【问题描述】
1976年，美国科学家Appel和Haken利用计算机证明了：对一张地图，可以用不超过4种颜色对其填色，使得相邻的区域填上不同的颜色。现在我们就来模拟这一填色过程，输入一张行政区地图（见图10-2），用4种颜色对其填色，要求相邻的行政区域内没有相同的颜色，给出所有的填色方案，并统计方案的个数。
【数据描述】
首先考虑如何存储行政区地图，由于邻接矩阵能更好地描述各行政区之间的关系，我们采用邻接矩阵G来存储地图。邻接矩阵G可以用二维数组表示；另设一维数组color[i]记录第 i（i=0...n-1）个行政区所填的颜色，分别取值为：{1(红),2(黄),3(蓝),4(绿)}；数据描述如下：
int G[n][n];
int color[n+1];
【算法描述】
该问题的实现是从第一个行政区到最后一个行政区依次填色的过程，如果采用递归的算法，可以简单描述如下：
Void trycolor(&color[],i){
// 设前i-1个行政区已经填好颜色，现对第i个行政区用递归法填色；
for (c=1;c<=4;c++)
{对第i个行政区填上c颜色；检查其合法性；
if （合法）
if （i<n） tricolor(&color[],i+1)； //递归
else 打印一种填色方案； //递归出口
} //end_for
} //end_tricolor
如果采用非递归的算法，可用试探和回溯来实现：对每一个行政区（用邻接矩阵表示后，可称为结点）先试填一个颜色，在确定其合法性后，再填下一个结点；如果4种颜色都填完后仍不合法，就回溯到上一个结点重新填色。算法描述如下：
Color[0..n-1]=0; 选择第一个行政区为当前要处理的结点；
do
{
将当前结点顺序向后试填一个颜色；
if （所填颜色合法）
当前区域确定了所填的颜色；
if (当前结点是最后一个区域)
{打印一种填色方案；if (所填颜色是4) 回溯到上一个结点继续填色；}
else 下一个结点设为当前结点；
else if (所填颜色是4) 回溯到上一个结点；}
while（所有的结果都试探完）；
现在的问题是：如何确定合法的填色？设前i-1个行政区已经填好颜色，现对第i个行政区填色c，通过邻接矩阵的定义，我们可以分析出这样的结论：
for (k=0;k<=i-1;k++)
if (color[k]*G[i][k]==c)
{i与第k个结点相邻并同色，c是不合法的}；
所以我们可以用color[k]*G[i][k]！=color[i]来确定当前color[i]的颜色是合法的。
如何回溯？如果对当前结点，从颜色1到颜色4都不合法，则要退到上一个结点重新填色，如果上一个结点也填了4种颜色，就继续后退；这就是回溯的思想。
【C源程序】
#define n 10
int G[n][n]={{1,1,0,1,0,1,0,0,0,0},
{1,1,1,1,0,0,0,0,0,0},
{0,1,1,1,1,0,0,0,0,0},
{1,1,1,1,1,1,1,0,0,0},
{0,0,1,1,1,0,1,0,0,0},
{1,0,0,1,0,1,1,1,0,0},
{0,0,0,1,1,1,1,1,0,1},
{0,0,0,0,0,1,1,1,1,1},
{0,0,0,0,0,0,0,1,1,1},
{0,0,0,0,0,0,1,1,1,1}};
void backtrack(int color[],int *i) /*回溯过程*/
{if (*i>0)
while (color[*i]==4) (*i)--;
}
int check(int color[], int *i) /*检查是否合法*/
{int k,b;
b=1;
for(k=0;k<=*i-1;k++)
if (color[k]*G[*i][k]==color[*i]) b=0;
if (b) return 1;
else return 0;
}
void print (int color[]) /*打印一种填色方案*/
{int k;
for (k=0;k<n;k++)
printf("%d",color[k]);
printf("/n");
}
main(){
int i,total=0;
int color[n];
for(i=0;i<n;i++) color[i]=0;
i=0;
do
{color[i]++;
if (check(color,&i))
if (i==n-1) { print(color); total++;
if (color[i]==4) backtrack(color,&i);
}
else {i=i+1;color[i]=0;}
else
if (color[i]==4) backtrack(color,&i);
}while (i);
printf("/n");
printf("total=%d",total);
scanf("/n");
}
【测试结果】以下是图10-2的部分填色方案和计算出的所有填色方案总和：
…………
1432441324
1432441342
1432443124
1432443132
1432443134
1432443142
1432443214
1432443231
1432443234
1432443241
total=528
【说明】本实验给出的方法称为回溯，这种方法可以试探性地按一定的规律例举出所有的可能性，最终找到目标结点。一般性的回溯问题可用以下算法简单描述其思想：
初始化；
do {
可行（合法）则进； //按一定顺序试探前进
不行（不合法）则换； //判断其可行性，对不可行的换成下一个试探
换不成则退； //对当前结点所有试探都不可行，回溯到上一个结点
}while（所有试探都完成）；
【实验题】
1． 对行政区地图改用邻接表存储，程序应该怎样改动？
2． 将4种颜色用数字表示{1(红), 2(黄), 3(蓝), 4(绿)}改为用字符表示{‘R’(红), ’Y’(黄), ‘B’(蓝), ‘G’(绿)}，改写程序完成字符的填色方案。
3． 编程递归实现地图填色问题。
