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2023-07-24 03:03:58 +08:00
parent a86a371780
commit 3e2ab6a857
19 changed files with 379 additions and 456 deletions
@@ -3431,10 +3431,10 @@
<h1 id="131">13.1. &nbsp; 回溯算法<a class="headerlink" href="#131" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<p>「回溯算法 Backtracking Algorithm」是一种通过穷举来解决问题的方法,它的核心思想是从一个初始状态出发,暴力搜索所有可能的解决方案,当遇到正确的解则将其记录,直到找到解或者尝试了所有可能的选择都无法找到解为止。</p>
<p>回溯算法通常采用「深度优先搜索」来遍历解空间。在二叉树章节中,我们提到前序、中序和后序遍历都属于深度优先搜索。接下来我们用前序遍历构造一个回溯问题,逐步了解回溯算法的工作原理。</p>
<p>回溯算法通常采用「深度优先搜索」来遍历解空间。在二叉树章节中,我们提到前序、中序和后序遍历都属于深度优先搜索。接下来我们用前序遍历构造一个回溯问题,逐步了解回溯算法的工作原理。</p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">例题一</p>
<p>给定一个二叉树,搜索并记录所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回节点列表。</p>
<p>给定一个二叉树,搜索并记录所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回节点列表。</p>
</div>
<p>对于此题,我们前序遍历这颗树,并判断当前节点的值是否为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> ,若是则将该节点的值加入到结果列表 <code>res</code> 之中。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
@@ -3576,10 +3576,10 @@
<h2 id="1311">13.1.1. &nbsp; 尝试与回退<a class="headerlink" href="#1311" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p><strong>之所以称之为回溯算法,是因为该算法在搜索解空间时会采用“尝试”与“回退”的策略</strong>。当算法在搜索过程中遇到某个状态无法继续前进或无法得到满足条件的解时,它会撤销上一步的选择,退回到之前的状态,并尝试其他可能的选择。</p>
<p>对于例题一,访问每个节点都代表一次“尝试”,而越过叶结点或返回父节点的 <code>return</code> 则表示“回退”。</p>
<p>值得说明的是,<strong>回退并不等价于函数返回</strong>。为解释这一点,我们对例题一稍作拓展。</p>
<p>值得说明的是,<strong>回退并不仅仅包括函数返回</strong>。为解释这一点,我们对例题一稍作拓展。</p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">例题二</p>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,<strong>返回根节点到这些节点的路径</strong></p>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,<strong>返回根节点到这些节点的路径</strong></p>
</div>
<p>在例题一代码的基础上,我们需要借助一个列表 <code>path</code> 记录访问过的节点路径。当访问到值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点时,则复制 <code>path</code> 并添加进结果列表 <code>res</code> 。遍历完成后,<code>res</code> 中保存的就是所有的解。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:11"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_11" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_2_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label><label for="__tabbed_2_11">Dart</label></div>
@@ -3751,7 +3751,8 @@
</div>
</div>
</div>
<p>在每次“尝试”中,我们通过将当前节点添加进 <code>path</code> 来记录路径;而在“回退”前,我们需要将该节点从 <code>path</code> 中弹出,<strong>以恢复本次尝试之前的状态</strong>换句话说,<strong>我们可以将尝试和回退理解为“前进”与“撤销”</strong>,两个操作是互为相反的。</p>
<p>在每次“尝试”中,我们通过将当前节点添加进 <code>path</code> 来记录路径;而在“回退”前,我们需要将该节点从 <code>path</code> 中弹出,<strong>以恢复本次尝试之前的状态</strong></p>
<p>观察该过程,<strong>我们可以将尝试和回退理解为“前进”与“撤销”</strong>,两个操作是互为逆向的。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:11"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">&lt;1&gt;</label><label for="__tabbed_3_2">&lt;2&gt;</label><label for="__tabbed_3_3">&lt;3&gt;</label><label for="__tabbed_3_4">&lt;4&gt;</label><label for="__tabbed_3_5">&lt;5&gt;</label><label for="__tabbed_3_6">&lt;6&gt;</label><label for="__tabbed_3_7">&lt;7&gt;</label><label for="__tabbed_3_8">&lt;8&gt;</label><label for="__tabbed_3_9">&lt;9&gt;</label><label for="__tabbed_3_10">&lt;10&gt;</label><label for="__tabbed_3_11">&lt;11&gt;</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -3793,12 +3794,12 @@
