Problema de las ocho reinas

El problema de las ocho reinas es un pasatiempo que consiste en poner ocho reinas en el tablero de ajedrez sin que se amenacen. Fue propuesto por el ajedrecista alemán Max Bezzel en 1848.^[1]​^[2]​ En el juego del ajedrez la reina amenaza a aquellas piezas que se encuentren en su misma fila, columna o diagonal. El juego de las 8 reinas consiste en poner sobre un tablero de ajedrez ocho reinas sin que estas se amenacen entre ellas. Para resolver este problema se puede emplear un esquema vuelta atrás (o Backtracking).

El problema fue originalmente propuesto en 1848 por el ajedrecista Max Bezzel.^[1]​^[2]​^[3]​ Durante años, muchos matemáticos, incluyendo a Carl Friedich Gauss, han trabajado en él y lo han generalizado a n-reinas. Las primeras soluciones fueron ofrecidas por Franz Nauck en 1850.^[1]​^[2]​^[4]​ Nauck también se abocó a las n-reinas (en un tablero de nxn de tamaño arbitrario). En 1874, S. Günther propuso un método para hallar las soluciones usando determinantes, y J.W.L. Glaisher redefinió su aproximación.^[3]​^[5]​

Edsger Dijkstra usó este problema en 1972 para ilustrar el poder de la llamada programación estructurada. Publicó una descripción muy detallada del desarrollo del algoritmo de backtracking, "depth-first".^[6]​^[7]​

Este acertijo apareció en el popular juego de computadora de los '90 llamado "The 7th Guest".

Como cada reina puede amenazar a todas las reinas que estén en la misma fila, cada una ha de situarse en una fila diferente. Podemos representar las 8 reinas mediante un vector[1-8], teniendo en cuenta que cada índice del vector representa una fila y el valor una columna. Así cada reina estaría en la posición (i, v[i]) para i = 1-8.

El vector ${displaystyle (3,1,6,2,8,6,4,7)}$ significa que la reina 1 esta en la fila 1, columna 3; la reina 2 en la fila 2, columna 1; la reina 3 en la fila 3, columna 6; la reina 4 en la fila 4, columna 2; etc... Como se puede apreciar esta solución es incorrecta ya que la reina 3 y la 6 estarían en la misma columna. Por tanto el vector correspondería a una permutación de los ocho primeros números enteros.

El problema de las filas y columnas lo tenemos resuelto, pero ¿qué ocurre con las diagonales? Para las posiciones sobre una misma diagonal descendente, se cumple que tienen el mismo valor ${displaystyle fila-columna}$; mientras que para las posiciones en la misma diagonal ascendente, se cumple que tienen el mismo valor ${displaystyle fila+columna}$. Así, si tenemos dos reinas colocadas en posiciones ${displaystyle (i,j)}$ y ${displaystyle (k,l)}$ entonces están en la misma diagonal si y solo si cumple:

${displaystyle i-j=k-l}$ o ${displaystyle i+j=k+l}$

${displaystyle j-l=i-k}$ o ${displaystyle j-l=k-i}$

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, podemos aplicar el esquema retroactivamente para colocar las ocho reinas de una manera realmente eficiente. Para ello, reformulamos el problema como problema de búsqueda en un árbol. Decimos que en un vector ${displaystyle V_{1dots k}}$ de enteros entre 1 y 8 es ${displaystyle k}$-prometedor, para ${displaystyle 0leq kleq 8}$ , si ninguna de las ${displaystyle k}$ reinas colocadas en las posiciones ${displaystyle (1,V_{1}),(2,V_{2}),dots ,(k,V_{k})}$ amenaza a ninguna de las otras. Las soluciones a nuestro problema se corresponden con aquellos vectores que son 8-prometedores.

