文章目录
- 回溯算法理论
- 什么是回溯法
- 回溯法的效率
- 回溯法解决的问题
- 理解回溯法
- 回溯法模板
- 组合问题I
- 描述
- 题解
- 优化
- 组合总和III
- 描述
- 题解
- 电话号码的字母组合
- 描述
- 题解
- 组合总和
- 描述
- 题解
- 组合总和II
- 描述
- 题解
- 分割回文串
- 描述
- 题解
- 复原IP地址
- 描述
- 题解
- 子集
- 描述
- 题解
- 子集II
- 描述
- 题解
- 递增子序列
- 描述
- 题解
- 全排列
- 描述
- 题解
- 全排列 II
- 描述
- 题解
- 重新安排行程 难
- 描述
- 如何处理死循环?
- 映射关系的记录
- 题解
- N皇后 难
- 描述
- 题解
- 解数独 跳过
- 描述
- 题解
回溯算法理论
什么是回溯法
回溯法也可以叫做回溯搜索法,它是一种搜索的方式。
回溯是递归的副产品,只要有递归就会有回溯。
回溯法的效率
纯暴力搜索
虽然回溯法很难,很不好理解,但是回溯法并不是什么高效的算法。
因为回溯的本质是穷举,穷举所有可能,然后选出我们想要的答案,如果想让回溯法高效一些,可以加一些剪枝的操作,但也改不了回溯法就是穷举的本质。
回溯法解决的问题
- 组合问题:N个数里面按一定规则找出k个数的集合
- 切割问题:一个字符串按一定规则有几种切割方式
- 子集问题:一个N个数的集合里有多少符合条件的子集
- 排列问题:N个数按一定规则全排列,有几种排列方式
- 棋盘问题:N皇后,解数独等等
理解回溯法
回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构
因为回溯法解决的都是在集合中递归查找子集,集合的大小就构成了树的宽度,递归的深度,都构成的树的深度。
递归就要有终止条件,所以必然是一棵高度有限的树(N叉树)。
回溯法模板
伪代码
void backtracking(参数) {
if (终止条件) {
存放结果;
return;
}
for (选择:本层集合中元素(树中节点孩子的数量就是集合的大小)) {
处理节点;
backtracking(路径,选择列表); // 递归
回溯,撤销处理结果
}
}
组合问题I
题目链接
描述
给定两个整数 n 和 k,返回 1 … n 中所有可能的 k 个数的组合。
示例: 输入: n = 4, k = 2 输出: [ [2,4], [3,4], [2,3], [1,2], [1,3], [1,4], ]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<int>>res;//最后的结果
vector<int>path;//放单个组合
void backtracking(int n,int k,int startIndex){
if (path.size()==k){
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = startIndex; i <= n; ++i) {
path.push_back(i);
backtracking(n,k,i+1);//使用递归代表for 一层递归一个for循环
path.pop_back();
}
}
public:
// 给定两个整数 n 和 k,返回范围 [1, n] 中所有可能的 k 个数的组合
vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
backtracking(n,k,1);
return res;
}
};
优化
如果n=k=4 那么第一层for循环从i=2之后都毫无意义
可以剪枝的地方就在递归中每一层的for循环所选择的起始位置。
如果for循环选择的起始位置之后的元素个数 已经不足 我们需要的元素个数了,那么就没有必要搜索了。
优化过程
- 已经存入的元素的个数:path.size()
- 还需要的元素的个数:k-path.size()
- 表中剩余元素的个数:n-i >= 所需元素(k - path.size())
- 在集合n中至多要从该起始位置 : i <= n - (k - path.size()) + 1,开始遍历
为什么有个+1呢,因为包括起始位置,我们要是一个左闭的集合。
举个例子,n = 4,k = 3, 目前已经选取的元素为0(path.size为0),n - (k - 0) + 1 即 4 - ( 3 - 0) + 1 = 2。
从2开始搜索都是合理的,可以是组合[2, 3, 4]。
class Solution {
private:
vector<vector<int>>res;//最后的结果
vector<int>path;//放单个组合
void backtracking(int n,int k,int startIndex){
if (path.size()==k){
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = startIndex; i <= n-(k-path.size())+1; ++i) {//优化后的for循环
path.push_back(i);
backtracking(n,k,i+1);//使用递归代表for 一层递归一个for循环
path.pop_back();
}
}
public:
// 给定两个整数 n 和 k,返回范围 [1, n] 中所有可能的 k 个数的组合
vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
backtracking(n,k,1);
return res;
}
};
组合总和III
题目链接
描述
找出所有相加之和为 n 的 k 个数的组合。组合中只允许含有 1 - 9 的正整数,并且每种组合中不存在重复的数字。