<p>复杂的回溯问题通常包含一个或多个约束条件,<strong>约束条件通常可用于“剪枝”</strong></p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">例题三</p>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回根节点到这些节点的路径,<strong>要求路径中有且只有一个值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,并且不能包含值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</strong></p>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回根节点到这些节点的路径,<strong>要求路径中只存在一个值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,并且不允许有值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</strong></p>
</div>
<p>在例题二的基础上添加剪枝操作,包括:</p>
<ul>
<li>当遇到值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点时,记录解并返回,止搜索。</li>
<li>当遇到值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点时,则直接返回,停止继续搜索。</li>
<li>当遇到值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点时,记录解并返回,止搜索。</li>
<li>当遇到值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点时,则直接返回,停止搜索。</li>
</ul>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:11"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_6" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_7" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_8" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_9" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_10" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_11" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">Java</label><label for="__tabbed_4_2">C++</label><label for="__tabbed_4_3">Python</label><label for="__tabbed_4_4">Go</label><label for="__tabbed_4_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_4_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_4_7">C</label><label for="__tabbed_4_8">C#</label><label for="__tabbed_4_9">Swift</label><label for="__tabbed_4_10">Zig</label><label for="__tabbed_4_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -4010,8 +4011,13 @@
<tbody>
<tr>
<td>解 Solution</td>
<td>解是满足问题特定条件的答案。回溯算法的目标是找到一个或多个满足条件的解</td>
<td>根节点到节点 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的所有路径,且路径中不包含值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</td>
<td>解是满足问题特定条件的答案,可能有一个或多个</td>
<td>根节点到节点 <span class="arithmatex">\(7\)</span>满足约束条件的所有路径</td>
</tr>
<tr>
<td>约束条件 Constraint</td>
<td>约束条件是问题中限制解的可行性的条件,通常用于剪枝</td>
<td>路径中不包含节点 <span class="arithmatex">\(3\)</span> ,只包含一个节点 <span class="arithmatex">\(7\)</span></td>
</tr>
<tr>
<td>状态 State</td>
@@ -4019,18 +4025,13 @@
<td>当前已访问的节点路径,即 <code>path</code> 节点列表</td>
</tr>
<tr>
<td>约束条件 Constraint</td>
<td>约束条件是问题中限制解的可行性的条件,通常用于剪枝</td>
<td>要求路径中不能包含值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</td>
</tr>
<tr>
<td>尝试 Attempt</td>
<td>尝试是在搜索过程中,根据当前状态和可用选择来探索解空间的过程。尝试包括做出选择,更新状态,检查是否为解</td>
<td>尝试是根据可用选择来探索解空间的过程包括做出选择,更新状态,检查是否为解</td>
<td>递归访问左(右)子节点,将节点添加进 <code>path</code> ,判断节点的值是否为 <span class="arithmatex">\(7\)</span></td>
</tr>
<tr>
<td>回退 Backtracking</td>
<td>回退指在搜索中遇到到不满足约束条件或无法继续搜索的状态时,撤销前面做出的选择,回到上一个状态</td>
<td>回退指到不满足约束条件的状态时,撤销前面做出的选择,回到上一个状态</td>
