C语言实现8数码问题.docx
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C语言实现8数码问题
1、实验目的
(1)熟悉人工智能系统中的问题求解过程;
(2)熟悉状态空间中的盲目搜索策略;
(3)掌握盲目搜索算法,重点就是宽度优先搜索与深度优先搜索算法。
2、实验要求
用VC语言编程,采用宽度优先搜索与深度优先搜索方法,求解8数码问题
3、实验内容
(1)采用宽度优先算法,运行程序,要求输入初始状态
假设给定如下初始状态S0
283
164
705
与目标状态Sg
216
408
753
验证程序的输出结果,写出心得体会。
(2)对代码进行修改(选作),实现深度优先搜索求解该问题
提示:
每次选扩展节点时,从数组的最后一个生成的节点开始找,找一个没有被扩展的节点。
这样也需要对节点添加一个就是否被扩展过的标志。
4源代码及实验结果截图
#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与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]={
2,1,6,4,0,8,7,5,3
};
//------------------------------------------------------------------------
//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;
}
}
//------------------------------------------------------------------------
//判断两个数组就是否相等函数入口
//------------------------------------------------------------------------
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;
}
//------------------------------------------------------------------------
//判断后继节点就是否存在于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与
//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与
//------------------------------------------------------------------------
intwrong_sum(ints[3][3])
{
inti,j,fi,fj,sum=0;
for(i=0;i<3;i++)
for(j=0;j<3;j++)
{
for(fi=0;fi<3;fi++)
for(fj=0;fj<3;fj++)
if((final_s[fi][fj]==s[i][j])){
sum+=fabs(i-fi)+fabs(j-fj);
break;
}
}
returnsum;
}
//------------------------------------------------------------------------
//获取后继结点函数入口
//检查空格每种移动的合法性,如果合法则移动空格得到后继结点
//------------------------------------------------------------------------
intget_successor(structNode*BESTNODE,intdirection,structNode*Successor)//扩展BESTNODE,产生其后继结点SUCCESSOR
{
inti,j,i_0,j_0,temp;
for(i=0;i<3;i++)
for(j=0;j<3;j++)
Successor->s[i][j]=BESTNODE->s[i][j];
//获取空格所在位置
for(i=0;i<3;i++)
for(j=0;j<3;j++)
if(BESTNODE->s[i][j]==0){i_0=i;j_0=j;break;}
switch(direction)
{
case0:
if((i_0-1)>-1){
temp=Successor->s[i_0][j_0];
Successor->s[i_0][j_0]=Successor->s[i_0-1][j_0];
Successor->s[i_0-1][j_0]=temp;
return1;
}
elsereturn0;
case1:
if((j_0-1)>-1){
temp=Successor->s[i_0][j_0];
Successor->s[i_0][j_0]=Successor->s[i_0][j_0-1];
Successor->s[i_0][j_0-1]=temp;
return1;
}
elsereturn0;
case2:
if((j_0+1)<3){
temp=Successor->s[i_0][j_0];
Successor->s[i_0][j_0]=Successor->s[i_0][j_0+1];
Successor->s[i_0][j_0+1]=temp;
return1;
}
elsereturn0;
case3:
if((i_0+1)<3){
temp=Successor->s[i_0][j_0];
Successor->s[i_0][j_0]=Successor->s[i_0+1][j_0];
Successor->s[i_0+1][j_0]=temp;
return1;
}
elsereturn0;
}
}
//------------------------------------------------------------------------
//从OPen表获取最佳节点函数入口
//------------------------------------------------------------------------
structNode*get_BESTNODE(structNode*Open)
{
returnOpen->next;
}
//------------------------------------------------------------------------
//输出最佳路径函数入口
//------------------------------------------------------------------------
voidprint_Path(structNode*head)
{
structNode*q,*q1,*p;
inti,j,count=1;
p=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));
//通过头插法变更节点输出次序
p->previous=NULL;
q=head;
while(q)
{
q1=q->previous;
q->previous=p->previous;
p->previous=q;
q=q1;
}
q=p->previous;
while(q)
{
if(q==p->previous)printf("八数码的初始状态:
\n");
elseif(q->previous==NULL)printf("八数码的目标状态:
\n");
elseprintf("八数码的中间态%d\n",count++);
for(i=0;i<3;i++)
for(j=0;j<3;j++)
{
printf("%4d",q->s[i][j]);
if(j==2)printf("\n");
}
printf("f=%d,g=%d\n\n",q->f,q->g);
q=q->previous;
}
}
