A星算法求解八数码问题.docx

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A*算法求解八数码问题

1、八数码问题描述

所谓八数码问题起源于一种游戏:

在一个3×3的方阵中放入八个数码1、2、3、4、5、6、7、8,其中一个单元格是空的。

将任意摆放的数码盘(城初始状态)逐步摆成某个指定的数码盘的排列(目标状态),如图1所示

图1八数码问题的某个初始状态和目标状态

对于以上问题,我们可以把数码的移动等效城空格的移动。

如图1的初始排列,数码7右移等于空格左移。

那么对于每一个排列,可能的一次数码移动最多只有4中,即空格左移、空格右移、空格上移、空格下移。

最少有两种(当空格位于方阵的4个角时)。

所以,问题就转换成如何从初始状态开始,使空格经过最小的移动次数最后排列成目标状态。

2、八数码问题的求解算法

2.1盲目搜索

宽度优先搜索算法、深度优先搜索算法

2.2启发式搜索

启发式搜索算法的基本思想是:

定义一个评价函数f,对当前的搜索状态进行评估,找出一个最有希望的节点来扩展。

先定义下面几个函数的含义:

f*(n)=g*(n)+h*(n)

(1)

式中g*(n)表示从初始节点s到当前节点n的最短路径的耗散值;h*(n)表示从当前节点n到目标节点g的最短路径的耗散值,f*(n)表示从初始节点s经过n到目标节点g的最短路径的耗散值。

评价函数的形式可定义如

(2)式所示:

f(n)=g(n)+h(n)

(2)

其中n是被评价的当前节点。

f(n)、g(n)和h(n)分别表示是对f*(n)、g*(n)和h*(n)3个函数值的估计值。

利用评价函数f(n)=g(n)+h(n)来排列OPEN表节点顺序的图搜索算法称为算法A。

在A算法中,如果对所有的x,

h(x)<=h*(x)(3)

成立,则称好h(x)为h*(x)的下界,它表示某种偏于保守的估计。

采用h*(x)的下界h(x)为启发函数的A算法,称为A*算法。

针对八数码问题启发函数设计如下:

f(n)=d(n)+p(n)(4)

其中A*算法中的g(n)根据具体情况设计为d(n),意为n节点的深度,而h(n)设计为

把S放入OPEN表,记f=h

OPEN=NULL?

失败

扩展BESTNODE,产生其后继结点SUCCESSOR

选取OPEN表上未设置过的具有最小f值的节点

BESTNODE,放入CLOSED表

BESTNODE是目标节点

建立从SUCCESSOR返回BESTNODE的指针

计算g(SUC)=g(BES)+k(BES,SUC)

SUC∈OPEN

开始

g(SUC)

SUC=OLD,把它添加到BESTNDOE的后继结点表中

重新确定OLD的父辈节点为BESTNODE,并修正父辈节点的g值和f值,记下g(OLD)

成功

SUC∈CLOSED

把SUCCESSOR放入OPEN表,添进BESTNODE的后裔表

计算f值

图2A*算法流程图

p(n),意为放错的数码与正确的位置距离之和。

由于实际情况中,一个将牌的移动都是单步进行的,没有交换拍等这样的操作。

所以要把所有的不在位的将牌,移动到各自的目标位置上,至少要移动从他们各自的位置到目标位置的距离和这么多次,所以最有路径的耗散值不会比该值小,因此该启发函数h(n)满足A*算法的条件。