<td>当越过叶结点、结束结点访问、遇到值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点时终止搜索,函数返回</td>
</tr>
<tr>
@@ -4042,11 +4043,11 @@
</table>
<div class="admonition tip">
<p class="admonition-title">Tip</p>
<p>解、状态、约束条件等术语是通用的,适用于回溯算法、动态规划、贪心算法</p>
<p>问题、解、状态等概念是通用的,在分治、回溯、动态规划、贪心算法中都有涉及</p>
</div>
<h2 id="1314">13.1.4. &nbsp; 框架代码<a class="headerlink" href="#1314" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>回溯算法可用于解决许多搜索问题、约束满足问题和组合优化问题。为提升代码通用性,我们希望将回溯算法的“尝试、回退、剪枝”的主体框架提炼出来。</p>
<p><code>state</code> 问题的当前状态,<code>choices</code> 表示当前状态下可以做出的选择,则可得到以下回溯算法的框架代码</p>
<p>接下来,我们尝试将回溯的“尝试、回退、剪枝”的主体框架提炼出来,提升代码的通用性</p>
<p>在以下框架代码中,<code>state</code> 表示问题的当前状态,<code>choices</code> 表示当前状态下可以做出的选择。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="5:11"><input checked="checked" id="__tabbed_5_1" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_2" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_3" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_4" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_5" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_6" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_7" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_8" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_9" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_10" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_11" name="__tabbed_5" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_5_1">Java</label><label for="__tabbed_5_2">C++</label><label for="__tabbed_5_3">Python</label><label for="__tabbed_5_4">Go</label><label for="__tabbed_5_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_5_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_5_7">C</label><label for="__tabbed_5_8">C#</label><label for="__tabbed_5_9">Swift</label><label for="__tabbed_5_10">Zig</label><label for="__tabbed_5_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -4281,7 +4282,7 @@
</div>
</div>
</div>
<p>下面,我们尝试基于框架来解决例题三。在例题三中,状态 <code>state</code> 节点遍历路径,选择 <code>choices</code> 当前节点的左子节点和右子节点,结果 <code>res</code> 是路径列表,实现代码如下所示</p>
<p>下面,我们基于框架代码来解决例题三状态 <code>state</code> 节点遍历路径,选择 <code>choices</code> 当前节点的左子节点和右子节点,结果 <code>res</code> 是路径列表。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="6:11"><input checked="checked" id="__tabbed_6_1" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_2" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_3" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_4" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_5" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_6" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_7" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_8" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_9" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_10" name="__tabbed_6" type="radio" /><input id="__tabbed_6_11" name="__tabbed_6" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_6_1">Java</label><label for="__tabbed_6_2">C++</label><label for="__tabbed_6_3">Python</label><label for="__tabbed_6_4">Go</label><label for="__tabbed_6_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_6_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_6_7">C</label><label for="__tabbed_6_8">C#</label><label for="__tabbed_6_9">Swift</label><label for="__tabbed_6_10">Zig</label><label for="__tabbed_6_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -4719,20 +4720,21 @@