说明:
所有数字都是正整数。
解集不能包含重复的组合。
示例 1: 输入: k = 3, n = 7 输出: [[1,2,4]]
示例 2: 输入: k = 3, n = 9 输出: [[1,2,6], [1,3,5], [2,3,4]]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<int>> res;
vector<int> path;
/**
*
* @param k 1-9之间选取的个数
* @param n k个数的和为n
* @param startIndex 循环开始的数
* @param sum 目前已经和为多少
*/
void backtracking(int k, int n, int startIndex, int sum) {
if (sum > n)return;
if (path.size() == k) {
if (sum == n)res.push_back(path);
return; // 如果path.size() == k 但sum != targetSum 直接返回
}
for (int i = startIndex; i <= 9 - (k - path.size()) + 1; ++i) {// 剪枝
path.push_back(i);
sum += i;
backtracking(k, n, i + 1, sum);
path.pop_back();
sum -= i;
}
}
public:
vector<vector<int>> combinationSum3(int k, int n) {
path.clear();
res.clear();
backtracking(k, n, 1, 0);
return res;
}
};
电话号码的字母组合
题目链接
描述
给定一个仅包含数字 2-9 的字符串,返回所有它能表示的字母组合。
给出数字到字母的映射如下(与电话按键相同)。注意 1 不对应任何字母。
输入:“23”
输出:[“ad”, “ae”, “af”, “bd”, “be”, “bf”, “cd”, “ce”, “cf”].
说明:尽管上面的答案是按字典序排列的,但是你可以任意选择答案输出的顺序。
题解
class Solution {
private:
vector<string> res;
string path;
vector<string>flags={"abc","def","ghi","jkl","mno","pqrs","tuv","wxyz"};
void backtracking(string digits,int len,int startIndex) {
if (path.size()==len){
res.push_back(path);
return;
}
string letter=flags[digits[startIndex]-'0'-2];
for (int i = 0; i < letter.size(); ++i) {
path.push_back(letter[i]);
backtracking(digits,len,startIndex+1);
path.pop_back();
}
}
public:
vector<string> letterCombinations(string digits) {
int len = digits.size();
if (!len)return res;
backtracking(digits,len,0);
return res;
}
};
组合总和
题目链接
描述
给定一个无重复元素的数组 candidates 和一个目标数 target ,找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。
candidates 中的数字可以无限制重复被选取。
说明:
所有数字(包括 target)都是正整数。
解集不能包含重复的组合。
示例 1:
输入:candidates = [2,3,6,7], target = 7,
所求解集为: [ [7], [2,2,3] ]
示例 2:
输入:candidates = [2,3,5], target = 8,
所求解集为: [ [2,2,2,2], [2,3,3], [3,5] ]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<int>> res;
vector<int> path;
void backtracking(vector<int> &canidates, int target, int nowSum, int startIndex) {
if (nowSum > target)return;
if (nowSum == target) {
res.push_back(path);
return;
}
int len = canidates.size();
for (int i = startIndex; i < len; ++i) {
path.push_back(canidates[i]);
nowSum += canidates[i];
backtracking(canidates, target, nowSum, i);
path.pop_back();
nowSum -= canidates[i];
}
}
public:
vector<vector<int>> combinationSum(vector<int> &candidates, int target) {
backtracking(candidates, target, 0, 0);
return res;
}
};
组合总和II
添加链接描述
描述
