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第五章 回溯法搜索技術(shù)的相關(guān)概念回溯法的算法框架用回溯法解決問(wèn)題實(shí)例回溯法的效率分析2搜索技術(shù)問(wèn)題描述假定問(wèn)題的解能表示成一個(gè)n-元組(X1,…,Xn),其中Xi取自某個(gè)有窮集Si。所有這些n-元組構(gòu)成問(wèn)題的解空間。假設(shè)集合Si的大小是mi,則可能的元組數(shù)為m=m1m2…mn。考慮兩類問(wèn)題:存在性問(wèn)題:求滿足某些條件的一個(gè)或全部元組,如果不存在這樣的元組,算法應(yīng)返回false;這些條件稱為約束條件。滿足約束條件的元組稱為問(wèn)題的可行解。優(yōu)化問(wèn)題:給定一組約束條件,在問(wèn)題的可行解中求使某目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大(?。┲档脑M,即最優(yōu)解。解決這類問(wèn)題的一般方法是搜索技術(shù),即系統(tǒng)化的搜索解空間的技術(shù),主要包括回溯法和分支限界法。3搜索技術(shù)實(shí)例1:8后問(wèn)題在8×8的棋盤(pán)上放置8個(gè)皇后,使得這8個(gè)皇后不在同一行、同一列及同一斜角線上。QQQQQQQQ12345678123456784搜索技術(shù)8皇后問(wèn)題可以表示成8-元組(x1,…,x8),其中xi是放在第i行的皇后所在的列號(hào)。于是,解空間由88個(gè)8-元組組成。約束條件:xi≠xjforalli,j|xi-xj|≠|(zhì)j-i|約束條件之一為沒(méi)有兩個(gè)xi相同(即任意兩個(gè)皇后不在同一列上)。將其加入到元組的定義中,這時(shí)解空間的大小由88個(gè)元組減少到8!個(gè)元組。n-皇后問(wèn)題只要可行解,不需要最優(yōu)解。5搜索技術(shù)狀態(tài)空間樹(shù)解空間的樹(shù)結(jié)構(gòu)稱為解空間樹(shù),它是嘗試選擇元組的各個(gè)分量時(shí)產(chǎn)生的樹(shù)結(jié)構(gòu)。樹(shù)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表問(wèn)題求解過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài),根節(jié)點(diǎn)到它的路徑代表對(duì)一些分量已作出的選擇。根到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑可以表示為(x(1),…,x(k)),也用這個(gè)元組標(biāo)識(shí)該節(jié)點(diǎn)。狀態(tài)空間樹(shù)的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成問(wèn)題求解的狀態(tài)空間。如果由根到節(jié)點(diǎn)S的那條路徑確定了解空間的一個(gè)元組,則稱S對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為一個(gè)解空間狀態(tài)。如果一個(gè)解狀態(tài)代表的元組滿足約束條件稱其為可行解。6搜索技術(shù)4-皇后問(wèn)題的解空間樹(shù)(4?。?,節(jié)點(diǎn)按深度優(yōu)先檢索編號(hào)12503418
X1=115121o75173133282623211383292419454035615651141196416303227252220234
X2=2341
3
41
241
