Matlab和python详解数独谜题问题

🔗 运行环境：Matlab、Python

🚩 撰写作者：左手の明天

🥇 精选专栏：《python》

🔥  推荐专栏：《算法研究》

🔐#### 防伪水印——左手の明天 ####🔐

💗 大家好🤗🤗🤗，我是左手の明天！好久不见💗

💗今天分享算法——数独谜题问题💗

📆  最近更新：2023 年 12 月 04 日，左手の明天的第 299 篇原创博客

📚 更新于专栏：matlab

🔐#### 防伪水印——左手の明天 ####🔐

目录

一、数独谜题

二、整数规划求解数独

1.1 理解问题

1.2 建立数学模型

1.3 定义变量和约束条件

1.4 使用整数规划求解

三、决策变量的取值

四、MATLAB整数规划求解数独问题

五、MATLAB回溯法求解数独问题

六、Python求解数独问题

七、提高数独求解程序的效率

八、优化算法提高数独求解效率措施

回溯法的优化：

数对法和唯余法的优化：

并行计算：

机器学习算法的应用：

代码优化：

预处理和后处理：

算法集成：

动态规划的应用：

数学定理的应用：

人工智能技术的应用：

一、数独谜题

数独是一种流行的逻辑推理游戏，玩家需要将数字填入一个9x9的网格，使得每行、每列和每个3x3的子网格中都包含1-9的数字，且每个数字只出现一次。数独谜题的目标是填充缺失的数字，使得满足上述条件。整数规划是一种求解数学问题的方法，可以将数独问题转化为整数规划问题，从而通过数学模型求解。

第一行 B(1,2,2) 表示第 1 行第 2 列的整数提示为 2。第二行 B(1,5,3) 表示第 1 行第 5 列的整数提示为 3。以下是整个矩阵 B。

B = [1,2,2;
    1,5,3;
    1,8,4;
    2,1,6;
    2,9,3;
    3,3,4;
    3,7,5;
    4,4,8;
    4,6,6;
    5,1,8;
    5,5,1;
    5,9,6;
    6,4,7;
    6,6,5;
    7,3,7;
    7,7,6;
    8,1,4;
    8,9,8;
    9,2,3;
    9,5,4;
    9,8,2];

drawSudoku(B) % For the listing of this program, see the end of this example.

二、整数规划求解数独

整数规划求解数独问题是一个复杂而有趣的领域，需要理解问题的本质，定义合适的变量，建立数学模型，并使用有效的求解方法进行求解。以下是求解数独谜题的步骤：

1.1 理解问题

数独是一种基于逻辑的填数字游戏，目的是在9x9的网格中填充数字1-9，使得每行、每列和每个3x3的子网格中都包含1-9的数字，且每个数字只出现一次。数独谜题通常由一组已填充的数字和一组空白格子组成，我们需要通过推理和逻辑判断来填充缺失的数字。

1.2 建立数学模型

整数规划的基本形式是：最小化一个线性函数（目标函数），使得一组线性不等式（约束条件）成立，且某些决策变量取整数值。在数独问题中，可以将每个数字看作一个决策变量，如果某个数字在某个位置上非负，则该变量的取值为1，否则为0。同时，可以定义一组线性不等式来描述数独的约束条件。

1.3 定义变量和约束条件

假设X是一个9x9的矩阵，其中X[i][j]表示第i行第j列的数字。定义变量x[i][j]，如果X[i][j]非负，则x[i][j]=1，否则x[i][j]=0。同时，定义变量y[i][j]表示第i行第j列的格子是否已经被填入数字（如果填入数字则y[i][j]=1，否则y[i][j]=0）。另外，定义z[i][j][k]表示第i行第j列的格子是否被填入数字k（如果填入数字k则z[i][j][k]=1，否则z[i][j][k]=0）。在这个模型中，我们需要在所有y[i][j]=0的位置填入合适的数字，使得所有z[i][j][k]=1的位置都满足k=1-9。

约束条件包括：

• 所有z[i][j][k]的总和等于1（每个格子只能填入一个数字）
• 所有z[i][j][1-9]的总和等于X[i][j]（每个格子填入的数字等于其左上角标出的数字）
• 所有z[i][j][k]的总和小于等于y[i][j]（每个格子填入的数字只能是整数）
• 所有y[i][j]的总和小于等于80（每行最多只能填入8个数字）
• 所有y[i][j]的总和等于81（每行必须填入9个数字）
• 所有X[i][j]的总和等于81（每行必须填入9个数字）
• 所有X[i][j]的总小于等于80（每行最多只能填入8个数字）

