递归与回溯2

news2024/9/22 3:35:26

一：递归分治

什么是递归？

  • 函数自己调用自己
  • 通过函数体来进行循环
  • 以自相似的方法重复进行的过程

递归的过程：先自顶向下找到递归出口，在自底向上回到最初的递归位置

在这里插入图片描述

推导路径未知的题目只能用递归不能用循环

比如求多叉树的节点（每个节点的分支都不同）
在这里插入图片描述

推导路径未知的题目只能用递归不能用循环

比如求多叉树的节点（每个节点的分支都不同）

在这里插入图片描述

递归问题需要考虑

  • 确定递归的重叠子问题—数学归纳法
  • 确定递归边界，一定要有递归出口—避免死循环
  • 保护和还原现场—比如当前层的改变了全局参数回溯会影响结果

在这里插入图片描述

一般来说，涉及全局变量和静态变量或者类私有变量，不同层之间可能需要进行数据恢复

二：打印二进制回溯解法

下图是长度为2的二进制个数

  • 从左至右，依次加入0，回溯时放弃0，选择1

先添加元素，后进行递归

在这里插入图片描述

这种方法一定要传递供选项，就是每次进行的选择

  • 这里二进制的01选择是隐藏的，需要显式给出
vector<vector<int>> res;
void getAllBin(vector<int> nums,vector<int> ans,int n){
    for (int i = 0; i < nums.size();i++){
        ans.push_back(nums[i]);//先添加元素
        if(ans.size()==n){//满足存结果，不要return
            res.push_back(ans);
        }
        else{//不满足长度递归
            getAllBin(nums, ans, n);
        }
        ans.pop_back();
    }
}
vector<vector<int>> printAllbin(int n){
    vector<int> nums = {0, 1};//显式给出01供选项
    vector<int> ans;
    getAllBin(nums, ans, n);
    return res;
}

当然也可以把判断语句放在if外，需要return

void getAllBin(vector<int> nums,vector<int> ans,int n){
 if(ans.size()==n){//满足存结果
     res.push_back(ans);
     return;
 }
 for (int i = 0; i < nums.size();i++){
     ans.push_back(nums[i]);//先添加元素
     //递归
     getAllBin(nums, ans, n);
     ans.pop_back();
 }
}

一般选择这种，更清晰

先进行回溯，再添加元素

在这里插入图片描述

vector<vector<int>> res;
void getAllBin(vector<int> ans,int n){
    if(ans.size()==n){
        res.push_back(ans);
        return;
    }
    //加入0回溯
    vector<int> tmp1 = ans;
    tmp1.push_back(0);
    getAllBin(tmp1, n);
    //加入1回溯
    vector<int> tmp2 = ans;
    tmp2.push_back(1);
    getAllBin(tmp2, n);
}
vector<vector<int>> printAllbin(int n){
    vector<int> ans;
    getAllBin(ans, n);
    return res;
}

这里是传入新变量，当然也可以用ans，但是需要pop_back(),防止影响结果

void getAllBin(vector<int> ans,int n){
 if(ans.size()==n){
     res.push_back(ans);
     return;
 }
 //加入0回溯
 ans.push_back(0);
 getAllBin(ans, n);
 //别忘了pop_back()
 ans.pop_back();
 // 加入1回溯
 ans.push_back(1);
 getAllBin(ans, n);
 //pop与否都可以
 //ans.pop_back();
}

这里ans.size()是隐式递归结束变量，也可以单独用一个参数，但是要注意递归+1

vector<vector<int>> res;
void getAllBin(vector<int> ans,int n,int level){
    if(level==n){
        res.push_back(ans);
        return;
    }
    //加入0回溯
    ans.push_back(0);
    getAllBin(ans, n, level + 1);//+1
    ans.pop_back();
    // 加入1回溯
    ans.push_back(1);
    getAllBin(ans, n, level + 1);//+1
    //pop与否都可以
    return;
}
vector<vector<int>> printAllbin(int n){
    vector<int> ans;
    getAllBin(ans, n,0);//从0开始
    return res;
}

当然也可以用减法实现，size==0一样可以结束递归

vector<vector<int>> res;
void getAllBin(vector<int> ans,int n){
    if(n==0){
        res.push_back(ans);
        return;
    }
    //加入0回溯
    ans.push_back(0);
    getAllBin(ans, n-1);//+1
    ans.pop_back();
    // 加入1回溯
    ans.push_back(1);
    getAllBin(ans, n-1);//+1
    //pop与否都可以
    return;
}
vector<vector<int>> printAllbin(int n){
    vector<int> ans;
    getAllBin(ans, n);
    return res;
}

