有空多刷刷算法题：回溯理论基础、leecode-77：组合、leecode：组合总和 III

news2024/11/13 15:09:40

回溯算法

一、理论基础

参考代码随想录，仅作记录学习之用

回溯是递归的副产品，只要有递归就会有回溯
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（也可能会有逻辑操作），但也改不了回溯法就是穷举的本质
回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构
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）

在这里插入图片描述

回溯法，⼀般可以解决如下⼏种问题：

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

二、回溯算法模板

在这里插入图片描述

    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
        }
    }

77、组合

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。

你可以按 任何顺序 返回答案。

示例 1：

输入：n = 4, k = 2
输出：
[ [2,4], [3,4],[2,3],[1,2],[1,3], [1,4]]

示例 2：

输入：n = 1, k = 1
输出：[[1]]

提示：

1 <= n <= 20
1 <= k <= n

思路:
在这里插入图片描述

class Solution {
    public List<List<Integer>> combine(int n, int k) {
        List<List<Integer>> resList = new ArrayList<>();
        if (n<k || k<1)return resList;
        // 从 1 开始是题目的设定
        Deque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
        dfs(n,k,1,path,resList);
        return resList;
    }

    void dfs(int n, int k, int begin, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> resList){
        // 递归终止条件是：path 的长度等于 k
        if(path.size()==k){
            resList.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        // 遍历可能的搜索起点
        for (int i=begin;i<=n;i++){
            path.addLast(i);    // 向路径变量里添加一个数
            dfs(n,k,i+1,path,resList);  // 下一轮搜索，设置的搜索起点要加 1，因为组合数理不允许出现重复的元素
            path.removeLast();  // 重点理解这里：深度优先遍历有回头的过程，因此递归之前做了什么，递归之后需要做相同操作的逆向操作
        }
    }
}

剪枝优化
在这里插入图片描述
图中每⼀个节点（图中为矩形），就代表本层的⼀个for循环，那么每⼀层的for循环从第⼆个数开始遍历的话，都没有意义，都是⽆效遍历。
所以，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。
注意代码中i，就是for循环⾥选择的起始位置。

for (int i = startIndex; i <= n; i++)

接下来看⼀下优化过程如下：

已经选择的元素个数：path.size();
还需要的元素个数为: k - path.size();
在集合n中⾄多要从该起始位置 : 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]。

优化后代码

    void dfs(int n, int k, int begin, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> resList){
        // 递归终止条件是：path 的长度等于 k
        if(path.size()==k){
            resList.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        // 遍历可能的搜索起点
        for (int i=begin;i<=n-(k-path.size())+1;i++){
            path.addLast(i);    // 向路径变量里添加一个数
            dfs(n,k,i+1,path,resList);  // 下一轮搜索，设置的搜索起点要加 1，因为组合数理不允许出现重复的元素
            path.removeLast();  // 重点理解这里：深度优先遍历有回头的过程，因此递归之前做了什么，递归之后需要做相同操作的逆向操作
        }
    }

时间复杂度: O(n * 2^n)
空间复杂度: O(n)

216、组合总和III

找出所有相加之和为 n 的 k 个数的组合，且满足下列条件：

只使用数字1到9
每个数字最多使用一次
返回 所有可能的有效组合的列表 。该列表不能包含相同的组合两次，组合可以以任何顺序返回。

示例 1:

输入: k = 3, n = 7
输出: [[1,2,4]]
解释:
1 + 2 + 4 = 7
没有其他符合的组合了。

示例 2:

输入: k = 3, n = 9
输出: [[1,2,6], [1,3,5], [2,3,4]]
解释:
1 + 2 + 6 = 9
1 + 3 + 5 = 9
2 + 3 + 4 = 9
没有其他符合的组合了。

示例 3:

输入: k = 4, n = 1
输出: []
解释: 不存在有效的组合。
在[1,9]范围内使用4个不同的数字，我们可以得到的最小和是1+2+3+4 = 10，因为10 > 1，没有有效的组合。

提示:

2 <= k <= 9
1 <= n <= 60

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数组
回溯

思路：
回溯三部曲：

确定递归函数参数

   List<List<Integer>> resList = new ArrayList<>();
   List<Integer> tempList = new ArrayList<>();
   public void backTracking(int k, int n,int sum,int startIndex){	
  	 	n（int）⽬标和。
   		k（int）就是题⽬中要求k个数的集合。
   		sum（int）为已经收集的元素的总和，也就是path⾥元素的总和。
   		startIndex（int）为下⼀层for循环搜索的起始位置。

确定终⽌条件
k其实就已经限制树的深度，因为就取k个元素，树再往下深了没有意义。所以如果path.size() 和 k相等了，就终⽌

        if (tempList.size()==k){    //1.先满足个数
            if (sum==n){    //2.在满足和，才添加
                resList.add(new ArrayList<>(tempList));
            }
            return;
        }

单层逻辑处理

剪枝优化：

代码如下：

class Solution {
    List<List<Integer>> resList = new ArrayList<>();
    List<Integer> tempList = new ArrayList<>();
    public List<List<Integer>> combinationSum3(int k, int n) {
        backTracking(k,n,0,1);
        return resList;
    }
    public void backTracking(int k, int n,int sum,int startIndex){
        //4.剪枝操作，当前值 > 目标值就没必要循环下去了
        if(sum>n){
            return;
        }
        if (tempList.size()==k){    //1.先满足个数
            if (sum==n){    //2.在满足和，才添加
                resList.add(new ArrayList<>(tempList));
            }
            return;	// 如果path.size() == k 但sum != n直接返回
        }

        for (int i=startIndex;i<=9;i++){    //3.startIndex:下一层for循环搜索的起始位置，按照题意也避免重复数字的出现了，之前从1开始到n肯定是错的,读题
            sum+=i;	 // 处理
            tempList.add(i);	// 处理
            backTracking(k,n,sum,i+1);	// 注意i+1调整startIndex
            sum-=i; // 回溯
            tempList.remove(tempList.size()-1); // 回溯
        }
    }
}