เข้าใจ Backtracking ด้วย Swift: ศาสตร์แห่งการค้นหาทางเลือก

 

 

Backtracking คืออะไร?

Backtracking ถือเป็นหนึ่งในกลยุทธ์การแก้ปัญหาในด้านอัลกอริธึมที่มีประโยชน์ โดยจะทำงานในรูปแบบการค้นหาทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงเมื่อทำการค้นหาคำตอบหรือแนวทางในการแก้ไขปัญหาที่มีหลายทางเลือก เช่น ปัญหา "N-Queens", "Sudoku", หรือ "Subset Sum" เป็นต้น

Backtracking จะช่วยให้เราสามารถค้นหาและเลือกทางเลือกที่ดีที่สุดในการแก้ปัญหา โดยจะเริ่มจากการเลือกตัวเลือกหนึ่ง ๆ และตรวจสอบว่า ตัวเลือกนั้นนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ถูกต้องหรือไม่ หากไม่ใช่ เราจะย้อนกลับมา (backtrack) และเลือกตัวเลือกใหม่ จากการเลือกที่ถูกต้อง

คุณสมบัติของ Backtracking

1. การเข้าถึงแบบ Recursive: Backtracking มักใช้รูปแบบการทำงานแบบ recursive ซึ่งช่วยในการจัดการกับปัญหาที่ค่อนข้างซับซ้อนออกเป็นหลาย ๆ ชั้น 2. การค้นหาทุกทางเลือก: Algorithm นี้มีความสามารถในการสำรวจทุกทางเลือกที่เป็นไปได้เพื่อหาคำตอบที่ดีที่สุด

 

Backtracking กับภาษา Swift

การที่จะเข้าใจ Backtracking ได้อย่างเข้าใจชัดเจน เรามาดูตัวอย่างโค้ดซึ่งจะใช้ในการแก้ปัญหา "N-Queens" กัน ในปัญหานี้ เราจะต้องวางราชินี N ตัว บนกระดานหมากรุก N x N โดยไม่ให้ราชินีตัวใดโดนกันเลย

ตัวอย่าง Code: N-Queens Problem

 import Foundation

func solveNQueens(_ n: Int) -> [[String]] {
    var results: [[String]] = []
    var board = Array(repeating: Array(repeating: ".", count: n), count: n)
    backtrack(&results, &board, 0, n)
    return results
}

func backtrack(_ results: inout [[String]], _ board: inout [[String]], _ row: Int, _ n: Int) {
    if row == n {
        let strBoard = board.map { String($0) }
        results.append(strBoard)
        return
    }

    for col in 0..<n {
        if isSafe(board, row, col) {
            board[row][col] = "Q"  // วางราชินี
            backtrack(&results, &board, row + 1, n)  // ย้ายไปยังแถวถัดไป
            board[row][col] = "."  // ถอนราชินีกลับ
        }
    }
}

func isSafe(_ board: [[String]], _ row: Int, _ col: Int) -> Bool {
    // ตรวจสอบคอลัมน์
    for i in 0..<row {
        if board[i][col] == "Q" {
            return false
        }
    }

    // ตรวจสอบแนวทแยง
    for i in stride(from: row, through: 0, by: -1) {
        let j = col - (row - i)
        if j >= 0 && board[i][j] == "Q" {
            return false
        }
    }

    // ตรวจสอบอีกแนวทแยง
    for i in stride(from: row, through: 0, by: -1) {
        let j = col + (row - i)
        if j < board.count && board[i][j] == "Q" {
            return false
        }
    }

    return true
}

// เรียกใช้งาน
let n = 4
let results = solveNQueens(n)
print(results)

ในโค้ดนี้ ฟังก์ชัน `solveNQueens` จะเตรียมกระดานหมากรุก และทำการเรียกใช้ฟังก์ชัน `backtrack` เพื่อวางราชินีในแต่ละแถว จนกว่าจะสามารถวางได้สำเร็จ ในฟังก์ชัน `isSafe` จะเป็นการตรวจสอบว่าการวางราชินีในตำแหน่งที่เรากำลังพิจารณานั้นปลอดภัยหรือไม่

 

Usecase ในโลกจริง

Backtracking มีการใช้งานอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นทางด้านระบบคอมพิวเตอร์ เกมปริศนา หรือในทางวิจัยที่ต้องการค้นหาทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น:

1. การวางแผนเส้นทาง: ในการวางแผนเส้นทางของขนส่ง การพาไปยังปลายทางที่ดีที่สุดหรือสั้นที่สุด 2. การออกแบบตารางเวลา: การจัดตารางเวลาเรียน หรือตารางเวลาของกิจกรรมต่าง ๆ ให้มีประสิทธิภาพสูงที่สุด 3. การหาผลลัพธ์ในทางคณิตศาสตร์: เช่นการแก้ไขปัญหาที่เป็นไปได้ที่ซับซ้อน

 

การวิเคราะห์ Complexity

Complexity ในการประมวลผลของ Backtracking ขึ้นอยู่กับรูปแบบของปัญหาที่เราแก้ไข ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีของ N-Queens จะเป็น \(O(N!)\) ซึ่งเป็นอัตราเติบโตที่สูงมากในกรณีที่ N มีขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกันก็มีประสิทธิภาพในการตัดสินใจถึงทางเลือกที่ไม่เหมาะสม และลดการค้นหาไปได้อย่างมาก

 

ข้อดีและข้อเสียของ Backtracking

ข้อดี

- คล่องตัว: การทำงานของ Algorithm นี้สามารถนำไปใช้ในการแก้ปัญหาหลายรูปแบบ - ลดเวลาการค้นหา: ด้วยวิธีการย้อนกลับทำให้สามารถลดการค้นหาตัวเลือกที่ไม่เหมาะสมออกได้

ข้อเสีย

- เวลาคำนวณที่ไม่สม่ำเสมอ: ขึ้นอยู่กับขนาดของความซับซ้อนของปัญหา อาจจะต้องใช้การประมวลผลเป็นจำนวนมากในบางกรณี - การจัดการหน่วยความจำ: หากมีการสร้าง recursive stack อาจจะทำให้เกิดปัญหา memory leak ได้

 

สรุป

Backtracking เป็นอัลกอริธึมที่น่าสนใจที่สามารถใช้ในการแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากคุณสนใจในวงการการเขียนโปรแกรมและต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับอัลกอริธึม และการพัฒนา Software คุณสามารถเข้าศึกษาที่ EPT ซึ่งเป็นสถาบันการสอนการเขียนโปรแกรมที่มีคุณภาพ อาจจะทำให้คุณเข้าใจแนวทางการพัฒนาโปรแกรมมากยิ่งขึ้น

อย่ารอช้า มาศึกษากับเรายายนที่ EPT สถาบันคุณภาพในด้านการเขียนโปรแกรมกันเถอะ!

 

 

หมายเหตุ: ข้อมูลในบทความนี้อาจจะผิด โปรดตรวจสอบความถูกต้องของบทความอีกครั้งหนึ่ง บทความนี้ไม่สามารถนำไปใช้อ้างอิงใด ๆ ได้ ทาง EPT ไม่ขอยืนยันความถูกต้อง และไม่ขอรับผิดชอบต่อความเสียหายใดที่เกิดจากบทความชุดนี้ทั้งทางทรัพย์สิน ร่างกาย หรือจิตใจของผู้อ่านและผู้เกี่ยวข้อง