Sea ${displaystyle N}$ el conjunto de vectores de ${displaystyle k}$-prometedores, ${displaystyle 0leq kleq 8}$, sea ${displaystyle G=(N,A),}$ el grafo dirigido tal que ${displaystyle (U,V)in A}$ si y solo si existe un entero ${displaystyle k}$, con ${displaystyle 0leq kleq 8}$ tal que

Este grafo es un árbol. Su raíz es el vector vacío correspondiente a ${displaystyle k=0}$. sus hojas son o bien soluciones (${displaystyle k=8}$), o posiciones sin salida (${displaystyle k<8}$). Las soluciones del problema de las ocho reinas se pueden obtener explorando este árbol. Sin embargo, no generamos explícitamente el árbol para explorarlo después. Los nodos se van generando y abandonando en el transcurso de la exploración mediante un recorrido en profundidad.

Hay que decidir si un vector es ${displaystyle k}$-prometedor, sabiendo que es una extensión de un vector ${displaystyle (k-1)}$-prometedor. Únicamente necesitamos comprobar la última reina que haya que añadir. Esto se puede acelerar si asociamos a cada nodo prometedor el conjunto de columnas, el de diagonales positivas (a 45 grados) y el de diagonales negativas (a 135 grados) controladas por las reinas que ya están puestas.

A continuación se muestra el algoritmo que soluciona nuestro problema, en el cual ${displaystyle sol_{1dots 8}}$ es un vector global. Para imprimir todas las soluciones, la llamada inicial es ${displaystyle mathrm {reinas} (0,emptyset ,emptyset ,emptyset )}$.

procedimiento ${displaystyle mathrm {reinas} (k,col,diag45,diag135),}$

El algoritmo comprueba primero si ${displaystyle k=8}$, si esto es cierto resulta que tenemos ante nosotros un vector 8-prometedor, lo cual indica que cumple todas las restricciones originando una solución. Si ${displaystyle k}$ es distinto de 8, el algoritmo explora las extensiones ${displaystyle (k+1)}$-prometedoras, para ello realiza un bucle, el cual va de 1 a 8, debido al número de reinas. En este bucle se comprueba si entran en jaque las reinas colocadas en el tablero. Si no entran en jaque, se realiza una recurrencia en la cual incrementamos ${displaystyle k}$ (buscamos ${displaystyle (k+1)}$-prometedor) y añadimos la nueva fila, columna y diagonales al conjunto de restricciones. Al realizar la recurrencia hemos añadido al vector sol una nueva reina, que no entra en jaque con ninguna de las anteriores. Además, hemos incrementado el conjunto de restricciones añadiendo una nueva fila, columna y diagonales (una positiva y otra negativa) prohibidas.

A continuación se muestra una posible implementación del anterior algoritmo en C++.

El problema de las ocho reinas se puede plantear de modo general como problema de las ${displaystyle n}$ reinas. El problema consistiría en colocar ${displaystyle n}$ reinas en un tablero de ajedrez de ${displaystyle n imes n}$ de tal manera que ninguna de las reinas quede atacando a otras.

Su análisis y solución es isomorfo al de las ocho reinas.

El tablero de 27x27 es el más grande hasta ahora numerado.^[8]​

Además de las simetrías relativas a la colocación de las reinas y su reflejo o giro se da otra no tan evidente que conecta las soluciones entre un tablero de lado (n) y el tablero siguiente de lado (n+1). Partiendo del conjunto completo de soluciones para n casillas de lado, contando las veces que cada casilla aparece en las mismas, resulta:

Cuando el conjunto de soluciones es correcto para n, se da la simetría completa, tanto vertical como horizontalmente. Ésta simetría puede darse con un conjunto de soluciones incompleto. Sin embargo, la suma de cada fila y de cada columna, si el conjunto de soluciones está completo da como resultado el número total de soluciones posibles:

s = Soluciones = 4

d = Suma diagonal = 0

s - d. = [4]

s = Soluciones = 40

d = suma diagonal = 36

s - d = [4]

s = Soluciones = 92

d = Suma diagonal = 64

s - d = [28]

s = Soluciones = 352

d = Suma diagonal = 288

s - d = [64]