目标函数：最小化所有决策变量的和，即最小化所有填充数字的数量。 约束条件：每行、每列和每个3x3的子网格中都包含1-9的数字，且每个数字只出现一次。这可以通过以下不等式表示：

z[i][j][k] + z[i][j][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i][j][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i-1][j][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i+1][j][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i][j-1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i][j+1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i-1][j-1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i-1][j+1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i+1][j-1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

z[i][j][k] + z[i+1][j+1][k'] <= 1, 对于所有i, j, k, k'

其中，z[i][j][k]表示第i行第j列填入数字k的格子的决策变量。以上不等式表示每个格子只能填入一个数字，且每个数字只能填入一次。 决策变量：对于每个数字1-9，我们定义一个决策变量z[i][j][k]，表示第i行第j列填入数字k的格子的决策变量。决策变量的取值为0或1。

1.4 使用整数规划求解

使用整数规划求解数独问题可以通过以下步骤实现：

（1）初始化决策变量：将所有决策变量初始化为0。

（2）设置目标函数：将目标函数设置为所有决策变量的和，即最小化填充数字的数量。

（3）添加约束条件：将上述建立的约束条件添加到模型中。

（4）使用整数规划求解器进行求解：使用常见的整数规划求解器（如CPLEX、Gurobi等）进行求解。在求解过程中，需要将数独问题转化为标准的整数规划问题，并使用合适的求解算法进行求解。

（5）解码和解谜：在得到解后，需要将解解码成对应的数独答案，并进行验证和解谜。解码的过程需要将决策变量转换为具体的数字填充结果，并检查是否满足数独的规则和要求。如果得到的结果符合要求，则解谜成功；否则需要进行进一步的推理和判断。

三、决策变量的取值

在整数规划求解数独问题时，决策变量的取值确定是通过以下步骤实现的：

1. 初始化决策变量：将所有决策变量初始化为0，表示初始状态下所有格子都是空的。
2. 填充决策变量：通过推理和逻辑判断，确定每个格子的数字填充结果，即决策变量的取值。在填充决策变量时，需要满足数独的规则和要求，即每行、每列和每个3x3的子网格中都包含1-9的数字，且每个数字只出现一次。
3. 验证和解码：在得到解后，需要将解解码成对应的数独答案，并进行验证和解谜。解码的过程需要将决策变量转换为具体的数字填充结果，并检查是否满足数独的规则和要求。如果得到的结果符合要求，则解谜成功；否则需要进行进一步的推理和判断。

需要注意的是，整数规划求解数独问题时，得到的解可能不是唯一的，因此需要进行充分的验证和解码，以得到所有符合要求的解。同时，整数规划求解数独问题的方法也有一定的局限性，可能存在某些特殊情况无法通过此方法得到解。

四、MATLAB整数规划求解数独问题

以下是一个使用MATLAB整数规划求解数独问题的示例代码：

% 创建数独矩阵
X = zeros(9,9); % 初始为全零矩阵
% 填充已知数字
X(1,5) = 1; X(2,3) = 2; X(2,4) = 4; X(3,1) = 3; X(3,2) = 5; X(3,6) = 6; X(4,1) = 7; X(4,2) = 8; X(4,3) = 9;
X(5,4) = 7; X(6,2) = 6; X(6,3) = 8; X(7,1) = 5; X(7,2) = 9; X(7,4) = 4; X(7,6) = 2; X(8,1) = 3; X(8,3) = 1; X(8,5) = 9; X(8,7) = 8;
X(9,4) = 5; X(9,5) = 7; X(9,6) = 9; X(9,7) = 3; X(9,8) = 6);
 
% 定义决策变量
z = zeros(9,9); % 初始为全零矩阵
for i=1:9
    for j=1:9
        if X(i,j)==0 % 如果格子为空，定义决策变量为0
            z(i,j)=0;
        else % 如果格子不为空，定义决策变量为1-9之间的数字
            z(i,j)=X(i,j);
        end
    end
end
 
% 设置目标函数和约束条件
Aeq=[]; beq=[]; Aineq=[]; bineq=[]; lb=0; ub=0; varnames=[]; obj=0;
for i=1:9
    for j=1:9
        if z(i,j)==0 % 如果格子为空，设置目标函数和约束条件为最小化填充数字的数量
            obj=obj+1; % 目标函数为最小化填充数字的数量
            Aineq=[Aineq -3*ones(1,9)]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8]; % 每列最多只能填充8个数字的约束条件
            Aineq=[Aineq -3*ones(9,1)]; % 每列最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
            Aineq=[Aineq -3*ones(3,3)]; % 每3x3子网格最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
        else % 如果格子不为空，设置目标函数和约束条件为最小化填充数字的数量，并设置格子中填入的数字为已知量
            obj=obj+0; % 目标函数为最小化填充数字的数量
            Aineq=[Aineq -3*ones(1,9)*z(i,j)]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8*z(i,j)]; % 每列最多只能填充8个数字的约束条件
            Aineq=[Aineq -3*ones(9,1)*z(i,j)]; % 每列最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8*z(i,j)]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
            Aineq=[Aineq -3*ones(3,3)*z(i,j)]; % 每3x3子网格最多只能填充8个数字的约束条件
            bineq=[bineq -8*z(i,j)]; % 每行最多只能填充8个数字的约束条件
        end  
    end  
end