给定一个数组 candidates 和一个目标数 target ,找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。
candidates 中的每个数字在每个组合中只能使用一次。
说明: 所有数字(包括目标数)都是正整数。解集不能包含重复的组合。
示例 1:
输入: candidates = [10,1,2,7,6,1,5], target = 8,
所求解集为:
[
[1, 7],
[1, 2, 5],
[2, 6],
[1, 1, 6]
]
示例 2:
输入: candidates = [2,5,2,1,2], target = 5,
所求解集为:
[
[1,2,2],
[5]
]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<int>>res;
vector<int>path;
void backtracking(vector<int>&candidates,int target,int nowSum,int index){
if (nowSum>target)return;
if (nowSum==target){
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = index; i < candidates.size(); ++i) {
if (i>index&&candidates[i]==candidates[i-1])continue;
path.push_back(candidates[i]);
nowSum+=candidates[i];
backtracking(candidates,target,nowSum,i+1);
path.pop_back();
nowSum-=candidates[i];
}
}
public:
vector<vector<int>> combinationSum2(vector<int>& candidates, int target) {
sort(candidates.begin(),candidates.end());
backtracking(candidates,target,0,0);
return res;
}
};
分割回文串
题目链接
描述
给定一个字符串 s,将 s 分割成一些子串,使每个子串都是回文串。
返回 s 所有可能的分割方案。
示例: 输入: “aab” 输出: [ [“aa”,“b”], [“a”,“a”,“b”] ]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<string>>res;
vector<string>path;
bool isPalindrome(const string&s,int start,int end){
for (int i = start,j=end; i < j; ++i,--j) {
if (s[i]!=s[j])return false;
}
return true;
}
void backtracking(const string&s,int startIndex){
// 如果起始位置已经大于s的大小,说明已经找到了一组分割方案了
if (startIndex>=s.size()){
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = startIndex; i < s.size(); ++i) {
if (isPalindrome(s,startIndex,i)){
// 获取[startIndex,i]在s中的子串
string str=s.substr(startIndex,i-startIndex+1);
path.push_back(str);
}else//如果不是回文串 那么跳过
continue;
backtracking(s,i+1);
path.pop_back();
}
}
public:
vector<vector<string>> partition(string s) {
backtracking(s,0);
return res;
}
};
复原IP地址
题目链接
描述
给定一个只包含数字的字符串,复原它并返回所有可能的 IP 地址格式。
有效的 IP 地址 正好由四个整数(每个整数位于 0 到 255 之间组成,且不能含有前导 0),整数之间用 ‘.’ 分隔。
例如:“0.1.2.201” 和 “192.168.1.1” 是 有效的 IP 地址,但是 “0.011.255.245”、“192.168.1.312” 和 “192.168@1.1” 是 无效的 IP 地址。
示例 1:
输入:s = “25525511135”
输出:[“255.255.11.135”,“255.255.111.35”]
示例 2:
输入:s = “0000”
输出:[“0.0.0.0”]
示例 3:
输入:s = “1111”
输出:[“1.1.1.1”]
题解
class Solution {
private:
vector<string> res;
// startIndex: 搜索的起始位置,pointNum:添加逗点的数量
void backtracking(string &s, int startIndex, int pointNum) {
if (pointNum == 3) {//逗号个数为3时 分割结束
//判断第四段字符串是否合法
if (vaildIP(s, startIndex, s.size() - 1)) {
res.push_back(s);
return;
}
}
for (int i = startIndex; i < s.size(); ++i) {
if (vaildIP(s, startIndex, i)) {// 判断 [startIndex,i] 这个区间的子串是否合法