Por último, la resta entre las soluciones de un tablero y la suma de la diagonal correspondientes coincide con el valor que aparece en las esquinas del tablero siguiente. Resultando una conexión entre el tablero de n casillas y el de n+1 casillas. Para conjunto de soluciones completas:

resta suma linea - suma diagonal

De hallar la relación entre los valores que resultan en las esquinas y el número total de soluciones de cada tablero o su tamaño, se podría encontrar los resultados correctos de cualquier valor de n.

El problema de las ocho reinas tiene 92 soluciones, de las cuales 12 son esencialmente distintas, es decir, las 92 soluciones existentes se pueden obtener a partir de operaciones de simetría de rotación y reflexión de las 12 soluciones únicas, que se muestran a continuación:

El problema de encontrar todas las soluciones al problema de las 8 reinas puede ser bastante costoso computacionalmente, ya que hay 4 426 165 368 (es decir, ₆₄C₈) posibles arreglos de ocho reinas en un tablero de 8x8, pero solo 92 soluciones. Es posible utilizar atajos que reduzcan los requisitos computacionales o reglas prácticas que eviten técnicas computacionales de fuerza bruta. Por ejemplo, al aplicar una regla simple que restringe a cada reina a una sola columna (o fila), aunque todavía se considera fuerza bruta, es posible reducir el número de posibilidades a 16 777 216 (es decir, 8⁸) combinaciones posibles. La generación de permutaciones reduce aún más las posibilidades a solo 40 320 (es decir, 8!), que luego se revisan para detectar ataques diagonales.

Existen muchas soluciones computacionales al problema de las 8 reinas, que hacen uso de las llamadas recursivas, en cualquier lenguaje de programación, lo que demuestra la alta popularidad que tiene este problema dentro del mundo de la programación de computadoras.

Si enumeramos las casillas de un tablero de ajedrez de cualquier tamaño (n x n) con los números naturales, empezando de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, encontramos el curioso caso del número Š, el cual siempre es una constante para un tablero dado de n x n lados y nos dice cuanto será la sumatoria de las casillas en donde se pueden ubicar las n reinas para todas las soluciones de dicho tablero. El número Š viene dado por la fórmula:

A continuación se da el ejemplo de las dos soluciones de un tablero de 4 x 4 (marcadas en las casillas negras), es decir n = 4

Calculando para la primera solución Š1 = 2+8+9+15 = 34

Calculando para la segunda solución Š2 = 3+5+12+14 = 34

A continuación se da el ejemplo de las diez soluciones de un tablero de 5 x 5 (marcadas en las casillas negras), es decir n = 5

Calculando para la primera solución Š1 = 1+8+15+17+24 = 65

Calculando para la segunda solución Š2 = 1+9+12+20+23 = 65

Calculando para la tercera solución Š3 = 2+9+11+18+25 = 65

Calculando para la cuarta solución Š4 = 2+10+13+16+24 = 65

Calculando para la quinta solución Š5 = 3+6+14+17+25 = 65

Calculando para la sexta solución Š6 = 3+10+12+19+21 = 65

Calculando para la séptima solución Š7 = 4+6+13+20+22 = 65

Calculando para la octava solución Š8 = 4+7+15+18+21 = 65

Calculando para la novena solución Š9 = 5+7+14+16+23 = 65

Calculando para la décima solución Š10 = 5+8+11+19+22 = 65

A continuación se da el número Š hasta el tablero n = 10 (comprobado con algoritmos computacionalmente para todas las soluciones hasta tablero de  11 por 11 que tiene 2.680 soluciones).

La secuencia de Š(n) es {34, 65, 111, 175, 260, ...}, fue descubierta por Paul Muljadi en 2005 (secuencia A006003 en la OEIS).

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