23X3=31143423243443423243413x4=1…………7搜索技術(shù)搜索算法搜索算法通過(guò)展開(kāi)解空間樹(shù)來(lái)找所求的解。用以下術(shù)語(yǔ)描述展開(kāi)狀態(tài)空間樹(shù)的各種方法:活結(jié)點(diǎn):已展開(kāi)一個(gè)以上子節(jié)點(diǎn),但所有子結(jié)點(diǎn)尚未全部產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)。死結(jié)點(diǎn):被限界或已展開(kāi)了所有子結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)。E-結(jié)點(diǎn)(擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)):當(dāng)前正在展開(kāi)子結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)(某刻唯一)。深度優(yōu)先展開(kāi)方法:一個(gè)E-結(jié)點(diǎn)C展開(kāi)自己的一個(gè)子結(jié)點(diǎn)R后,就讓結(jié)點(diǎn)R成為E-結(jié)點(diǎn),當(dāng)完成R的所有子樹(shù)的搜索后,讓C重新成為E-結(jié)點(diǎn),繼續(xù)展開(kāi)C的子結(jié)點(diǎn)(如果存在)。這種方法相當(dāng)于對(duì)解空間樹(shù)做深度優(yōu)先搜索,稱為深度優(yōu)先展開(kāi)方法。廣度優(yōu)先展開(kāi)方法:在當(dāng)前E-結(jié)點(diǎn)處,先展開(kāi)自己的所有子結(jié)點(diǎn),然后再?gòu)漠?dāng)前的活結(jié)點(diǎn)表中選擇下一個(gè)E-結(jié)點(diǎn)。8搜索技術(shù)剪枝使用啟發(fā)式的剪枝技術(shù)能使搜索算法只展開(kāi)解空間樹(shù)的一部分,降低了搜索的開(kāi)銷。剪枝函數(shù)從分析約束條件或某種啟發(fā)式得到。剪枝函數(shù)必須計(jì)算簡(jiǎn)單。9搜索技術(shù)搜索方式回溯法:加剪枝的深度優(yōu)先展開(kāi)方法稱為回溯法。分枝限界法:以廣度優(yōu)先或最小耗費(fèi)優(yōu)先的方式搜索解空間樹(shù)。10回溯法的算法框架回溯法回溯法是能避免不必要搜索的搜索法。適用于解一些組合數(shù)相當(dāng)大的問(wèn)題?;厮莘ㄔ趩?wèn)題的解空間樹(shù)中,按深度優(yōu)先策略,從根結(jié)點(diǎn)出發(fā)搜索解空間樹(shù)。算法搜索至解空間樹(shù)的任意一點(diǎn)時(shí),先判斷該結(jié)點(diǎn)為根的子樹(shù)是否包含問(wèn)題的解。如果肯定不包含,則跳過(guò)對(duì)該結(jié)點(diǎn)為根的子樹(shù)的搜索,逐層向其祖先結(jié)點(diǎn)回溯;否則,進(jìn)入該子樹(shù),繼續(xù)按深度優(yōu)先策略搜索。回溯法:為了避免生成那些不可能產(chǎn)生最優(yōu)解的問(wèn)題狀態(tài),要不斷地利用剪枝函數(shù)來(lái)處死那些實(shí)際上不可能產(chǎn)生所需解的活結(jié)點(diǎn),以減少問(wèn)題的計(jì)算量。11回溯法的算法框架回溯法的基本步驟針對(duì)所給問(wèn)題,定義問(wèn)題的解空間;相當(dāng)于找出進(jìn)行窮舉的搜索范圍確定易于搜索的解空間結(jié)構(gòu);一般是形成解空間樹(shù)以深度優(yōu)先方式搜索解空間,并在搜索過(guò)程中用剪枝函數(shù)避免無(wú)效搜索。常用剪枝函數(shù):用約束函數(shù)在擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)處剪去不滿足約束的子樹(shù)(一定不是可行解);用限界函數(shù)剪去得不到最優(yōu)解的子樹(shù)(一定不是最優(yōu)解)。12回溯法的算法框架遞歸回溯回溯法對(duì)解空間作深度優(yōu)先搜索,因此,在一般情況下用遞歸方法實(shí)現(xiàn)回溯法。voidbacktrack(intt)//t:遞歸深度,如何調(diào)用函數(shù)完成整個(gè)遞歸?{
if(t>n)output(x);//n:遞歸深度閾值
elsefor(inti=f(n,t);i<=g(n,t);i++){x[t]=h(i);if(constraint(t)&&bound(t))backtrack(t+1);}}P118有詳細(xì)說(shuō)明13回溯法的算法框架迭代回溯采用樹(shù)的非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法,可將回溯法表示為一個(gè)非遞歸迭代過(guò)程。voiditerativeBacktrack(){intt=1;