s.insert(s.begin() + i + 1, '.');//在i后面插入逗号
++pointNum;
backtracking(s, i + 2, pointNum);
--pointNum;
s.erase(s.begin() + i + 1);
} else break;//不合法直接结束本层循环 因为如果这一段不合法那么再加一个字符也是不合法的
}
}
bool vaildIP(const string &s, int start, int end) {
if (start > end)return false;
if (s[start] == '0' && start != end)return false;
int num=0;
for (int i = start; i <= end; ++i) {
if (s[i]<'0'||s[i]>'9')return false;
num=num*10+s[i]-'0';
if (num>255)return false;
}
return true;
}
public:
vector<string> restoreIpAddresses(string s) {
backtracking(s, 0, 0);
return res;
}
};
子集
题目链接
描述
给定一组不含重复元素的整数数组 nums,返回该数组所有可能的子集(幂集)。
说明:解集不能包含重复的子集。
示例: 输入: nums = [1,2,3] 输出: [ [3], [1], [2], [1,2,3], [1,3], [2,3], [1,2], [] ]
题解
class Solution {
private:
vector<vector<int>>res;
vector<int>subSet;
void backtracking(vector<int>&nums,int startIndex){
res.push_back(subSet); // 收集子集,要放在终止添加的上面,否则会漏掉自己
if (startIndex>=nums.size())return;//终止条件 可以不加,因为下面的循环当startIndex==size的时候就不会进行了
for (int i = startIndex; i < nums.size(); ++i) {
subSet.push_back(nums[i]);
backtracking(nums,i+1);
subSet.pop_back();
}
}
public:
vector<vector<int>> subsets(vector<int>& nums) {
backtracking(nums,0);
return res;
}
};
子集II
题目链接
描述
给定一个可能包含重复元素的整数数组 nums,返回该数组所有可能的子集(幂集)。
说明:解集不能包含重复的子集。
示例:
输入: [1,2,2]
输出: [ [2], [1], [1,2,2], [2,2], [1,2], [] ]
题解
和子集I思路差不多,不过多了一个去重操作
class Solution {
private:
vector<vector<int>>res;
vector<int>path;
void backtracking(vector<int>&nums,int startIndex){
res.push_back(path);
if (startIndex>=nums.size())return;
for (int i = startIndex; i < nums.size(); ++i) {
if (i>startIndex&&nums[i]==nums[i-1])continue;
path.push_back(nums[i]);
backtracking(nums,i+1);
path.pop_back();
}
}
public:
vector<vector<int>> subsetsWithDup(vector<int>& nums) {
sort(nums.begin(),nums.end());
backtracking(nums,0);
return res;
}
};
递增子序列
题目链接
描述
给定一个整型数组, 你的任务是找到所有该数组的递增子序列,递增子序列的长度至少是2。
示例:
输入: [4, 6, 7, 7]
输出: [[4, 6], [4, 7], [4, 6, 7], [4, 6, 7, 7], [6, 7], [6, 7, 7], [7,7], [4,7,7]]
说明:
给定数组的长度不会超过15。
数组中的整数范围是 [-100,100]。
给定数组中可能包含重复数字,相等的数字应该被视为递增的一种情况。
题解
有更好的优化 比如unordered_set换成数组 因为题目给出了数字的范围
class Solution {
private:
vector<vector<int>> res;
vector<int> path;
void backtracking(vector<int> &nums, int startIndex) {
if (path.size() >= 2) {
res.push_back(path);
//后面不可以加return 因为要遍历全部
}
unordered_set<int> uset;//uset仅负责一层 也就是一层递归调用函数
for (int i = startIndex; i < nums.size(); ++i) {
if (!path.empty() && nums[i] < path.back() || uset.find(nums[i]) != uset.end())
continue;
uset.insert(nums[i]);//记录本层本元素已经使用 不影响下一层 (下一次递归)
path.push_back(nums[i]);
