL) << (i * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE + RIGHT_BANK * NUM_OF_PASSENGERS_TYPE * NUM_OF_PASSENGERS); } return state; } // 判断状态是否是终止状态 private static boolean isEndState(int state) { return state == END_STATE; } // 判断两个状态是否相等 private static boolean isEqual(int state1, int state2) { return state1 == state2; } // 判断一个状态是否已经被访问过 private static boolean isVisited(int state, Set<Integer> visitedStates) { return visitedStates.contains(state); } // 获取下一个可能的状态 private static List<Integer> getNextPossibleStates(int state) { List<Integer> nextPossibleStates = new ArrayList<>(); int[] leftBank = decodeState(state, LEFT_BANK); int[] rightBank = decodeState(state, RIGHT_BANK); int boatPosition = LEFT_BANK; if (leftBank[NUM_OF_PASSENGERS_TYPE - 1] == NUM_OF_PASSENGERS && isEndState(encodeState(rightBank, leftBank))) { nextPossibleStates.add(encodeState(leftBank, rightBank)); return nextPossibleStates; } if (rightBank[NUM_OF_PASSENGERS_TYPE - 1] == NUM_OF_PASSENGERS && isEndState(encodeState(leftBank, rightBank))) { nextPossibleStates.add(encodeState(leftBank, rightBank)); return nextPossibleStates; } if (leftBank[MISSIONARY] >= 1 && boatPosition == LEFT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newLeftBank[MISSIONARY]--; newRightBank[MISSIONARY]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (leftBank[CANNIBAL] >= 1 && boatPosition == LEFT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newLeftBank[CANNIBAL]--; newRightBank[CANNIBAL]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (leftBank[MISSIONARY] >= 2 && boatPosition == LEFT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newLeftBank[MISSIONARY] -= 2; newRightBank[MISSIONARY] += 2; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (leftBank[CANNIBAL] >= 2 && boatPosition == LEFT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newLeftBank[CANNIBAL] -= 2; newRightBank[CANNIBAL] += 2; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (leftBank[MISSIONARY] >= 1 && leftBank[CANNIBAL] >= 1 && boatPosition == LEFT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newLeftBank[MISSIONARY]--; newLeftBank[CANNIBAL]--; newRightBank[MISSIONARY]++; newRightBank[CANNIBAL]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (rightBank[MISSIONARY] >= 1 && boatPosition == RIGHT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newRightBank[MISSIONARY]--; newLeftBank[MISSIONARY]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (rightBank[CANNIBAL] >= 1 && boatPosition == RIGHT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newRightBank[CANNIBAL]--; newLeftBank[CANNIBAL]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (rightBank[MISSIONARY] >= 2 && boatPosition == RIGHT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newRightBank[MISSIONARY] -= 2; newLeftBank[MISSIONARY] += 2; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (rightBank[CANNIBAL] >= 2 && boatPosition == RIGHT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newRightBank[CANNIBAL] -= 2; newLeftBank[CANNIBAL] += 2; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } if (rightBank[MISSIONARY] >= 1 && rightBank[CANNIBAL] >= 1 && boatPosition == RIGHT_BANK) { int[] newLeftBank = leftBank.clone(); int[] newRightBank = rightBank.clone(); newRightBank[MISSIONARY]--; newRightBank[CANNIBAL]--; newLeftBank[MISSIONARY]++; newLeftBank[CANNIBAL]++; if (isValid(encodeState(newLeftBank, newRightBank))) nextPossibleStates.add(encodeState(newLeftBank, newRightBank)); } return nextPossibleStates; } // 搜索最短路径 private static List<Integer> search() { List<Integer> shortestPath = new ArrayList<>(); Set<Integer> visitedStates = new HashSet<>(); List<List<Integer>> paths = new ArrayList<>(); List<Integer> startPath = new ArrayList<>(); startPath.add(START_STATE); paths.add(startPath); while (!paths.isEmpty()) { List<Integer> currentPath = paths.remove(0); int currentState = currentPath.get(currentPath.size() - 1); if (isEndState(currentState)) { if (shortestPath.isEmpty() || currentPath.size() < shortestPath.size()) shortestPath = currentPath; continue; } visitedStates.add(currentState); List<Integer> nextPossibleStates = getNextPossibleStates(currentState); for (int nextState : nextPossibleStates) { if (isVisited(nextState, visitedStates)) continue; List<Integer> nextPath = new ArrayList<>(currentPath); nextPath.add(nextState); paths.add(nextPath); } } return shortestPath; } // 打印结果 private static void printResult(List<Integer> path) { System.out.println("Number of boat trips: " + (path.size() - 1)); for (int i = 0; i < path.size() - 1; i++) { int[] leftBank = decodeState(path.get(i), LEFT_BANK); int[] rightBank = decodeState(path.get(i), RIGHT_BANK); int[] nextLeftBank = decodeState(path.get(i + 1), LEFT_BANK); int[] nextRightBank = decodeState(path.get(i + 1), RIGHT_BANK); System.out.println("From left bank to right bank: "); System.out.println("Missionaries: " + (leftBank[MISSIONARY] - nextLeftBank[MISSIONARY])); System.out.println("Cannibals: " + (leftBank[CANNIBAL] - nextLeftBank[CANNIBAL])); System.out.println("From right bank to left bank: "); System.out.println("Missionaries: " + (rightBank[MISSIONARY] - nextRightBank[MISSIONARY])); System.out.println("Cannibals: " + (rightBank[CANNIBAL] - nextRightBank[CANNIBAL])); } } public static void main(String[] args) { List<Integer> path = search(); printResult(path); } } ``` 该程序将所有可能的状态表示为一个二进制数,并使用两个数组来表示左岸和右岸上的每种人的数量。搜索算法使用BFS,并利用isValid,encodeState和decodeState函数来处理状态。getNextPossibleStates函数返回下一组可能的状态。程序搜索最短路径,然后打印出每次小船的行动。
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