</div>
</div>
</div>
<p>较于基于前序遍历的实现代码,基于回溯算法框架的实现代码虽然显得啰嗦,但通用性更好。实际上,<strong>所有回溯问题都可以在该框架下解决</strong>。我们需根据具体问题来定义 <code>state</code><code>choices</code> ,并实现框架中的各个方法。</p>
<p>基于前序遍历的代码实现,基于回溯算法框架的代码实现虽然显得啰嗦,但通用性更好。实际上,<strong>许多回溯问题都可以在该框架下解决</strong>。我们需根据具体问题来定义 <code>state</code><code>choices</code> ,并实现框架中的各个方法。</p>
<h2 id="1315">13.1.5. &nbsp; 优势与局限性<a class="headerlink" href="#1315" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>回溯算法本质上是一种深度优先搜索算法,它尝试所有可能的解决方案直到找到满足条件的解。这种方法的优势在于它能够找到所有可能的解决方案,而且在合理的剪枝操作下,具有很高的效率。</p>
<p>然而,在处理大规模或者复杂问题时,<strong>回溯算法的运行效率可能难以接受</strong></p>
<ul>
<li>在最坏的情况下,回溯算法需要遍历解空间的所有可能解,所需时间很长。例如,求解 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 皇后问题的时间复杂度可以达到 <span class="arithmatex">\(O(n!)\)</span> </li>
<li>每一次递归调用时,都需要保存当前的状态(例如选择路径、用于剪枝的辅助变量等),对于深度很大的递归,空间需求可能会变得非常大。</li>
<li><strong>时间</strong>:回溯算法通常需要遍历状态空间的所有可能,时间复杂度可以达到指数阶或阶乘阶</li>
<li><strong>空间</strong>在递归调用需要保存当前的状态(例如路径、用于剪枝的辅助变量等),深度很大,空间需求可能会变得大。</li>
</ul>
<p>即便如此,<strong>回溯算法仍然是某些搜索问题和约束满足问题的最佳解决方案</strong>。对于这些问题,由于无法预测哪些选择可生成有效的解,因此我们必须对所有可能的选择进行遍历。在这种情况下,<strong>关键是如何进行效率优化</strong></p>
<p>即便如此,<strong>回溯算法仍然是某些搜索问题和约束满足问题的最佳解决方案</strong>。对于这些问题,由于无法预测哪些选择可生成有效的解,因此我们必须对所有可能的选择进行遍历。在这种情况下,<strong>关键是如何进行效率优化</strong>,常见方法有</p>
<ul>
<li>上文介绍过的剪枝是一种常用的优化方法。它可以避免搜索那些肯定不会产生有效解的路径,从而节省时间和空间。</li>
<li>另一个常用的优化方法是加入「启发式搜索 Heuristic Search」策略,它在搜索过程中引入一些策略或者估计值,从而优先搜索最有可能产生有效解的路径。</li>
<li><strong>剪枝</strong>避免搜索那些肯定不会产生解的路径,从而节省时间和空间。</li>
<li><strong>启发式搜索</strong>在搜索过程中引入一些策略或者估计值,从而优先搜索最有可能产生有效解的路径。</li>
</ul>
<h2 id="1316">13.1.6. &nbsp; 回溯典型例题<a class="headerlink" href="#1316" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>回溯算法可用于解决许多搜索问题、约束满足问题和组合优化问题。</p>
<p><strong>搜索问题</strong>:这类问题的目标是找到满足特定条件的解决方案。</p>
<ul>
<li>全排列问题:给定一个集合,求出其所有可能的排列组合。</li>
@@ -4751,7 +4753,12 @@
<li>旅行商问题:在一个图中,从一个点出发,访问所有其他点恰好一次后返回起点,求最短路径。</li>
<li>最大团问题:给定一个无向图,找到最大的完全子图,即子图中的任意两个顶点之间都有边相连。</li>
</ul>
<p>请注意,回溯算法通常不是解决组合优化问题的最优方法。0-1 背包问题通常使用动态规划解决;旅行商是一个 NP-Hard 问题,常用解决方法有遗传算法和蚁群算法等;最大团问题是图轮中的一个经典 NP-Hard 问题,通常用贪心算法等启发式算法来解决。</p>
<p>请注意,对于许多组合优化问题,回溯都不是最优解决方案,例如:</p>
<ul>
<li>0-1 背包问题通常使用动态规划解决,以达到更高的时间效率;</li>
<li>旅行商是一个著名的 NP-Hard 问题,常用解法有遗传算法和蚁群算法等;</li>
<li>最大团问题是图论中的一个经典问题,可用贪心等启发式算法来解决;</li>
</ul>
@@ -2612,7 +2612,7 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
皇后放置策略
逐行放置策略
</a>
</li>
@@ -2629,13 +2629,6 @@
代码实现
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_4" class="md-nav__link">
复杂度分析
</a>
</li>
</ul>
@@ -3352,7 +3345,7 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
皇后放置策略
逐行放置策略
</a>
</li>
@@ -3369,13 +3362,6 @@
代码实现
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_4" class="md-nav__link">
复杂度分析
</a>
</li>
</ul>
@@ -3410,26 +3396,28 @@
<p><img alt="4 皇后问题的解" src="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 4 皇后问题的解 </p>