while(t>0){
if(f(n,t)<=g(n,t))for(inti=f(n,t);i<=g(n,t);i++){x[t]=h(i);
if(constraint(t)&&bound(t)){
if(solution(t))output(x);
elset++;}}
elset--;}}P118的說(shuō)明14回溯法的算法框架子集樹(shù)與排列樹(shù)所給的問(wèn)題是從n個(gè)元素的S中找出滿足某種性質(zhì)的子集時(shí),相應(yīng)的解空間樹(shù)稱為子集樹(shù)。通常有2n個(gè)葉子結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2n+1-1。遍歷子集樹(shù)需要Ω(2n)的計(jì)算時(shí)間。所給的問(wèn)題是確定n個(gè)元素滿足某種性質(zhì)的排列時(shí),相應(yīng)的解空間樹(shù)稱為排列樹(shù)。通常有n!個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)。遍歷排列樹(shù)需要Ω(n!)的計(jì)算時(shí)間。15回溯法的算法框架用回溯法解題的一個(gè)顯著特征是在搜索過(guò)程中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生問(wèn)題的解空間。在任何時(shí)刻,算法只保存從根結(jié)點(diǎn)到當(dāng)前擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的路徑。如果解空間樹(shù)中從根結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)的最長(zhǎng)路徑的長(zhǎng)度為h(n),則回溯法所需的計(jì)算空間通常為O(h(n))。而顯式地存儲(chǔ)整個(gè)解空間則需要O(2h(n))或O(h(n)!)內(nèi)存空間。16n后問(wèn)題(5.5)算法設(shè)計(jì)解向量:(x1,x2,…,xn),xi表示第i個(gè)皇后的列號(hào)。解空間:用完全n叉樹(shù)表示(n的n次方解空間)。顯約束:xi
xj,不同列。隱約束:設(shè)兩個(gè)皇后(i,xi),(j,xj)在同一斜線上,則有: i–j
=xi–xj(斜率為1)或者i-j=xj-xi(斜率為-1)
即:|i-j|
|xi-xj|。因此,約束條件不同斜線可以轉(zhuǎn)化為:|i-j|
|xi-xj|??尚行约s束place剪去不滿足上述約束條件的子樹(shù)。17n后問(wèn)題遞歸回溯privatebooleanPlace(intk){for(intj=1;j<k;j++)if((abs(k-j)==abs(x[j]-x[k]))||(x[j]==x[k]))returnfalse;returntrue;}privatestaticvoidBacktrack(intt){if(t>n)sum++;//sum為當(dāng)前可行方案數(shù)elsefor(inti=1;i<=n;i++){ //一行中的n個(gè)放置位置x[t]=i;if(Place(t))Backtrack(t+1);}}18n后問(wèn)題迭代回溯privatestaticvoidbacktrack(){x[1]=0;intk=1; /*k:搜索深度,行號(hào)*/while(k>0){ x[k]=x[k]+1; /*在當(dāng)前列加1的位置開(kāi)始搜索*/while((x[k]<=n)&&(!place(x,k))) /*當(dāng)前列位置是否滿足條件*/x[k]=x[k]+1; /*不滿足條件,繼續(xù)搜索下一列位置*/if(x[k]<=n){ /*存在滿足條件的列*/if(k==n)sum++; /*是最后一個(gè)皇后,完成搜索*/else{k=k+1;x[k]=0;}/*不是,則處理下一行的皇后*/}else{ /*x[k]>n,已判斷完n列,均沒(méi)有滿足條件*/k=k–1; /*回溯到前一行*/}}}19n后問(wèn)題算法分析運(yùn)行時(shí)間取決于所訪問(wèn)結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)c,每訪問(wèn)一個(gè)結(jié)點(diǎn),就調(diào)用一次place函數(shù)計(jì)算約束方程。