//------------------------------------------------------------------------
//A*子算法入口:
处理后继结点
//------------------------------------------------------------------------
voidsub_A_algorithm(structNode*Open,structNode*BESTNODE,structNode*Closed,structNode*Successor)
{
structNode*Old_Node=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));
Successor->previous=BESTNODE;//建立从successor返回BESTNODE的指针
Successor->g=BESTNODE->g+1;//计算后继结点的g值
//检查后继结点就是否已存在于Open与Closed表中,如果存在:
该节点记为old_Node,比较后继结点的g值与表中old_Node节点
//g值,前者小代表新的路径比老路径更好,将Old_Node的父节点改为BESTNODE,并修改其f,g值,后者小则什么也不做。
//即不存在Open也不存在Closed表则将其加入OPen表,并计算其f值
if(exit_Node(Open,Successor->s,Old_Node)){
if(Successor->gg){
Old_Node->next->previous=BESTNODE;//将Old_Node的父节点改为BESTNODE
Old_Node->next->g=Successor->g;//修改g值
Old_Node->next->f=Old_Node->g+wrong_sum(Old_Node->s);//修改f值
//排序~~~~~~~~~~~~~~~~~~
del_Node(Open,Old_Node);
Add_Node(Open,Old_Node);
}
}
elseif(exit_Node(Closed,Successor->s,Old_Node)){
if(Successor->gg){
Old_Node->next->previous=BESTNODE;
Old_Node->next->g=Successor->g;
Old_Node->next->f=Old_Node->g+wrong_sum(Old_Node->s);
//排序~~~~~~~~~~~~~~~~~~
del_Node(Closed,Old_Node);
Add_Node(Closed,Old_Node);
}
}
else{
Successor->f=Successor->g+wrong_sum(Successor->s);
Add_Node(Open,Successor);
open_N++;
}
}
//------------------------------------------------------------------------
//A*算法入口
//八数码问题的启发函数为:
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与
//------------------------------------------------------------------------
voidA_algorithm(structNode*Open,structNode*Closed)//A*算法
{
inti,j;
structNode*BESTNODE,*inital,*Successor;
inital=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));
//初始化起始节点
for(i=0;i<3;i++)
for(j=0;j<3;j++)
inital->s[i][j]=inital_s[i][j];
inital->f=wrong_sum(inital_s);
inital->g=0;
inital->previous=NULL;
inital->next=NULL;
Add_Node(Open,inital);//把初始节点放入OPEN表
open_N++;
while
(1)
{
if(open_N==0){printf("failure!
");return;}
else{
BESTNODE=get_BESTNODE(Open);//从OPEN表获取f值最小的BESTNODE,将其从OPEN表删除并加入CLOSED表中
del_Node(Open,BESTNODE);
open_N--;
Add_Node(Closed,BESTNODE);
if(equal(BESTNODE->s,final_s)){//判断BESTNODE就是否为目标节点
printf("success!
\n");
print_Path(BESTNODE);
return;
}
//针对八数码问题,后继结点Successor的扩展方法:
空格(二维数组中的0)上下左右移动,
//判断每种移动的有效性,有效则转向A*子算法处理后继节点,否则进行下一种移动
else{
Successor=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));Successor->next=NULL;
if(get_successor(BESTNODE,0,Successor))sub_A_algorithm(Open,BESTNODE,Closed,Successor);
Successor=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));Successor->next=NULL;
if(get_successor(BESTNODE,1,Successor))sub_A_algorithm(Open,BESTNODE,Closed,Successor);
Successor=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));Successor->next=NULL;
if(get_successor(BESTNODE,2,Successor))sub_A_algorithm(Open,BESTNODE,Closed,Successor);
Successor=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));Successor->next=NULL;
if(get_successor(BESTNODE,3,Successor))sub_A_algorithm(Open,BESTNODE,Closed,Successor);
}
}
}
}
//------------------------------------------------------------------------
//main()函数入口
//定义Open与Closed列表。
Open列表:
保存待检查节点。
Closed列表:
保存不需要再检查的节点
//------------------------------------------------------------------------
voidmain()
{
structNode*Open=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));
structNode*Closed=(structNode*)malloc(sizeof(structNode));
Open->next=NULL;Open->previous=NULL;
Closed->next=NULL;Closed->previous=NULL;
A_algorithm(Open,Closed);
}