算法提高课 第二章 搜索之双向广搜和A*
作者：互联网
一、双向广搜
190. 字串变换
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <unordered_map>
#include <queue>
using namespace std;
const int N = 6;
int n;
string a[N],b[N];
int extend(queue<string>&q,unordered_map<string,int>&da,unordered_map<string,int>&db,string a[],string b[])
{
string t = q.front();q.pop();
for(int i = 0;i<t.size();i++) //枚举起点
{
for(int j = 0;j<n;j++) //枚举变换规则
{
if(t.substr(i,a[j].size()) == a[j]) //匹配子串成功，则尝试替换
{
string state = t.substr(0,i) + b[j] + t.substr(i+a[j].size()); //替换与拼接成新的字符串
if(db.count(state)) return da[t] + 1 + db[state]; //如果在b到a的变换中有记录，即成功会师
//变换次数为a到t + 替换的一次 + b到state
if(da.count(state)) continue; //如果已经搜过了
da[state] = da[t] + 1; //更新距离
q.push(state); //加入队列
}
}
}
return 11;
}
int bfs(string A,string B)
{
queue<string>qa,qb;
unordered_map<string,int>da,db;
qa.push(A),da[A] = 0;
qb.push(B),db[B] = 0;
while(qa.size() && qb.size()) //两个队列都不为空时，才进行搜索，否则一定没有方案
{
int t;
if(qa.size() <= qb.size()) //选择队列长度较小的
{
t = extend(qa,da,db,a,b); //起点开始拓展
}
else t = extend(qb,db,da,b,a);//终点开始拓展
if(t<=10) return t;
}
return 11;
}
int main()
{
string A,B;
cin>>A>>B;
while(cin>>a[n]>>b[n]) n++; //统计变换规则及次数
if(A == B)
{
cout<<0<<endl;
return 0;
}
int step = bfs(A,B);
if(step > 10) puts("NO ANSWER!");
else cout<<step<<endl;
return 0;
}
二、A*算法(边权非负即可)
在dijkstra的基础上改进，可以认为dijkstra是特殊的A*算法
- 把bfs中的队列替换成优先队列(小根堆)
- 优先队列中不仅存储从起点到当前点的真实距离，还要存储从当前点到终点的估价距离
- 每次选择预测距离最小的点来拓展
核心条件：1.估计距离必须不大于真实距离，越接近越好 2.题目必须有解，否则会遍历全部情况
注意事项：A*不能保证除终点外其他所有点第一次出队时就是最优解，且每个点可能会被遍历多次
八数码
估价函数：当前状态的每个数与其真实位置的曼哈顿距离之和
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <unordered_map>
#include <queue>
using namespace std;
typedef pair<int, string> PII;
const int N = 9;
string start,seq;
int f(string state) //估价函数：计算当前状态中每个"数字"的实际坐标与正确坐标的曼哈顿距离之和
{
int res = 0;
for(int i = 0;i<state.size();i++)
{
if(state[i]!='x')
{
int x = state[i] - '1';
res += abs(i/3 - x/3) + abs(i%3 - x%3);//横纵坐标之差，注意加上绝对值
}
}
return res;
}
string Astar(string start)
{
string end = "12345678x";//终点
char d[] = "dlru";//最好按照字典序进行搜索
int dx[4] = {1,0,0,-1},dy[4] = {0,-1,1,0};
priority_queue<PII,vector<PII>,greater<PII>>heap;
unordered_map<string,int>dist;//与起点的实际距离
unordered_map<string,pair<char,string>>prev;//记录当前状态的上一个状态以及如何转移的
dist[start] = 0;
heap.push({f(start),start});//注意：加入的是估价函数
while(!heap.empty())
{
PII t = heap.top();heap.pop();
string state = t.second;
if(state == end) break;
int x,y;
for(int i = 0;i<state.size();i++) //找出x的坐标
{
if(state[i] == 'x')
{
x = i/3,y = i % 3;
break;
}
}
string before = state;//暂存该状态，为转移做准备
for(int i = 0;i<4;i++)