place函數(shù)循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù),最多n-1次。因此,總次數(shù)為O(n)。結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是動(dòng)態(tài)生成的,對(duì)不同實(shí)例,具有不確定性。一般可由n的多項(xiàng)式確定。在4叉完全樹(shù)中,結(jié)點(diǎn)總數(shù)有40+41+42+43+44=341個(gè),回溯法處理時(shí),c=27,約為前者的8%。實(shí)際模擬表明,當(dāng)n=8時(shí),被訪問(wèn)的結(jié)點(diǎn)數(shù)與結(jié)點(diǎn)總數(shù)之比約為1.5%。20n后問(wèn)題4皇后問(wèn)題包含顯約束條件的解空間樹(shù)21裝載問(wèn)題(5.2)問(wèn)題描述有一批共n個(gè)集裝箱要裝上兩艘載重量分別為c1和c2的輪船,其中集裝箱i的重量為wi,且有:裝載問(wèn)題要求確定是否有一個(gè)合理的裝載方案可將這些集裝箱裝上這兩艘輪船??赡苎b不下?例:當(dāng)n=3,c1=c2=50,w=[10,40,40]時(shí),可將貨箱1,2裝到第一艘船上,貨箱3裝到第二艘船上。如果w=[20,40,35],則無(wú)法將貨箱全部裝走。當(dāng)集裝箱總重量為c1+c2時(shí),等價(jià)于子集和問(wèn)題,當(dāng)c1=c2且集裝箱總重量為2c1時(shí),等價(jià)于劃分問(wèn)題。22裝載問(wèn)題裝載策略如果一個(gè)裝載問(wèn)題有解,則采用下面的策略可得到最優(yōu)裝載方案。首先將第一艘輪船盡可能裝滿;將剩余的集裝箱裝上第二艘輪船。證明設(shè)可行解在第一艘船裝入W1(≤c1)重量,在第二艘船裝入W2(≤c2)重量;設(shè)最大化第一艘船的裝船量為M1,則W1≤M1;而剩下的集裝箱重量之和=總重量(W1+W2)-M1≤總重量-W1=W2,剩下的集裝箱一定能裝入第二艘船。23裝載問(wèn)題將第一艘輪船盡可能裝滿等價(jià)于選取全體集裝箱的一個(gè)子集,使該子集中集裝箱重量之和最接近c(diǎn)1。由此可知,裝載問(wèn)題等價(jià)于以下特殊的0-1背包問(wèn)題(wi=vi)??梢杂脛?dòng)態(tài)規(guī)劃求解,時(shí)間復(fù)雜度為O(min{nc,2n})??梢杂没厮莘ㄇ蠼?,時(shí)間復(fù)雜度為O(2n),在某些情況下優(yōu)于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法。24裝載問(wèn)題回溯算法設(shè)計(jì)子集樹(shù):左子結(jié)點(diǎn)表示x(i)=1,右子結(jié)點(diǎn)表示x(i)=0。cw記錄當(dāng)前結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的裝載重量,bestw記錄當(dāng)前已經(jīng)獲得的最大裝載重量。剪枝函數(shù)約束函數(shù):cw+w(i)>c1,則殺死該左子結(jié)點(diǎn)。右子結(jié)點(diǎn)如何處理?右子結(jié)點(diǎn)的cw值與擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)的cw值相等,因此,展開(kāi)右子結(jié)點(diǎn)時(shí),不檢查約束函數(shù)。限界函數(shù):設(shè)r為未裝的貨箱的總重量,如cw+r<=bestw,則停止展開(kāi)該結(jié)點(diǎn),即剪去右子樹(shù)。左子結(jié)點(diǎn)如何處理?左子結(jié)點(diǎn)和父結(jié)點(diǎn)有相同的cw+r值,所以,展開(kāi)左子結(jié)點(diǎn)時(shí),不檢查限界函數(shù)。