三：用数组初始化一个二叉搜索树

BST数据结构，中序遍历

  • bst数据结构
struct bst{
    //节点，左子树，右子树
    int val;
    bst *left;
    bst *right;
    //带有默认参数的构造函数
    bst(int v = 0,bst* l=NULL,bst* r=NULL):val(v),left(l),right(r){}
};
  • 中序遍历
void midTraverse(const bst* root){
    if(root==NULL)
        return;
    midTraverse(root->left);
    cout << root->val << " ";
    midTraverse(root->right);
}
  • 程序测试
int main(){
    bst *aa = new bst(100);
    bst *bb = new bst(500);
    bst *cc = new bst(200, aa, NULL);
    bst *dd = new bst(400, NULL, bb);
    bst *ee = new bst(300,cc,dd);
    midTraverse(ee);
    return 0;
}

运行结果：

100 200 300 400 500

迭代形式创建

先找后插
bst* createBST_loop(int a[],int n){
     //首先根节点设为第一个元素值
     bst *root = new bst(a[0]);
     //插入余下值
     bst *parent = NULL;
     for (int i = 1; i < n;i++){
         //定义指向root节点，防止断链
         bst *cur = root;//必须从root开始
         // 先找到插入值的父节点，再进行插值
         while (cur)
         {
             if (a[i] < cur->val)
             {
                 parent = cur;
                 cur = cur->left;
             }
             else if (a[i] > cur->val)
             {
                 parent = cur;
                 cur = cur->right;
             }
             else
             { // a[i]==root->val
                 return root;
             }
          }
          //判断当前值和父节点大小来将新节点插入到左右子树
          if(parent){//防止NULL->__
               if(a[i]<parent->val){
                   parent->left = new bst(a[i]);
               }
               else{
                   parent->right = new bst(a[i]);
               }
          }
     }//for
     return root;
}
  • 需要一个指针指向root，这样每次才能不断链
  • 这里是找到插入节点的父节点，单独标记

当然也可以把根节点作为参数，函数没有返回值

  1. 但是必须传入指针的引用

  2. 传引用，初始化必须有指向，比如NULL

void create_BST_loop(bst*& root,int a[],int n){
    root = new bst(a[0]);
    bst *parent = NULL;
    for (int i = 1; i < n;i++){
        bst *cur = root;
        while(cur){
            if(a[i]<cur->val){
                parent = cur;
                cur = cur->left;
            }
            else if(a[i]>cur->val){
                parent = cur;
                cur = cur->right;
            }
            else{
                return;
            }
        }
        //待插节点
        bst *tmp = new bst(a[i]);
        if(parent){
            if(a[i]<parent->val){
                parent->left = tmp;
            }
            else{
                parent->right = tmp;
            }
        }
    }//for
}

bst *newnode=NULL;

create_BST_loop(newnode, a, n);

midTraverse(newnode);

边找边插
bst* create_BST_loop(int a[],int n){
    bst* root = new bst(a[0]);
    for (int i = 1; i < n;i++){
        bst *cur = root;
        while(cur){
            if(a[i]<cur->val){
                if(cur->left){
                    cur = cur->left;
                }
                else{
                    cur->left = new bst(a[i]);
                    break;//插入后跳出
                }
            }
            else if(a[i]>cur->val){
               if(cur->right){
                   cur = cur->right;
               }
               else{
                   cur->right = new bst(a[i]);
                   break;
               }
            }
            else{
                return root;
            }
        }
    }//for
    return root;
}

  • 这里不需要父节点了，只要往左右子树遍历时判断一下存在性

    不存在说明该左子树就是要插值

  • 千万别忘了插入后的break

递归形式创建

由于每次插入需要找到插入位置，所以用递归找到插入位置，然后循环多次插入

void getRecursion(bst*& root,int x){
     if(root==NULL){
         root = new bst(x);
         return;
     }
     if(x<root->val){
         getRecursion(root->left, x);
     }
     else if(x>root->val){
         getRecursion(root->right, x);
     }
     else{//==
         return;
     } 
}
bst* create_BSTrecursion(int a[],int n){
    bst *root = new bst(a[0]);
    for (int i = 0; i < n;i++){
        int x = a[i];
        getRecursion(root, x);
    }
    return root;
}
  • 父节点形式递归,返回类型bst*
bst* getRecursion(bst* root,int x){
    if(root==NULL){
        root = new bst(x);
        return root;
    }
    if(x<root->val){//自己建立链条
        root->left = getRecursion(root->left, x);
    }
    else if(x>root->val){
        root->right = getRecursion(root->right, x);
    }
    return root;
}
bst* create_BSTrecursion(int a[],int n){
    bst *root = new bst(a[0]);
   // bst* tmp;
    for (int i = 0; i < n;i++){
        int x = a[i];
        getRecursion(root, x);
        //tmp=getRecursion(root, x);
    }
    return root;
    //return tmp
} 

bst* create_BSTrecursion(int a[],int n){
 bst *root = new bst(a[0]);
 bst* tmp;
 for (int i = 0; i < n;i++){
     int x = a[i];
     tmp=getRecursion(root, x);
 }
 return tmp
}