<p>本题共三个约束条件:<strong>多个皇后不能在同一行、同一列同一对角线</strong>。值得注意的是,对角线分为主对角线 <code>\</code>对角线 <code>/</code> 两种。</p>
<p>本题共包含三个约束条件:<strong>多个皇后不能在同一行、同一列同一对角线</strong>。值得注意的是,对角线分为主对角线 <code>\</code>对角线 <code>/</code> 两种。</p>
<p><img alt="n 皇后问题的约束条件" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" /></p>
<p align="center"> Fig. n 皇后问题的约束条件 </p>
<h3 id="_1">皇后放置策略<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>皇后的数量和棋盘的行数都为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,因此我们容易得到一个推论:<strong>棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后</strong>这意味着,我们可以采取逐行放置策略:从第一行开始,在每行放置一个皇后,直至最后一行结束。<strong>此策略起到了剪枝的作用</strong>,它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。</p>
<p>下图展示了 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 皇后问题的逐行放置过程。受篇幅限制,下图仅展开了第一行的一个搜索分支。在搜索过程中,我们将不满足列约束和对角线约束的方案都剪枝了</p>
<h3 id="_1">逐行放置策略<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>皇后的数量和棋盘的行数都为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,因此我们容易得到一个推论:<strong>棋盘每行都允许且只允许放置一个皇后</strong></p>
<p>也就是说,我们可以采取逐行放置策略:从第一行开始,在每行放置一个皇后,直至最后一行结束</p>
<p>如下图所示,为 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 皇后问题的逐行放置过程。受画幅限制,下图仅展开了第一行的其中一个搜索分支,并且将不满足列约束和对角线约束的方案都进行了剪枝。</p>
<p><img alt="逐行放置策略" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_placing.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 逐行放置策略 </p>
<p>本质上看,<strong>逐行放置策略起到了剪枝的作用</strong>,它避免了同一行出现多个皇后的所有搜索分支。</p>
<h3 id="_2">列与对角线剪枝<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为了实现根据列约束剪枝,我们可以利用一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的布尔型数组 <code>cols</code> 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前,我们通过 <code>cols</code> 将已有皇后的列剪枝,并在回溯中动态更新 <code>cols</code> 的状态。</p>
<p>那么,如何处理对角线约束呢?设棋盘中某个格子的行列索引为 <code>(row, col)</code> 观察矩阵的某条主对角线,<strong>我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引相等</strong>,即 <code>row - col</code> 为恒定值。换句话说,若两个格子满足 <code>row1 - col1 == row2 - col2</code> ,则这两个格子一定处在一条主对角线上</p>
<p>利用该性质,我们可以借助一个数组 <code>diag1</code> 来记录每条主对角线上是否有皇后。注意,<span class="arithmatex">\(n\)</span> 维方阵 <code>row - col</code> 的范围是 <span class="arithmatex">\([-n + 1, n - 1]\)</span> ,因此共有 <span class="arithmatex">\(2n - 1\)</span> 条主对角线。</p>
<p>为了满足列约束,我们可以利用一个长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的布尔型数组 <code>cols</code> 记录每一列是否有皇后。在每次决定放置前,我们通过 <code>cols</code> 将已有皇后的列进行剪枝,并在回溯中动态更新 <code>cols</code> 的状态。</p>
<p>那么,如何处理对角线约束呢?设棋盘中某个格子的行列索引为 <span class="arithmatex">\((row, col)\)</span> 选定矩阵的某条主对角线,我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引相等<strong>即对角线上所有格子的 <span class="arithmatex">\(row - col\)</span> 为恒定值</strong></p>
<p>也就是说,如果两个格子满足 <span class="arithmatex">\(row_1 - col_1 = row_2 - col_2\)</span> ,则它们一定处在同一条主对角线上。利用该规律,我们可以借助一个数组 <code>diag1</code> 来记录每条主对角线上是否有皇后</p>
<p>同理,<strong>次对角线上的所有格子的 <span class="arithmatex">\(row + col\)</span> 是恒定值</strong>。我们可以使用相同方法,借助数组 <code>diag2</code> 来处理次对角线约束。</p>
<p><img alt="处理列约束和对角线约束" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_cols_diagonals.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 处理列约束和对角线约束 </p>
<p>同理,<strong>次对角线上的所有格子的 <code>row + col</code> 是恒定值</strong>。我们可以使用同样的方法,借助数组 <code>diag2</code> 来处理次对角线约束。</p>