25裝載問(wèn)題搜索過(guò)程:設(shè)x=(x(1),…,x(k-1))為當(dāng)前E結(jié)點(diǎn);展開(kāi)左子結(jié)點(diǎn):如果cw+w(k)>c1,則停止展開(kāi)該左子結(jié)點(diǎn),r←r-w(k),并展開(kāi)右子結(jié)點(diǎn);否則,x(k)←1,cw←cw+w(k),r←r-w(k),并令(x(1),…,x(k))為E結(jié)點(diǎn);展開(kāi)右子結(jié)點(diǎn):如果cw+r≤bestw,則停止展開(kāi)該右子結(jié)點(diǎn),并回溯到最近的一個(gè)活結(jié)點(diǎn);否則,令x(k)=0,(x(1),…,x(k))為E結(jié)點(diǎn)?;厮荩簭膇=k-1開(kāi)始,找x(i)=1的第一個(gè)i;修改cw和r的值:cw←cw-w(i)(最后的),r←r+w(i)(每次的i)。26裝載問(wèn)題k=n時(shí),x=(x(1),…,x(n-1)),cw+w(n)>c1,則左子結(jié)點(diǎn)是不可行結(jié)點(diǎn),考慮右子結(jié)點(diǎn):如果cw+r=cw>bestw,bestw←cw,x(n)←0;否則cw+r=cw<=bestw,右子結(jié)點(diǎn)被限界,回溯。cw+w(n)≤c1,則左子結(jié)點(diǎn)是可行結(jié)點(diǎn):cw←cw+w(n),如果cw>bestw,bestw←cw,x(n)←1;否則cw<=bestw,左子結(jié)點(diǎn)不含最優(yōu)解,同時(shí)右子結(jié)點(diǎn)也不可能有最優(yōu)解,回溯。bestw初始值為-∞在搜索解空間樹(shù)時(shí),只要其左兒子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)可行節(jié)點(diǎn),搜索就進(jìn)入其左子樹(shù)。當(dāng)右子樹(shù)有可能包含最優(yōu)解時(shí)才進(jìn)入右子樹(shù)搜索;否則將右子樹(shù)剪去。27裝載問(wèn)題例:假定n=4,w=[8,6,2,3],c1=12。狀態(tài)空間樹(shù):裝載問(wèn)題的解空間樹(shù),未顯示葉結(jié)點(diǎn)28裝載問(wèn)題遞歸過(guò)程展開(kāi)的狀態(tài)空間樹(shù):在進(jìn)入左、右子樹(shù),遞歸進(jìn)入下一層之前,加入輸出cw和r的語(yǔ)句,輸出結(jié)果如下:ABKJE
110cw=0cw=8cw=8cw=10cw=801bestw=10bestw=110XYw=[8,6,2,3],c1=12。290-1背包問(wèn)題(5.6)算法描述與裝載問(wèn)題類似,是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,因此不僅可以使用約束函數(shù),而且可以使用限界函數(shù)做剪枝函數(shù)。子集樹(shù):左子結(jié)點(diǎn)表示x(i)=1,右子結(jié)點(diǎn)表示x(i)=0。剪枝函數(shù):約束函數(shù):cw+wk≥M限界函數(shù):cp+r≤bestpcw:到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí),已裝入背包的重量cp:到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí),已裝入背包的價(jià)值WK:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所要判斷物品(K)的重量M:背包所能容忍的最大重量r:當(dāng)前剩余物品(還未判斷取舍的物品)的價(jià)值和bestp:當(dāng)前已獲得的最優(yōu)價(jià)值(可行解,但不一定是最優(yōu)解)0-1背包問(wèn)題1.上界是界線,越接近理論界線越有意義。r是當(dāng)前剩余物品(還未判斷取舍)的價(jià)值和,cp+r是否還有比2方法更接近理論界線的求上界方法?確定右子樹(shù)中解的上界將剩余物品按單位重量?jī)r(jià)值非遞增排序,依次在剩余背包中裝入物品,直到無(wú)法全部裝入某物品時(shí),裝入該物品的一部分將背包填滿,此時(shí)對(duì)應(yīng)的價(jià)值是右子樹(shù)中解的上界。cp+r’300-1背包問(wèn)題對(duì)于0-1背包問(wèn)題的一個(gè)實(shí)例,n=4,c=7,p=[9,10,7,4],w=[3,5,2,1]。這4個(gè)物品的單位重量?jī)r(jià)值分別為[3,2,3.5,4]。以物品單位重量?jī)r(jià)值的遞減序裝入物品。