五、MATLAB回溯法求解数独问题

在MATLAB中求解数独，可以使用回溯法，这是一种试错的方法，它尝试分步解决问题。如果当前的解决方案不能被接受，就会“回溯”并寻找下一个可能的解决方案。

以下是一个MATLAB求解数独的示例代码：

	function solve_sudoku(board)
    % board: 9x9 矩阵，其中0表示空格，其他数字表示填入的数字
    % 返回值: 填充完成的数独矩阵
 
    % 检查输入矩阵是否有效
    if board(1,1) == 0 || board(9,9) == 0 || board(1,9) == 0 || board(9,1) == 0
        error('输入的数独矩阵无效。');
    end
 
    % 填充函数，返回填充的数字或0（如果无法填充）
    function num = fill_cell(row, col)
        % 检查该位置是否已填或超出范围
        if row < 1 || row > 9 || col < 1 || col > 9 || board(row, col) ~= 0
            error('无效的行或列。');
        end
        
        % 从1-9中查找可能的数字
        for num = 1:9
            if all(board(row, :) == num) || all(board(:, col) == num) || all(board(1:3:end, 1:3:end) == num)
                % 在该位置填充数字并返回
                board(row, col) = num;
                return;
            end
        end
        % 如果无法找到数字，返回0表示无法填充
        board(row, col) = 0;
        return;
    end
 
    % 从第一行开始，依次填充每个空格
    for col = 1:9
        for row = 1:9
            if board(row, col) == 0 % 如果当前位置是空格，则尝试填充数字
                fill_cell(row, col);
            end
        end
    end
    % 检查是否所有空格都已填充，如果是则返回完成的数独矩阵，否则返回错误信息
    if any(board(:) == 0) % 如果还有空格未填充，则返回错误信息
        error('无法解决该数独。');
    end
end

 这段代码首先检查输入的数独矩阵是否有效（即没有空格出现在第一行、第一列、第一宫或者最后一行、最后一列、最后一宫），然后使用嵌套循环遍历每一个空格，并调用fill_cell函数尝试填充数字。如果某个空格无法填充数字（即该位置所在的行、列、宫中已经包含了相同的数字），则将该空格标记为0表示无法填充。最后，检查是否所有的空格都已经被填充，如果有未被填充的空格，则返回错误信息表示该数独无解。如果所有的空格都被成功填充，则返回完成的数独矩阵。

六、Python求解数独问题

在Python中求解数独问题可以使用多种方法，其中一种简单的方法是基于回溯算法的实现。下面是一个使用Python实现的基于回溯算法的数独求解示例代码：

def solve_sudoku(board):
    """
    求解数独问题的函数，使用回溯算法实现
    :param board: 9x9的数独矩阵，其中0表示空格，其他数字表示填入的数字
    :return: 填充完成的数独矩阵
    """
    if board[0][0] == 0:  # 如果第一个空格存在，则无法求解该数独
        return None
    solve_cell(board, 0, 0)  # 从第一个空格开始求解
    if board[0][0] == 0:  # 检查是否所有空格都已填充，否则返回错误信息
        return None
    return board
 
def solve_cell(board, row, col):
    """
    填充单个空格的函数，使用回溯算法实现
    :param board: 9x9的数独矩阵，其中0表示空格，其他数字表示填入的数字
    :param row: 要填充的空格所在行号（从0开始）
    :param col: 要填充的空格所在列号（从0开始）
    """
    if board[row][col] != 0:  # 如果该空格已填充，则返回
        return None
    for num in range(1, 10):  # 尝试从1-9中查找可能的数字
        if is_valid(board, row, col, num):  # 检查该数字是否合法
            board[row][col] = num  # 在该位置填充数字并返回
            if solve_cell(board, row - 1, col) is None:  # 检查下一行同一列的空格是否可填充
                board[row][col] = 0  # 如果不可填充，则回溯并将该空格置为0
            else:
                return board  # 如果可填充，则返回完成的数独矩阵
        board[row][col] = 0  # 如果当前数字不可填充，则回溯并将该空格置为0
    return None  # 如果无法填充任何数字，则返回错误信息
 
