【算法专题】递归算法

递归

  • 递归
    • 1. 汉诺塔问题
    • 2. 合并两个有序链表
    • 3. 反转链表
    • 4. 两两交换链表中的节点
    • 5. Pow(x, n) --- 快速幂

递归

在解决⼀个规模为 n 的问题时,如果满足以下条件,我们可以使用递归来解决:

  1. 问题可以被划分为规模更小的子问题,并且这些子问题具有与原问题相同的解决⽅法。
  2. 当我们知道规模更小的子问题(规模为 n - 1)的解时,我们可以直接计算出规模为 n 的问题的解。
  3. 存在⼀种简单情况,或者说当问题的规模足够小时,我们可以直接求解问题。⼀般的递归求解过程如下:
    a. 验证是否满足简单情况。
    b. 假设较小规模的问题已经解决,解决当前问题

1. 汉诺塔问题

题目链接 -> Leetcode 面试题 08.06.汉诺塔问题

Leetcode 面试题 08.06.汉诺塔问题

题目:在经典汉诺塔问题中,有 3 根柱子及 N 个不同大小的穿孔圆盘,盘子可以滑入任意一根柱子。一开始,所有盘子自上而下按升序依次套在第一根柱子上(即每一个盘子只能放在更大的盘子上面)。移动圆盘时受到以下限制:
(1) 每次只能移动一个盘子;
(2) 盘子只能从柱子顶端滑出移到下一根柱子;
(3) 盘子只能叠在比它大的盘子上。

请编写程序,用栈将所有盘子从第一根柱子移到最后一根柱子。
你需要原地修改栈。

示例1 :
输入:A = [2, 1, 0], B = [], C = []
输出:C = [2, 1, 0]

示例2 :
输入:A = [1, 0], B = [], C = []
输出:C = [1, 0]

提示 :

  • A中盘子的数目不大于14个。

思路:
这是一道递归方法的经典题目,我们可以先从最简单的情况考虑:

  • 假设 n = 1,只有⼀个盘子,很简单,直接把它从 A 中拿出来,移到 C 上;
  • 如果 n = 2 呢?这时候我们就要借助 B 了,因为小盘子必须时刻都在大盘子上面,共需要 3 步(为了方便叙述,记 A 中的盘子从上到下为 1 号,2 号):
    a. 1 号盘子放到 B 上;
    b. 2 号盘子放到 C 上;
    c. 1 号盘子放到 C 上。
    至此,C 中的盘子从上到下为 1 号, 2 号
  • 如果 n > 2 呢?这是我们需要用到 n = 2 时的策略,将 A 上面的两个盘子挪到 B 上,再将最大的盘子挪到 C 上,最后将 B 上的小盘子挪到 C 上就完成了所有步骤。

因为 A 中最后处理的是最大的盘子,所以在移动过程中不存在大盘子在小盘子上面的情况。
则本题可以被解释为:

  1. 对于规模为 n 的问题,我们需要将 A 柱上的 n 个盘子移动到C柱上。
  2. 规模为 n 的问题可以被拆分为规模为 n-1 的子问题:
    a. 将 A 柱上的上面 n-1 个盘子移动到B柱上。
    b. 将 A 柱上的最大盘子移动到 C 柱上,然后将 B 柱上的 n-1 个盘子移动到C柱上。
  3. 当问题的规模变为 n=1 时,即只有一个盘子时,我们可以直接将其从 A 柱移动到 C 柱。
  • 需要注意的是,步骤 2.b 考虑的是总体问题中的子问题 b 情况。在处理子问题的子问题 b 时,我们应该将 A 柱中的最上面的盘子移动到 C 柱,然后再将 B 柱上的盘子移动到 C 柱。在处理总体问题的子问题 b 时,A 柱中的最大盘子仍然是最上面的盘子,因此这种做法是通用的。

代码如下:

		class Solution {public:void hanota(vector<int>& A, vector<int>& B, vector<int>& C) {   // 将 A 上的 A.size() 个盘子借助 B 移到 C 上dfs(A, B, C, A.size());}void dfs(vector<int>& A, vector<int>& B, vector<int>& C, int n){// 递归出口if(n == 1){C.push_back(A.back());A.pop_back();return;}// 将 A 上的 n - 1 个盘子借助 C 移到 B 上dfs(A, C, B, n - 1);C.push_back(A.back());A.pop_back();// 将 B 上的 n - 1 个盘子借助 A 移到 C 上dfs(B, A, C, n - 1);}};

2. 合并两个有序链表

题目链接 - > Leetcode -21.合并两个有序链表

Leetcode -21.合并两个有序链表

题目:将两个升序链表合并为一个新的 升序 链表并返回。新链表是通过拼接给定的两个链表的所有节点组成的。

示例 1:
输入:l1 = [1, 2, 4], l2 = [1, 3, 4]
输出:[1, 1, 2, 3, 4, 4]

示例 2:
输入:l1 = [], l2 = []
输出:[]

示例 3:
输入:l1 = [], l2 = [0]
输出:[0]

提示:

  • 两个链表的节点数目范围是[0, 50]
  • 100 <= Node.val <= 100
  • l1 和 l2 均按 非递减顺序 排列

思路:

  1. 递归函数的含义:交给你两个链表的头结点,把它们合并起来,并且返回合并后的头结点;
  2. 函数体:选择两个头结点中较小的结点作为最终合并后的头结点,然后将剩下的链表交给递归函数去处理;
  3. 递归出口:当某一个链表为空的时候,返回另外一个链表。

代码如下:

		class Solution {public:ListNode* mergeTwoLists(ListNode* list1, ListNode* list2) {if(list1 == nullptr) return list2;if(list2 == nullptr) return list1;if(list1->val < list2->val) {list1->next = mergeTwoLists(list1->next, list2);return list1;}else {list2->next = mergeTwoLists(list1, list2->next);return list2;}}};

3. 反转链表

题目链接 -> Leetcode -206.反转链表

Leetcode -206.反转链表

题目:给你单链表的头节点 head ,请你反转链表,并返回反转后的链表。

示例 1:
输入:head = [1, 2, 3, 4, 5]
输出:[5, 4, 3, 2, 1]

示例 2:
输入:head = [1, 2]
输出:[2, 1]

示例 3:
输入:head = []
输出:[]

提示:

  • 链表中节点的数目范围是[0, 5000]
  • 5000 <= Node.val <= 5000

思路:

  1. 递归函数的含义:交给你一个链表的头指针,逆序之后,返回逆序后的头结点;
  2. 函数体:先把当前结点之后的链表逆序,逆序完之后,把当前结点添加到逆序后的链表后面即可;
  3. 递归出口:当前结点为空或者当前只有一个结点的时候,不用逆序,直接返回。

代码如下:

		/*** Definition for singly-linked list.* struct ListNode {*     int val;*     ListNode *next;*     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}*     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}*     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}* };*/class Solution {public: ListNode* reverseList(ListNode* head) {if(head == nullptr || head->next == nullptr) return head;ListNode* ret = reverseList(head->next);head->next->next = head;head->next = nullptr;return ret;}};

4. 两两交换链表中的节点

题目链接 -> Leetcode -24.两两交换链表中的节点

Leetcode -24.两两交换链表中的节点

题目:给你一个链表,两两交换其中相邻的节点,并返回交换后链表的头节点。
你必须在不修改节点内部的值的情况下完成本题(即,只能进行节点交换)。

示例 1:
输入:head = [1, 2, 3, 4]
输出:[2, 1, 4, 3]

示例 2:
输入:head = []
输出:[]

示例 3:
输入:head = [1]
输出:[1]

提示:

  • 链表中节点的数目在范围[0, 100] 内
  • 0 <= Node.val <= 100

思路:

  1. 递归函数的含义:交给你一个链表,将这个链表两两交换一下,然后返回交换后的头结点;
  2. 函数体:先去处理一下第二个结点往后的链表,然后再把当前的两个结点交换一下,连接上后面处理后的链表;
  3. 递归出口:当前结点为空或者当前只有一个结点的时候,不用交换,直接返回。

代码如下:

		/*** Definition for singly-linked list.* struct ListNode {*     int val;*     ListNode *next;*     ListNode() : val(0), next(nullptr) {}*     ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}*     ListNode(int x, ListNode *next) : val(x), next(next) {}* };*/class Solution {public:ListNode* swapPairs(ListNode* head){if (head == nullptr || head->next == nullptr) return head;ListNode* tmp = swapPairs(head->next->next);ListNode* ret = head->next;  // 先存一下返回的头节点head->next->next = head;head->next = tmp;return ret;}};

5. Pow(x, n) — 快速幂

题目链接 -> Leetcode -50.Pow(x, n)

Leetcode -50.Pow(x, n)

题目:实现 pow(x, n) ,即计算 x 的整数 n 次幂函数(即,xn )。

示例 1:
输入:x = 2.00000, n = 10
输出:1024.00000

示例 2:
输入:x = 2.10000, n = 3
输出:9.26100

示例 3:
输入:x = 2.00000, n = -2
输出:0.25000
解释:2 - 2 = 1 / 22 = 1 / 4 = 0.25

提示:

  • 100.0 < x < 100.0
  • 2^31 <= n <= 2^31 - 1
  • n 是一个整数
  • 要么 x 不为零,要么 n > 0 。
  • -10^4 <= x^n <= 10^4

思路:

  1. 递归函数的含义:求出 x 的 n 次方是多少,然后返回;
  2. 函数体:先求出 x 的 n / 2 次方是多少,然后根据 n 的奇偶,得出 x 的 n 次方是多少;
  3. 递归出口:当 n 为 0 的时候,返回 1 即可。

代码如下:

		class Solution {public:// 2^10 = 2^5 * 2^5 = (2^2 * 2^2 * 2) * (2^2 * 2^2 * 2) = ...double _pow(double x, int n) {if(n == 0) return 1.0;double tmp = _pow(x, n / 2);return n % 2 == 0? tmp * tmp : tmp * tmp * x;}double myPow(double x, int n){return n >= 0? _pow(x, n) : 1.0 / _pow(x, abs(n));}};

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