可以定义新变量接受返回值，因为root在函数内部，可以不写root=getRecyrsion();

  • 如果想变成void,就需要把父节点作为参数
void getRecursion(bst* root,bst* parent,int x){
    if(root==NULL){
        /*建立parent与root联系*/
        if(x<parent->val){
            parent->left = new bst(x);
        }
        else{
            parent->right = new bst(x);
        }
        return;//递归结束
    }
    //传递父节点
    if(x<root->val){
        getRecursion(root->left,root, x);
    }
    else if(x>root->val){
        getRecursion(root->right,root,x);
    }
    return;
}
bst* create_BSTrecursion(int a[],int n){
    bst *root = new bst(a[0]);
    for (int i = 0; i < n;i++){
        int x = a[i];
        getRecursion(root,NULL, x);
    }
    return root;
}

主函数形式

bst不可以有重复值，所以生成随机数时候需要去重

int n = 10;
    int *a = new int[10];
    for (int i = 0; i < 10;i++){
        //生成[a,b)的随机数---(rand()%(b-a))+a
        a[i] = (rand() % 90)+10;
        //bst不能有重复值，相等去除
        for (int j = 0; j < i;j++){
            if(a[j]==a[i]){
                i-=1;//重新生成a[i]
                break;
            }
        }
    }
   // bst *root = create_BSTrecursion(a, n);

四：换一种思路求全排列

在这里插入图片描述

也就是变动原数组，选择一个就把自己的选择去掉，然后递归，回溯的时候补上元素

​ 把数组恢复需要用到insert()函数，需要传递插入位置和插入值:

​ 所以在删除的时候提前记录删除元素值和删除的iter位置

vector<vector<int>> res;
void getLine(vector<int> nums ,vector<int> ans,int n){
    if(n==0){
        res.push_back(ans);
        return;
    }
    for (int i = 0; i < nums.size();i++){
        //记录删除元素x
        int x = nums[i];
        ans.push_back(nums[i]);
        //记录删除元素位置的下一个迭代器it
        auto it=nums.erase(nums.begin()+i);
        getLine(nums, ans, n - 1);
        //别忘了回溯撤销ans的选择
        ans.pop_back();
        //恢复原数组，在it前加入x
        nums.insert(it,x);
    }
}
vector<vector<int>> fullLine(vector<int> nums){
    vector<int> tmp;
    getLine(nums, tmp,nums.size());
    return res;
}

五：求{1，2，3}子集图示

先选元素，再回溯

在这里插入图片描述

由于子集中元素可选可不选，每次循环的开始值是上一次的值+1

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> subsets(vector<int>& nums) {
        vector<int> mm;
        findSub(nums, mm, 0);
        res.push_back({});
        return res;
    }

private:
    vector<vector<int>> res;
    void findSub(vector<int> nums, vector<int> ans, int index) {
        for (int i = index; i < nums.size(); i++) {
            ans.push_back(nums[i]);
            // res.push_back(ans);
            findSub(nums, ans, i + 1); // 当前i的下一个
            res.push_back(ans);        // 在递归前记录也行
            ans.pop_back();
        }
    }
};

运行结果：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

六：组合问题

77. 组合
C n k : 从 n 个元素中选 k 个 C_n^k:\text{从}n\text{个元素中选}k\text{个} Cnk​:从n个元素中选k个

其实思路类似子集：

比如{1，2，3}中{1，3}和{3，1}是重复的，所以元素只能以该元素为起点，向后递归，不能往前选

但是组合规定了个数，只要在结果处存储正确的符合条件的结果即可，在所有路径提前剪去不符合要求的

注意：从i开始的，必须要求[i,...,n]的个数n-i+1加上ans当前的数量大于k

即：n-i+1+ans.size()>k----数量小于k一点不符合题意，提前剪枝

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
        this->n=n;
        this->k=k;
        vector<int> mm;
        findCombine(mm,0);
        return res;
    }
private:
    int n;
    int k;
    vector<vector<int>> res;
    void findCombine(vector<int> ans,int index){
        if(ans.size()==k){
            res.push_back(ans);
            return;//递归结束
        }
        //[i,...,n]个数：n-i+1+ans.size()<k
         for(int i=index;i<(n-k+1)+ans.size();i++){
             ans.push_back(i+1);
             findCombine(ans,i+1);
             ans.pop_back();
         }
    }
};