<h3 id="_3">代码实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>根据以上分析,我们便可以写出 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 皇后的解题代码</p>
<p>请注意,<span class="arithmatex">\(n\)</span> 维方阵中 <span class="arithmatex">\(row - col\)</span> 的范围是 <span class="arithmatex">\([-n + 1, n - 1]\)</span> <span class="arithmatex">\(row + col\)</span> 的范围是 <span class="arithmatex">\([0, 2n - 2]\)</span> ,所以主对角线和次对角线的数量都为 <span class="arithmatex">\(2n - 1\)</span> ,即数组 <code>diag1</code><code>diag2</code> 的长度都为 <span class="arithmatex">\(2n - 1\)</span> </p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -3866,9 +3854,8 @@
</div>
</div>
</div>
<h3 id="_4">复杂度分析<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>逐行放置 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 次,考虑列约束,则从第一行到最后一行分别有 <span class="arithmatex">\(n, n-1, \cdots, 2, 1\)</span> 个选择,<strong>因此时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n!)\)</span></strong> 。实际上,根据对角线约束的剪枝也能够大幅地缩小搜索空间,因而搜索效率往往优于以上时间复杂度。</p>
<p><code>state</code> 使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 空间,<code>cols</code> , <code>diags1</code> , <code>diags2</code> 皆使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 空间。最大递归深度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。因此,<strong>空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong></p>
<p>数组 <code>state</code> 使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 空间,数组 <code>cols</code> , <code>diags1</code> , <code>diags2</code> 皆使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 空间。最大递归深度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。因此,<strong>空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong></p>
@@ -2580,14 +2580,14 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
代码实现
重复选择剪枝
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_2" class="md-nav__link">
重复选择剪枝
代码实现
</a>
</li>
@@ -2607,21 +2607,21 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_3" class="md-nav__link">
代码实现
相等元素剪枝
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_4" class="md-nav__link">
两种剪枝对比
代码实现
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_5" class="md-nav__link">
复杂度分析
两种剪枝对比
</a>
</li>
@@ -3393,14 +3393,14 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
代码实现
重复选择剪枝
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_2" class="md-nav__link">
重复选择剪枝
代码实现
</a>
</li>
@@ -3420,21 +3420,21 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_3" class="md-nav__link">
代码实现
相等元素剪枝
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_4" class="md-nav__link">
两种剪枝对比
代码实现
</a>
</li>
<li class="md-nav__item">
<a href="#_5" class="md-nav__link">
复杂度分析
两种剪枝对比
</a>
</li>
@@ -3499,13 +3499,24 @@
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>输入一个整数数组,数组中不包含重复元素,返回所有可能的排列。</p>
</div>
<p><strong>从回溯算法的角度看,我们可以把生成排列的过程想象成一系列选择的结果</strong>。假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 2, 3]\)</span> ,如果我们先选择 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 、再选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 、最后选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> ,则获得排列 <span class="arithmatex">\([1, 3, 2]\)</span> 。回退表示撤销一个选择,之后继续尝试其他选择。</p>