def is_valid(board, row, col, num):
    """
    检查某个数字是否合法，即是否在同一行、同一列或同一宫中出现过
    :param board: 9x9的数独矩阵，其中0表示空格，其他数字表示填入的数字
    :param row: 要检查的数字所在行号（从0开始）
    :param col: 要检查的数字所在列号（从0开始）
    :param num: 要检查的数字（从1开始）
    :return: True表示该数字合法，False表示该数字不合法
    """
    for i in range(9):  # 检查同一行中是否有相同的数字出现
        if board[row][i] == num:
            return False
    for i in range(9):  # 检查同一列中是否有相同的数字出现
        if board[i][col] == num:
            return False
    for i in range(3):  # 检查同一宫中是否有相同的数字出现
        for j in range(3):  # 宫的行列偏移量为(3n-2,3n-2)（n为宫编号）
            if board[i + row // 3 * 3 - 2][j + col // 3 * 3 - 2] == num:
                return False
    return True  # 如果以上条件均不满足，则该数字合法，返回True

七、提高数独求解程序的效率

提高数独求解程序的效率可以从以下几个方面入手：

1. 优化算法：选择合适的算法是提高数独求解程序效率的关键。对于回溯法，可以通过剪枝、分支限界等技术来减少搜索树的大小，提高搜索效率。对于数对法和唯余法，可以通过优化查找和验证候选数字的过程来提高效率。
2. 使用数据结构：使用适当的数据结构可以加快程序的运行速度。例如，使用哈希表可以快速查找和验证候选数字，使用位图可以快速标记单元格的值。
3. 并行计算：如果程序支持并行计算，可以尝试使用多线程或分布式计算来加速求解过程。通过将数独题目划分为多个子问题，并使用多个计算资源同时解决这些子问题，可以显著缩短求解时间。
4. 机器学习：可以使用机器学习算法来提高程序的效率。例如，通过训练一个预测模型来预测数独题目的难度等级，以便程序在解决较难题目时使用更复杂的算法和更多的计算资源。
5. 代码优化：通过对程序进行代码优化，可以减少程序的运行时间和内存占用。例如，优化循环结构、减少不必要的计算、使用适当的数据类型等。
6. 硬件升级：通过升级计算机硬件，可以提高程序的运行速度。例如，使用更快的CPU、更大的内存、更快的硬盘等。

综上所述，提高数独求解程序的效率需要综合考虑算法、数据结构、并行计算、机器学习、代码优化和硬件升级等多个方面。

八、优化算法提高数独求解效率措施

优化算法以提高数独求解程序的效率可以采取以下措施：

1. 回溯法的优化：

   • 剪枝：在搜索树中，可以通过剪枝来排除一些不可能的分支，减少搜索范围。例如，如果某个分支中的某个单元格的候选数字只有唯一的一个，那么这个分支肯定不是正确答案，可以直接排除。
   • 分支限界：在搜索树中，可以设定一个界限来限制搜索深度，或者设定多个界限来平衡搜索深度和广度，从而提高搜索效率。

2. 数对法和唯余法的优化：

   • 快速查找和验证候选数字：使用哈希表等数据结构来存储和查找候选数字，减少查找和验证的时间。
   • 优化冲突检测：在验证候选数字时，可以通过一些技巧来快速检测冲突，避免不必要的计算。

3. 并行计算：

   • 将数独题目划分为多个子问题，每个子问题使用一个线程或进程进行求解。
   • 使用多线程或多进程可以同时处理多个子问题，从而提高求解效率。

4. 机器学习算法的应用：

   • 使用机器学习算法对数独题目进行分类，根据题目类型选择合适的算法和参数。
   • 通过机器学习算法对历史解法进行分析和总结，从而优化搜索策略和算法参数。

5. 代码优化：

   • 优化循环结构，减少冗余计算。
   • 使用适当的数据类型和内存管理技巧，提高程序的内存使用效率。

6. 预处理和后处理：

   • 对输入的数独题目进行预处理，例如去除重复的数字、填充默认值等。
   • 对求解结果进行后处理，例如去除冗余的数字、检查答案的合理性等。

7. 算法集成：

   • 将不同的算法进行集成，形成混合算法。例如将回溯法、数对法和唯余法进行集成，根据题目类型和难度自动选择合适的算法进行求解。
   • 通过算法集成可以实现各算法的优势互补，从而提高求解效率和准确性。

8. 动态规划的应用：

   • 在数独求解中引入动态规划的思想，通过状态转移和状态压缩等技术减少冗余计算。
   • 使用动态规划可以避免重复计算相同的子问题，从而提高求解效率。

9. 数学定理的应用：

   • 利用数学定理来推导数独题目的解法，从而减少不必要的计算。例如，通过应用数学定理来判断某个单元格的值是否唯一，从而排除一些不可能的候选数字。

10. 人工智能技术的应用：

    • 使用人工智能技术中的启发式搜索算法来指导搜索过程，从而减少搜索范围和提高搜索效率。例如，使用A*算法来选择下一个要探索的分支。