先裝入物品4,然后裝入物品3和1.裝入這3個(gè)物品后,剩余的背包容量為1,只能裝0.2的物品2。由此得一個(gè)解為[1,0.2,1,1],其相應(yīng)價(jià)值為22。盡管這不是一個(gè)可行解,但可以證明其價(jià)值是最優(yōu)值的上界。因此,對(duì)于這個(gè)實(shí)例,最優(yōu)值不超過(guò)22。對(duì)于相同背包,相同物品,背包問(wèn)題的最優(yōu)解不小于0-1背包問(wèn)題的最優(yōu)解。310-1背包問(wèn)題對(duì)某一節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),剩余背包容量裝剩余物品,也可得到一個(gè)價(jià)值上界。cp+r’用這樣一個(gè)小的價(jià)值上界代替2計(jì)算出的價(jià)值上界,有什么好處?對(duì)某一節(jié)點(diǎn),根據(jù)2方法,cp+r>bestp對(duì)某一節(jié)點(diǎn),根據(jù)3方法,cp+r’<=bestp減掉更多子樹(shù),提高搜索速度320-1背包問(wèn)題2算法框架331)預(yù)處理:各物品按單位重量?jī)r(jià)值降序排序,重量放于數(shù)組w[],價(jià)值放于數(shù)組p[]2)回溯算法Privatestaticvoidbacktrack(inti){ if(i>n){//reachtheleafnode bestp=cp; return;} //searchthesubtree if(cw+w[i]<=c){//entertheleftsubtree cw+=w[i];cp+=p[i]; backtrack(i+1); cw-=w[i];cp-=p[i];} if(bound(i+1)>bestp) backtrack(i+1); //entertherightsubtree}Privatestaticdoublebound(inti){Doublecleft=c-cw;doublebound=cp;//以單位重量?jī)r(jià)值遞減順序裝入while(i<=n&&w[i]<=cleft){ cleft-=w[i];bound+=p[i];i++}//裝滿背包If(i<=n) bound+=p[i]*cleft/w[i];returnbound;}340-1背包問(wèn)題3.實(shí)例:n=8,M=110,W=[1,11,21,23,33,43,45,55],P=[11,21,31,33,43,53,55,65]圖中未用字母標(biāo)識(shí)的末端結(jié)點(diǎn)表示被剪枝的結(jié)點(diǎn),可以不畫(huà)在圖中。圖中圈內(nèi)數(shù)字表示結(jié)點(diǎn)的重量和價(jià)值,圈外的數(shù)字表示其上界值。35旅行售貨員問(wèn)題(5.9) 旅行商問(wèn)題(Hamiltoniancircuit)某售貨員要到若干個(gè)城市去推銷商品。已知各個(gè)城市之間的路程(或旅費(fèi))。他要選定一條從駐地出發(fā),經(jīng)過(guò)每個(gè)城市一遍,最后回到駐地的路線,使得總的路程(或總旅費(fèi))最小。用一個(gè)帶權(quán)圖G=(V,E)來(lái)表示,頂點(diǎn)代表城市,邊表示城市之間的道路。圖中各邊所帶的權(quán)即是城市間的路程(或旅費(fèi))。36旅行售貨員問(wèn)題用1,2,…,n代表n個(gè)頂點(diǎn),一個(gè)周游i1,i2…,in,i1用數(shù)組(i1,i2…,in)表示,它是旅行商問(wèn)題的一個(gè)可行解。如果可行解的前k-1個(gè)分量x1,x2…,xk-1已經(jīng)確定,則判定x1,x2…,xk-1,xk能否形成一條路徑,只需做k-1次比較: xk≠x1,xk≠x2…,xk≠xk-1 構(gòu)成旅行商問(wèn)題的顯性約束條件,可直接用在減小解空間樹(shù)。用w(i,j)記邊(i,j)的權(quán)值,cl記當(dāng)前路徑x1,x2…,xk-1的長(zhǎng)度,即旅行商問(wèn)題求解使cl(k=n)取最小值的解。37旅行售貨員問(wèn)題算法描述解空間:排列樹(shù)遞歸回溯算法中,i=n時(shí),當(dāng)前擴(kuò)
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