也可以按照选不选元素去回溯，但是要提前结束

  • 当前ans的大小超过k了
  • 当前ans的大小把后面全选了也不足k
class Solution {
public:
    vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
        this->n = n;
        this->k = k;
        vector<int> mm;
        findCombine(mm, 1);
        return res;
    }

private:
    int n;
    int k;
    vector<vector<int>> res;
    void findCombine(vector<int> ans, int index) {
        // ans.size()+(n-index+1)<k
        if (ans.size() > k || ans.size() + (n - index + 1) < k) {
            return; // 提前回溯
        }
        if (ans.size() == k) {
            res.push_back(ans);
            return;
        }
        // 选该元素
        ans.push_back(index);
        findCombine(ans, index + 1);
        // 不选该元素
        ans.pop_back();
        findCombine(ans, index + 1);
    }
};

      // 不选该元素
     findCombine(ans, index + 1);
      // 选该元素
     ans.push_back(index);
     findCombine(ans, index + 1);

从不选到选，不需要pop_back(),加上也正确

三种基本类型回溯

分为排列，子集，组合，后一种分别是前一种的子集

在这里插入图片描述

类似问题只需在该基础上进行剪枝

七：递归与分治

104. 二叉树的最大深度

自底向上求法

分治求法：

  • 求出左子树的最大深度
  • 求出右子树的最大深度
  • 然后最大深度=max(左子树，右子树)+1（根节点）
int maxDepth(TreeNode* root) {
        if(root==NULL) return 0;
        int l=maxDepth(root->left);
        int r=maxDepth(root->right);
        return max(l,r)+1;
    }

在这里插入图片描述

联系在一起的关键是：函数体内求左子树和求右子树的对应一个root

这是典型的自底向上，也就是相当于从下面向前面追溯得到结果

自顶向下求法

在这里插入图片描述

class Solution {
public:
    int maxDepth(TreeNode* root) {
        res = 0;
        dfs(root, 1);//根节点为1
        return res;
    }

private:
    int res;
    void dfs(TreeNode* root, int depth) {
        if (root == NULL)
            return;
       
        dfs(root->left, depth + 1);
        dfs(root->right, depth + 1);
         res = max(res, depth); // 更新结果
    }
};

每次递归依次就更新依次结果

递归前或递归后递归不影响

res = max(res, depth); // 更新结果
dfs(root->left, depth + 1);
dfs(root->right, depth + 1);

当然也可以把depth设为全局变量，但是要清理现场

class Solution {
public:
    int maxDepth(TreeNode* root) {
        res = 0;
        depth=0;
        dfs(root);
        return res;
    }

private:
    int res;
    int depth;
    void dfs(TreeNode* root) {
        if (root == NULL)
            return;
        depth++;//当前层+1
        res = max(res, depth); // 更新结果
        dfs(root->left);
        //depth--;
        //depth++;
        dfs(root->right);
        depth--;//回到上一层，depth-1
    }
};

bfs—广度优先遍历

队列存储二元组，每次都记录层次大小

  using pr=pair<TreeNode*,int>;
    int maxDepth(TreeNode* root) {
        int res=0;
        /*广度优先遍历*/
        queue<pr> que;
        int level=1;//记录层次
        if(root==NULL) return 0;
        que.push(make_pair(root,level));
        while(!que.empty()){
            TreeNode* tmp=que.front().first;
            int level=que.front().second;
            que.pop();
            res=max(res,level);//更新res
            if(tmp->left) que.push(make_pair(tmp->left,level+1));
            if(tmp->right) que.push(make_pair(tmp->right,level+1));
        }
        return res;
    }

当然也可以利用队列每次存的都是当前层的所有元素

int maxDepth(TreeNode* root) {
        int res = 0;
        /*广度优先遍历*/
        queue<TreeNode*> que;
        int level = 1; // 记录层次
        if (root == NULL)
            return 0;
        que.push(root);
        while (!que.empty()) {
            int sz = que.size(); // 当前队列元素，当前层个数
            while (sz > 0) {//当前层所有元素出队
                TreeNode* tmp = que.front();
                que.pop();
                if (tmp->left)
                    que.push(tmp->left);
                if (tmp->right)
                    que.push(tmp->right);
                sz--;
            }
            res+=1;//层次+1
        }
        return res
    }

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