2.传教士和野人问题(Missionaries and Cannibals)
  传教士和野人问题是一个经典的智力游戏问题。在这个问题中,实际上隐含了这样一个条件:如果在河的某一岸只有野人,而没有传教士,也同样被认为是合法状态。在具体书写某些条件时,为了简便,这一点有时并没有考虑,但我们默认这个条件是被考虑了的。

  有N个传教士和N个野人来到河边准备渡河,河岸有一条船,每次至多可供k人乘渡。问传教士为了安全起见,应如何规划摆渡方案,使得任何时刻,在河的两岸以及船上的野人数目总是不超过传教士的数目。即求解传教士和野人从左岸全部摆渡到右岸的过程中,任何时刻满足M(传教士数)≥C(野人数)和M+C≤k的摆渡方案。
设N=3,k=2,则给定的问题可用图1.2表示,图中L和R表示左岸和右岸,B=1或0分别表示有船或无船。约束条件是:两岸上M≥C,船上M+C≤2。

图1.2 M-C问题实例

  由于传教士和野人数是一个常数,所以知道了一岸的情况,另一岸的情况也就知道了。因此为了简便起见,在描述问题时,只描述一岸--如左岸--的情况就可以了。
另外,该问题我们最关心的是在摆渡过程中,两岸状态的变化情况,因此船上的情况并不需要直接表达出来。在一次摆渡过程中,船上究竟有几个传教士和野人,可以通过两个相连的状态简单得到。这样表达更简练,突出了问题的重点。

(1)综合数据库:用三元组表示左岸的情况,即
),其中0≤≤3,∈{0,1},其中表示在左岸的传教士人数,表示在左岸的野人数,=1表示船在左岸,=0表示船在右岸。则此时问题描述可以简化为:
(3,3,1)→(0,0,0)
  在描述实际问题时,并不要求给出这些具体的状态分析,而且由于实际问题的复杂性,也不可能得到这么详细的状态分析。这里给出状态分析的目的,是为了读者通过该例子,了解都有哪些类型的状态。其中"不合法"状态是那些不满足问题要求的状态,"达不到"状态是一些"孤立"状态,它不可能通过一个合法状态达到。
  N=3的M-C问题,状态空间的总状态数为4×4×2=32,根据约束条件的要求,可以看出只有20个合法状态。再进一步分析后,又发现有4个合法状态实际上是不可能达到的。因此实际的问题空间仅由16个状态构成。下表列出分析的结果:


( 0 0 1)达不到
( 0 1 1)
( 0 2 1)
( 0 3 1)
( 1 0 1)不合法
( 1 1 1)
( 1 2 1)不合法
( 1 3 1)不合法
( 2 0 1)不合法
( 2 1 1)不合法
( 2 2 1)
( 2 3 1)不合法
( 3 0 1)达不到
( 3 1 1)
( 3 2 1)
( 3 3 1)

( 0 0 0)
( 0 1 0)
( 0 2 0)
( 0 3 0)达不到
( 1 0 0)不合法
( 1 1 0)
( 1 2 0)不合法
( 1 3 0)不合法
( 2 0 0)不合法
( 2 1 0)不合法
( 2 3 0)不合法
( 3 0 0)
( 2 2 0)
( 3 1 0)
( 3 2 0)
( 3 3 0)达不到

  规则集可以划分为两组:一组是从左岸到右岸,称为p操作,另一组是从右岸到左岸,称为q操作。按道理,在规则的前件中应该附加必要的条件,使得产生的状态是合法的。在下一章有关搜索算法的讨论中我们会看到,在每一种搜索算法中,都有一处判断新产生的状态是否合法。对于不合法的状态,算法会进行相应的处理。因此在表达规则时,那些通过状态的合法性就可以判断的前提条件可以不在规则中出现。这样可以简化规则的表达。比如在第一条规则中,在规则后件中出现了"ML-1",按道理应该要求ML>0,否则的话,在左岸的传教士人数就是负数了。但这一点完全可以通过定义什么是合法状态来判断,因此就没有必要将这个条件写入规则中了。但为什么在规则中写入"BL=1"、"B=0"这样的条件呢?其实这样的条件也不是一定要写的,因为它同样可以通过定义合法状态来判断。但由于写上这些条件后,会使得规则表达更清晰,通过BL的取值就可以看出规则所表达的是船从左岸到右岸,还是从右岸到左岸。而且从左到右,或者从右到左,是交替进行的,因此把这样的条件明确表达出来,可以提高问题的求解效率。所以说,对于通过状态的合法性可以判断的条件,是否在规则中明确表达出来,具有一定的灵活性,可以从规则的清晰性、易懂性,以及求解效率等方面综合考虑。而对于某些不能通过状态的合法性来判断的条件,则必须在规则中明确表达出来。

  在传教士和野人问题中,假定了传教士和野人都可以划船,由于每次摆渡船上最多可以有2个人,最少也必须有一个人(船不会自己前进),因此在船上共有(2,0)、(0,2)、(1,1)、(1,0)和(0,1)这5种组合。其中第一个数字表示在船上的传教士数,第二个数字表示在船上的野人数。再加上从左岸到右岸和从右岸到左岸这两种情况,所以共有10种摆渡方法。在该例题中,将这10种摆渡方法全部以规则的形式,一一列举出来。这种方法的好处是,规则简单、易懂,但不足也很明显:繁琐。尤其是对于实际的复杂问题,如果要全部一一列举出所有规则,其数量太大。表示规则的另一种方式就是引入变量,通过引入变量,将相近的几条规则组合在一条规则中表示。同样是传教士和野人问题,我们引入i和j两个变量,分别表示此次摆渡时,过河的传教士数和野人数,则可以将10条规则组合为两条规则:
IF (m, c, 1) AND 1≤i+j≤2 THEN (m-i, c-j, 0)
IF (m, c, 0) AND 1≤i+j≤2 THEN (m+i, c+j, 0)
(也可以表示为:
IF (m, c, b=1) AND 1≤i+j≤2 THEN (m-i, c-j, b-1)
IF (m, c, b=0) AND 1≤i+j≤2 THEN (m+i, c+j, b+1)

这样表达的规则更加精练,但程序设计要复杂的多,因为需要对变量进行解释。