算法通关村18关 | 透析回溯的

news2025/1/21 15:25:37

回溯有清晰的解题模板,

    void backtracking(参数){
        if (终止条件){
            存放结果;
            return;
        }
        for (选择本层中的集合元素(画成树,就是树节点孩子的大小) {
            处理节点;
            backtracking();
            回溯,撤销处理结果;
        }
    }

1. 从N叉树说起

在回溯之前,先看一下N叉树的遍历问题,我们知道在二叉树中,按照前序遍历的过程如下所示:

    void treeDFS(TreeNode root){
        if (root == null){
            return;
        }
        System.out.println(root.val);
        treeDFS(root.left);
        treeDFS(root.right);
    }

    class TreeNode{
        int val;
        TreeNode left;
        TreeNode right;
    }

假如是N叉树,该如何遍历,将原来的子节点left和right换成list。

    public class TreeNode {
        int val;
        List<TreeNode> nodes;
    }
    //N叉树遍历的基本过程
    public static void treeDFS(TreeNode root){
        //递归必须要有终止条件
        if (root == null){
            return;
        }
        //处理节点
        System.out.println(root.val);
        //通过循环,分别遍历N个子树
        for (int i = 0; i < nodes.length; i++) {
            treeDFS("第i个子节点");
        }
    }

2. 为什么有的问题暴力搜索也不行

LeetCode77: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。例如,输入n=4,k = 2,则输出:[ [1,2], [1,3], [1,4], [2,3], [2,4], [3,4]。

可以用双重循环暴力搜索

        int n = 4;
        for (int i = 0; i <= n; i++) {
            for (int j = i + 1; j <= n; j++) {
                System.out.println( i + " " + j);
            }
        }

如果n和k都变大,例如k=50,那么50层循环嵌套,时间复杂度就会非常高。

3. 回溯 = 递归 + 局部枚举 + 放下前任

继续研究LeetCode77题目:按照树的思想

n=4时,我们可以选择的n有{1,2,3,4}这四种情况,所以 我们从第一层到第二层的分支有四个,分别表示可以取 1,2,3,4.从左向右取数,取过的不会重复取,第一次取1,集合变为2,3,4,因为k为2,我们只需要再取一个就可以了,分别取2,3,4.

再看k=3,n=5,的树,图中红框标记处,代表一个结果,最后会有空的情况。

从图中发现元素个数时树的宽度,,每个结果的元素个数相当于树的深度(纵向),所以我们说回溯算法时一纵一横。

  1. 每次选择都是从类似{1,2,3,4},{1,2,3,4,5}这样一个序列一个个选,这就是局部枚举,而且越往后,枚举范围越小。
  2. 枚举时,我们就是简单的暴力测试而已,一个个验证,能否满足要求,从上图可以看到,这就是N叉树遍历的过程,因此两者代码很相似。
  3. 我们再看上图中红色大框起来的部分,这个部分执行过程与n=4,k = 2,的处理完全一样,很明显是个可以递归的子序列。
  4. 放下前任,这步还是根据代码解释。

回溯代码

    public List<List<Integer>> combine(int n, int k){
        ArrayList<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        if (k <= 0 || n < k){
            return res;
        }
        //用户返回结果
        ArrayDeque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
        dfs(n, k, 1, path, res);
        return res;
    }

    private void dfs(int n, int k, int startIndex, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> res) {
        //递归终止条件是:path的长度等于k
        if (path.size() == k){
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        //针对一个结点,遍历可能搜索的起点,其实就是枚举
        for (int i = 0; i <= n; i++) {
            //向路径变量添加一个数,就是上图中的一个树枝的值
            path.addLast(i);
            //搜索起点要加1是为了缩小范围,下一轮递归做准备,因为不允许出现重复元素
            dfs(n,k,i + 1,path,res);
            path.removeLast();
        }
    }

递归中的循环解释:

    for (int i = 0; i <= n; i++) {
        dfs(n,k,i + 1,path,res);
    }

代表图中的四个分支

4. 图解为什么有个撤销操作

主要还是对for循环的理解:

图中解释,我把最外层的for循环成为外for,内层成为内for

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