{
int nx = x + dx[i],ny = y + dy[i];
if(nx<0||nx>2||ny<0||ny>2) continue;
state = before;//每次只能交换一次
swap(state[nx*3+ny],state[x*3+y]);
if(!dist.count(state)||dist[state] > dist[before] + 1)//若从未更新过 or 有更短的步数
{
dist[state] = dist[before] + 1;
heap.push({dist[state] + f(state),state});//注意：必须加入估价函数
prev[state] = {d[i],before};//记录上一状态与转移方法
}
}
}
string res;
string cur = end;
while(cur!=start) //处理答案
{
res += prev[cur].first;
cur = prev[cur].second;
}
reverse(res.begin(),res.end()); //由终点反推到起点，故必须翻转
return res;
}
int main()
{
char c;
for(int i = 0;i<9;i++)
{
cin>>c;
start += c;
if(c!='x') seq += c;
}
int cnt = 0;//处理状态中逆序对的个数
for(int i = 0;i<8;i++)
{
for(int j = i;j<8;j++)
{
if(seq[j] < seq[i]) ++cnt;
}
}
if(cnt % 2 == 1) puts("unsolvable");//若起始状态中逆序对的个数不为偶数，则无解
else cout<<Astar(start)<<endl;
return 0;
}
178. 第K短路
猜想：第1次出队时，是最短路，第K次出队时，是第K短路
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <queue>
using namespace std;
const int N = 1010,M = 2e4 + 20;
typedef pair<int, int> PII;
typedef pair<int, pair<int,int> > PIII;//估价距离,<实际距离,结点号>
int h[N],e[M],ne[M],w[M],idx;
int rh[N];//建立反向边的头结点，用于计算估价函数
int dist[N];//从终点到其他点的单源最短路距离
bool st[N];
int n,m;
int s,d,k;
void add(int h[],int a,int b,int c)
{
e[idx] = b;
w[idx] = c;
ne[idx] = h[a];
h[a] = idx++;
}
void Dijkstra() //估价函数：从终点到其他点的单源最短路距离
{
priority_queue<PII,vector<PII>,greater<PII> >heap;
memset(dist,0x3f,sizeof dist);
dist[d] = 0;
heap.push({dist[d],d});
while(!heap.empty())
{
PII t = heap.top();heap.pop();
int num = t.second;
if(st[num]) continue;
st[num] = 1;
for(int i = rh[num];i!=-1;i=ne[i])
{
int j = e[i];
if(dist[j] > dist[num] + w[i])
{
dist[j] = dist[num] + w[i];
heap.push({dist[j],j});
}
}
}
return;
}
int Astar()
{
priority_queue<PIII,vector<PIII>,greater<PIII> >heap; //根据估价距离形成的小根堆
heap.push({dist[s],{0,s}});
int cnt = 0;
while(!heap.empty())
{
PIII t = heap.top();heap.pop();
int dis = t.second.first,num = t.second.second;
if(num == d) ++cnt;
if(cnt == k) return dis;//第k次出队时，说明实际距离是第k短路
for(int i = h[num];i!=-1;i=ne[i])
{
int j = e[i];
heap.push({dis + w[i] + dist[j],{dis + w[i],j}});//注意：估价函数发生了变化，变成从起点到终点
}
}
return -1;
}
int main()
{
memset(h, -1, sizeof h);
memset(rh,-1,sizeof rh);
scanf("%d%d", &n, &m);
while (m -- )
{
int a,b,c;
scanf("%d%d%d",&a,&b,&c);
add(h,a,b,c);
add(rh,b,a,c);
}
scanf("%d%d%d", &s, &d,&k);
if(s == d) ++k;
Dijkstra();
if(dist[s] == 0x3f3f3f3f) cout<<-1<<endl;//注意：当无方案/路可到达时，不能用A*算法
//终点到起点距离无穷大说明无法到达
else cout<<Astar()<<endl;
return 0;
}
标签：include,dist,string,int,state,算法,heap,双向,第二章 来源： https://www.cnblogs.com/zjq182/p/16464286.html