backtracking(nums, i + 1);
path.pop_back();
}
}
public:
vector<vector<int>> findSubsequences(vector<int> &nums) {
backtracking(nums, 0);
return res;
}
};
全排列
题目链接
描述
给定一个 没有重复 数字的序列,返回其所有可能的全排列。
示例:
输入: [1,2,3]
输出: [ [1,2,3], [1,3,2], [2,1,3], [2,3,1], [3,1,2], [3,2,1] ]
题解
排列问题:
- 每层都是从0开始搜索而不是startIndex
- 需要used数组记录path里都放了哪些元素了
class Solution {
private:
vector<vector<int>> res;
vector<int> path;
void backtracking(vector<int> &nums,vector<bool>&used) {
if (path.size() == nums.size()) {
// 此时说明找到了一组
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) {
if (used[i])continue;// path里已经收录的元素,直接跳过
used[i]=true;
path.push_back(nums[i]);
backtracking(nums,used);
used[i]=false;
path.pop_back();
}
}
public:
vector<vector<int>> permute(vector<int> &nums) {
vector<bool>used(nums.size(),false);
backtracking(nums,used);
return res;
}
};
全排列 II
题目链接
描述
给定一个可包含重复数字的序列 nums ,按任意顺序 返回所有不重复的全排列。
示例 1:
输入:nums = [1,1,2]
输出: [[1,1,2], [1,2,1], [2,1,1]]
示例 2:
输入:nums = [1,2,3]
输出:[[1,2,3],[1,3,2],[2,1,3],[2,3,1],[3,1,2],[3,2,1]]
提示:
1 <= nums.length <= 8
-10 <= nums[i] <= 10
题解
借用代码随想录网站的图:
树层上去重(used[i - 1] == false),的树形结构如下:
树枝上去重(used[i - 1] == true)的树型结构如下:
class Solution {
private:
vector<vector<int>> res;
vector<int> path;
void backtracking(vector<int> &nums, vector<bool> &used) {
if (path.size() == nums.size()) {
res.push_back(path);
return;
}
for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) {
// used[i - 1] == true,说明同一树枝nums[i - 1]使用过
// used[i - 1] == false,说明同一树层nums[i - 1]使用过
// 如果同一树层nums[i - 1]使用过则直接跳过
if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && used[i - 1] == false)continue;
if (!used[i]) {
used[i] = true;
path.push_back(nums[i]);
backtracking(nums, used);
path.pop_back();
used[i] = false;
}
}
}
public:
vector<vector<int>> permuteUnique(vector<int> &nums) {
vector<bool> used(nums.size(), false);
sort(nums.begin(), nums.end());
backtracking(nums, used);
return res;
}
};
重新安排行程 难
题目链接
描述
给定一个机票的字符串二维数组 [from, to],子数组中的两个成员分别表示飞机出发和降落的机场地点,对该行程进行重新规划排序。所有这些机票都属于一个从 JFK(肯尼迪国际机场)出发的先生,所以该行程必须从 JFK 开始。
提示:
如果存在多种有效的行程,请你按字符自然排序返回最小的行程组合。例如,行程 [“JFK”, “LGA”] 与 [“JFK”, “LGB”] 相比就更小,排序更靠前
所有的机场都用三个大写字母表示(机场代码)。
假定所有机票至少存在一种合理的行程。
所有的机票必须都用一次 且 只能用一次。
示例 1:
输入:[[“MUC”, “LHR”], [“JFK”, “MUC”], [“SFO”, “SJC”], [“LHR”, “SFO”]]
输出:[“JFK”, “MUC”, “LHR”, “SFO”, “SJC”]
示例 2:
输入:[[“JFK”,“SFO”],[“JFK”,“ATL”],[“SFO”,“ATL”],[“ATL”,“JFK”],[“ATL”,“SFO”]]
输出:[“JFK”,“ATL”,“JFK”,“SFO”,“ATL”,“SFO”]
解释:另一种有效的行程是 [“JFK”,“SFO”,“ATL”,“JFK”,“ATL”,“SFO”]。但是它自然排序更大更靠后。
本题中存在的几个难点
如何处理死循环?
