回溯算法学习笔记

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代码随想录 - 关于回溯算法,你该了解这些!

什么是回溯法

回溯(backtracking)法又称回溯搜索法,它是一种搜索的方式。

回溯法不容易,但回溯法就是暴力解法。

回溯与递归形影不离。

backtracking

英 [ˈbæktrækɪŋ] 美 [ˈbæktrækɪŋ]

v. 原路返回;折回;折返;(屈于压力而)改变声明(或主张),出尔反尔;退缩

backtrack的现在分词

回溯法的效率

虽然回溯法难懂费解,但是它不是高效的算法。

因为回溯的本质是穷举,穷举所有可能,然后选出心仪的答案。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。

既然回溯法并不高效为何还要用它呢?因为别无选择。一些问题除了暴力搜索,就没有其它更高效的解法。

回溯法解决的问题

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
  • 排列问题:N个数按一定规则全排列,有几种排列方式
  • 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
  • 棋盘问题:N皇后,解数独等等

注意,组合与排序的区分。

组合是不强调元素顺序的,排列是强调元素顺序

例如:{1, 2} 和 {2, 1} 在组合上,就是一个集合,因为不强调顺序,而要是排列的话,{1, 2} 和 {2, 1} 就是两个集合了。

助记:组合无序,排列有序。

如何理解回溯法

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,递归的深度也就构成的树的深度

递归就要有终止条件,所以必然是一颗高度有限的树。

回溯法模板

回溯三部曲:

  1. 函数签
  2. 止条件
  3. 过程

助记:一位中国人,给美国送,创造史。

回溯函数模板返回值以及参数(函数签名)

在回溯算法中,回溯函数一般情况下命名为backtracking,返回值一般为void,至于函数参数一开始不容易确定,所以一般先写逻辑,参数随后按需添加。

//回溯函数签名示例
void backtracking(参数 ...){}

回溯函数终止条件

什么时候达到了终止条件,树中就可以看出,一般来说搜到叶子节点了,也就找到了满足条件的一条答案,把这个答案存放起来,并结束本层递归。

if (终止条件) {存放结果;return;
}

回溯搜索的遍历过程

前文谈到,回溯法一般是在集合中递归搜索,集合的大小构成了树的宽度,递归的深度构成的树的深度。

从图中看出,for循环理解成横向遍历,backtracking(递归)则是纵向遍历,这样就把这棵树全遍历完了,一般来说,搜索叶子节点就是找的其中一个结果了。

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
}

总结

回溯算法模板框架如下:

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}
}

这份模板很重要,日后用到回溯法题目都靠它了

经典题目

  1. 求组合问题 - LeetCode - Medium - 77. Combinations
  2. 求组合总和 - LeetCode - Medium - 216. Combination Sum III
  3. 求N皇后问题 - LeetCode - Hard - 51. N-Queens
  4. 分割回文串 - LeetCode - Medium - 131. Palindrome Partitioning
  5. 求子集问题 - LeetCode - Medium - 78. Subsets
  6. 求子集问题 - LeetCode - Medium - 90. Subsets II
  7. 复原IP地址 - LeetCode - Medium - 93. Restore IP Addresses
  8. 求数独问题 - LeetCode - Hard - 37. Sudoku Solver
  9. 重新安排行程 - LeetCode - Medium - 332. Reconstruct Itinerary
  10. 排列问题 - LeetCode - Medium - 46. Permutations
  11. 排列问题 - LeetCode - Medium - 47. Permutations II
  12. 电话号码的字母组合 - LeetCode - Medium - 17. Letter Combinations of a Phone Number

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