3、A*算法流程图,如图2

4、A*算法总结

4.1,把起始状态添加到开启列表。

4.2,重复如下工作:

a)寻找开启列表中f值最低的节点,我们称它为BESTNOE

b)把它切换到关闭列表中。

c)对相邻的4个节点中的每一个

*如果它不在开启列表,也不在关闭列表,把它添加到开启列表中。

把BESTNODE作为这一节点的父节点。

记录这一节点的f和g值

*如果它已在开启或关闭列表中,用g值为参考检查新的路径是否更好。

更低的g值意味着更好的路径。

如果这样,就把这一节点的父节点改为BESTNODE,并且重新计算这一节点的f和g值,如果保持开启列表的f值排序,改变之后需要重新对开启列表排序。

d)停止

把目标节点添加到关闭列表,这时候路径被找到,或者没有找到路径,开启列表已经空了,这时候路径不存在。

4.3,保存路径。

从目标节点开始,沿着每一节点的父节点移动直到回到起始节点。

这就是求得的路径。

5、数据结构

采用结构体来保存八数码的状态、f和g的值以及该节点的父节点;

structNode{

ints[3][3];//保存八数码状态,0代表空格

intf,g;//启发函数中的f和g值

structNode*next;

structNode*previous;//保存其父节点

};

6、实验结果,如图3所示

图3A*算法求解八数码问题实验结果

7、源代码

//-----------------------------------------------------------------------------

//代码:

利用A*算法求解八数码问题。

//八数码问题的启发函数设计为:

f(n)=d(n)+p(n),其中A*算法中的g(n)根据具体情况设计为d(n),意为n节点的深度,而h(n)设计为p(n),意为放错的数码与正确的位置距离之和。

//后继结点的获取:

数码的移动等效为空格的移动。

首先判断空格上下左右的可移动性,其次移动空格获取后继结点。

//-----------------------------------------------------------------------------

#include

#include

#include

//八数码状态对应的节点结构体

structNode{

ints[3][3];//保存八数码状态,0代表空格

intf,g;//启发函数中的f和g值

structNode*next;

structNode*previous;//保存其父节点

};

intopen_N=0;//记录Open列表中节点数目

//八数码初始状态

intinital_s[3][3]={

2,8,3,

1,6,4,

7,0,5

};

//八数码目标状态

intfinal_s[3][3]={

1,2,3,

8,0,4,

7,6,5

};

//------------------------------------------------------------------------

//添加节点函数入口,方法:

通过插入排序向指定表添加

//------------------------------------------------------------------------

voidAdd_Node(structNode*head,structNode*p)

{

structNode*q;

if(head->next)//考虑链表为空

{q=head->next;

if(p->fnext->f){//考虑插入的节点值比链表的第一个节点值小

p->next=head->next;

head->next=p;

}

else{

while(q->next)//考虑插入节点x,形如a<=x<=b

{

if((q->ff||q->f==p->f)&&(q->next->f>p->f||q->next->f==p->f)){

p->next=q->next;

q->next=p;

break;

}

q=q->next;

}

if(q->next==NULL)//考虑插入的节点值比链表最后一个元素的值更大

q->next=p;

}

}

elsehead->next=p;

}

//------------------------------------------------------------------------

//删除节点函数入口

//------------------------------------------------------------------------

voiddel_Node(structNode*head,structNode*p)

{

structNode*q;

q=head;

while(q->next)

{

if(q->next==p){

q->next=p->next;

p->next=NULL;

if(q->next==NULL)return;

//free(p);

}

q=q->next;

}

}

//------------------------------------------------------------------------

//判断两个数组是否相等函数入口

//------------------------------------------------------------------------

intequal(ints1[3][3],ints2[3][3])

{

inti,j,flag=0;

for(i=0;i<3;i++)

for(j=0;j<3;j++)

if(s1[i][j]!

=s2[i][j]){flag=1;break;}

if(!

flag)

return1;

elsereturn0;

}

//------------------------------------------------------------------------

//判断后继节点是否存在于Open或Closed表中函数入口

//------------------------------------------------------------------------

intexit_Node(structNode*head,ints[3][3],structNode*Old_Node)

{

structNode*q=head->next;

intflag=0;

while(q)

if(equal(q->s,s)){

flag=1;

Old_Node->next=q;

return1;}

elseq=q->next;

if(!

flag)return0;

}

//------------------------------------------------------------------------

//计算p(n)的函数入口

//其中p(n)为放错位的数码与其正确的位置之间距离之和

//具体方法:

放错位的数码与其正确的位置对应下标差的绝对值之和

//------------------

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