出发机场和到达机场也会重复的,如果在解题的过程中没有对集合元素处理好,就会死循环
映射关系的记录
题目要求:如果有多个路径,字母序靠前排在前面
一个机场映射多个机场,多个机场之间要按照字母序排序
可以使用unordered_map<string,map<string,int>> targets
,也就是对应
map/set 自动排序(按照数字、字母序,从小到大排序)
unordered_map<出发机场,map<到达机场,航班次数>>
在遍历 unordered_map<出发机场, map<到达机场, 航班次数>> targets的过程中,可以使用"航班次数"这个字段的数字做相应的增减,来标记到达机场是否使用过了
如果“航班次数”大于零,说明目的地还可以飞,如果“航班次数”等于零说明目的地不能飞了,而不用对集合做删除元素或者增加元素的操作。
题解
class Solution {
private:
unordered_map<string, map<string, int>> targets;
vector<string> result;
// 对于本题目而言 我们不需要遍历跟到节点的所有可能,只需要找到一个行程,就是在树形结构中唯一的一条通向叶子节点的路线
// 所以需要返回值
bool backtracking(vector<vector<string>> &tickets, int ticketNum) {
if (ticketNum + 1 == result.size())return true;
for (pair<const string, int> &target: targets[result[result.size() - 1]]) {
if (target.second) {
result.push_back(target.first);
target.second--;
if (backtracking(tickets, ticketNum))return true;
target.second++;
result.pop_back();
}
}
return false;
}
public:
vector<string> findItinerary(vector<vector<string>> &tickets) {
for (const vector<string> &ticket: tickets)
targets[ticket[0]][ticket[1]]++;
result.push_back("JFK");
backtracking(tickets, tickets.size());
return result;
}
};
N皇后 难
题目链接
描述
n 皇后问题 研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。
给你一个整数 n ,返回所有不同的 n 皇后问题 的解决方案。
不能同行
不能同列
不能同斜线
每一种解法包含一个不同的 n 皇后问题 的棋子放置方案,该方案中 ‘Q’ 和 ‘.’ 分别代表了皇后和空位。
题解
class Solution {
private:
vector<vector<string>>res;
bool isValid(int row,int col,int n,vector<string>&path){
//检查列
for(int i = 0; i < row; ++i)
if(path[i][col]=='Q')return false;
/* 检查行是多余的,
因为在单层搜索的过程中,每一层递归,只会选for循环(也就是同一行)里的一个元素,所以不用去重了。
for(int i = 0;i < col;++i)
if(path[row][i]=='Q')return false;
*/
//45度
for(int i = col-1,j=row-1;i >= 0&&j>=0;--i,--j){
if(path[j][i]=='Q')return false;
}
//135度
for(int i = row-1,j=col+1;i>=0&&j<n ;--i,++j){
if(path[i][j]=='Q')return false;
}
return true;
}
void backtracking(int n,int start,vector<string>&path){
if(start==n){
res.push_back(path);
return;
}
for(int i = 0 ;i < n ;++i){
if(isValid(start,i,n,path)){
path[start][i]='Q';
backtracking(n,start+1,path);
path[start][i]='.';
}
}
}
public:
vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
vector<string>path(n,string(n,'.'));
backtracking(n,0,path);
return res;
}
};
解数独 跳过
题目链接
描述
编写一个程序,通过填充空格来解决数独问题。
一个数独的解法需遵循如下规则: 数字 1-9 在每一行只能出现一次。 数字 1-9 在每一列只能出现一次。 数字 1-9 在每一个以粗实线分隔的 3x3 宫内只能出现一次。 空白格用 ‘.’ 表示。
提示:
给定的数独序列只包含数字 1-9 和字符 ‘.’ 。
你可以假设给定的数独只有唯一解。
给定数独永远是 9x9 形式的。