1、概述
给定4个整数,当中每一个数字仅仅能使用一次;随意使用 + - * / ( ) ,构造出一个表达式,使得终于结果为24,这就是常见的算24点的游戏。这方面的程序非常多,一般都是穷举求解。本文介绍一种典型的算24点的程序算法,并给出两个详细的算24点的程序:一个是面向过程的C实现,一个是面向对象的java实现。
2、基本原理
基本原理是穷举4个整数全部可能的表达式,然后对表达式求值。
表达式的定义: expression = (expression|number) operator (expression|number)
由于能使用的4种运算符 + - * / 都是2元运算符,所以本文中仅仅考虑2元运算符。2元运算符接收两个參数,输出计算结果,输出的结果參与兴许的计算。
由上所述,构造全部可能的表达式的算法例如以下:
(1) 将4个整数放入数组中
(2) 在数组中取两个数字的排列,共同拥有 P(4,2) 种排列。对每个排列,
(2.1) 对 + - * / 每个运算符,
(2.1.1) 依据此排列的两个数字和运算符,计算结果
(2.1.2) 改表数组:将此排列的两个数字从数组中去除掉,将 2.1.1 计算的结果放入数组中
(2.1.3) 对新的数组,反复步骤 2
(2.1.4) 恢复数组:将此排列的两个数字增加数组中,将 2.1.1 计算的结果从数组中去除掉
可见这是一个递归过程。步骤 2 就是递归函数。当数组中仅仅剩下一个数字的时候,这就是表达式的终于结果,此时递归结束。
在程序中,一定要注意递归的现场保护和恢复,也就是递归调用之前与之后,现场状态应该保持一致。在上述算法中,递归现场就是指数组,2.1.2 改变数组以进行下一层递归调用,2.1.3 则恢复数组,以确保当前递归调用获得下一个正确的排列。
括号 () 的作用仅仅是改变运算符的优先级,也就是运算符的计算顺序。所以在以上算法中,无需考虑括号。括号仅仅是在输出时需加以考虑。
3、面向过程的C实现
这是 csdn 算法论坛前版主海星的代码,程序很简练、精致:
#include
#include
#include
using namespace std;
const double PRECISION = 1E-6;
const int COUNT_OF_NUMBER = 4;
const int NUMBER_TO_BE_CAL = 24;
double number[COUNT_OF_NUMBER];
string expression[COUNT_OF_NUMBER];
bool Search(int n)
{
if (n == 1) {
if ( fabs(number[0] - NUMBER_TO_BE_CAL) < PRECISION ) {
cout << expression[0] << endl;
return true;
} else {
return false;
}
}
for (int i = 0; i < n; i++) {
for (int j = i + 1; j < n; j++) {
double a, b;
string expa, expb;
a = number[i];
b = number[j];
number[j] = number[n - 1];
expa = expression[i];
expb = expression[j];
expression[j] = expression[n - 1];
expression[i] = ‘(‘ + expa + ‘+‘ + expb + ‘)‘;
number[i] = a + b;
if ( Search(n - 1) ) return true;
expression[i] = ‘(‘ + expa + ‘-‘ + expb + ‘)‘;
number[i] = a - b;
if ( Search(n - 1) ) return true;
expression[i] = ‘(‘ + expb + ‘-‘ + expa + ‘)‘;
number[i] = b - a;
if ( Search(n - 1) ) return true;
expression[i] = ‘(‘ + expa + ‘*‘ + expb + ‘)‘;
number[i] = a * b;
if ( Search(n - 1) ) return true;
if (b != 0) {
expression[i] = ‘(‘ + expa + ‘/‘ + expb + ‘)‘;
number[i] = a / b;
if ( Search(n - 1) ) return true;
}
if (a != 0) {
expression[i] = ‘(‘ + expb + ‘/‘ + expa + ‘)‘;
number[i] = b / a;
if ( Search(n - 1) ) return true;
}
number[i] = a;
number[j] = b;
expression[i] = expa;
expression[j] = expb;
}
}
return false;
}
void main()
{
for (int i = 0; i < COUNT_OF_NUMBER; i++) {
char buffer[20];
int x;
cin >> x;
number[i] = x;
itoa(x, buffer, 10);
expression[i] = buffer;
}
if ( Search(COUNT_OF_NUMBER) ) {
cout << "Success." << endl;
} else {
cout << "Fail." << endl;
}
}
使用任一个 c++ 编译器编译就可以。
这个程序的算法与 2、基本原理所述的算法基本同样。当中 bool Search(int n) 就是递归函数,double number[] 就是数组。程序中比較重要的地方解释例如以下:
(1) string expression[] 存放每一步产生的表达式,最后的输出中要用到。expression[] 与 number[] 相似,也是递归调用的现场,必须在下一层递归调用前改变、在下一层递归调用后恢复。
(2) number[] 数组长度仅仅有4。在 search() 中,每次取出两个数后,使用局部变量 a, b 保存这两个数,同一时候数组中增加运算结果,并调整数组使得有效的数字都排列在数组前面。在下一层递归调用后,利用局部变量 a, b 恢复整个数组。对 expression[] 的处理与 number[] 相似。
(3) 由于 + * 满足交换率而 - / 不满足,所以程序中,从数组生成两个数的排列,
for (int i = 0; i < n; i++) {
for (int j = i + 1; j < n; j++) {
其内层循环 j 是从 i+1 -> n,而非从 0->n ,由于对于交换率来说,两个数字的顺序是无所谓的。当然,循环内部对 - / 做了特殊处理,计算了 a-b b-a a/b b/a 四种情况。
(4) 此程序仅仅求出第一个解。当求出第一个解时,通过层层 return true 返回并输出结果,然后程序结束。
(5) 以 double 来进行求解,定义精度,用以推断是否为 24 。考虑 (5-1/5)*5 这个表达式就知道这么做的原因了。
(6) 输出时,为每一个表达式都加入了括号。
原文:http://www.cnblogs.com/mfrbuaa/p/3790336.html