<p>从回溯算法代码的角度看,候选集合 <code>choices</code> 是输入数组中的所有元素,状态 <code>state</code> 是直至目前已被选择的元素。注意,每个元素只允许被选择一次,<strong>因此在遍历选择时,应当排除已经选择过的元素</strong></p>
<p>从回溯算法的角度看,<strong>我们可以把生成排列的过程想象成一系列选择的结果</strong>。假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 2, 3]\)</span> ,如果我们先选择 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 、再选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 、最后选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> ,则获得排列 <span class="arithmatex">\([1, 3, 2]\)</span> 。回退表示撤销一个选择,之后继续尝试其他选择。</p>
<p>从回溯代码的角度看,候选集合 <code>choices</code> 是输入数组中的所有元素,状态 <code>state</code> 是直至目前已被选择的元素。注意,每个元素只允许被选择一次,<strong>因此 <code>state</code> 中的所有元素都应该是唯一的</strong></p>
<p>如下图所示,我们可以将搜索过程展开成一个递归树,树中的每个节点代表当前状态 <code>state</code> 。从根节点开始,经过三轮选择后到达叶节点,每个叶节点都对应一个排列。</p>
<p><img alt="全排列的递归树" src="../permutations_problem.assets/permutations_i.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 全排列的递归树 </p>
<h3 id="_1">代码实现<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<h3 id="_1">重复选择剪枝<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为了实现每个元素只被选择一次,我们考虑引入一个布尔型数组 <code>selected</code> ,其中 <code>selected[i]</code> 表示 <code>choices[i]</code> 是否已被选择。剪枝的实现原理为:</p>
<ul>
<li>在做出选择 <code>choice[i]</code> 后,我们就将 <code>selected[i]</code> 赋值为 <span class="arithmatex">\(\text{True}\)</span> ,代表它已被选择。</li>
<li>遍历选择列表 <code>choices</code> 时,跳过所有已被选择过的节点,即剪枝。</li>
</ul>
<p>如下图所示,假设我们第一轮选择 1 ,第二轮选择 3 ,第三轮选择 2 ,则需要在第二轮剪掉元素 1 的分支,在第三轮剪掉元素 1, 3 的分支。</p>
<p><img alt="全排列剪枝示例" src="../permutations_problem.assets/permutations_i_pruning.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 全排列剪枝示例 </p>
<p>观察上图发现,该剪枝操作将搜索空间大小从 <span class="arithmatex">\(O(n^n)\)</span> 降低至 <span class="arithmatex">\(O(n!)\)</span></p>
<h3 id="_2">代码实现<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>想清楚以上信息之后,我们就可以在框架代码中做“完形填空”了。为了缩短代码行数,我们不单独实现框架代码中的各个函数,而是将他们展开在 <code>backtrack()</code> 函数中。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -3797,28 +3808,25 @@
</div>
</div>
</div>
<h3 id="_2">重复选择剪枝<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>需要重点关注的是,我们引入了一个布尔型数组 <code>selected</code> ,它的长度与输入数组长度相等,其中 <code>selected[i]</code> 表示 <code>choices[i]</code> 是否已被选择。我们利用 <code>selected</code> 避免某个元素被重复选择,从而实现剪枝。</p>
<p>如下图所示,假设我们第一轮选择 1 ,第二轮选择 3 ,第三轮选择 2 ,则需要在第二轮剪掉元素 1 的分支,在第三轮剪掉元素 1, 3 的分支。<strong>此剪枝操作可将搜索空间大小从 <span class="arithmatex">\(O(n^n)\)</span> 降低至 <span class="arithmatex">\(O(n!)\)</span></strong></p>
<p><img alt="全排列剪枝示例" src="../permutations_problem.assets/permutations_i_pruning.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 全排列剪枝示例 </p>
<h2 id="1322">13.2.2. &nbsp; 考虑相等元素的情况<a class="headerlink" href="#1322" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>输入一个整数数组,<strong>数组中可能包含重复元素</strong>,返回所有不重复的排列。</p>
</div>
<p>假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 1, 2]\)</span> 。为了方便区分两个重复元素 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 接下来我们将第二个元素记为 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 。如下图所示,上述方法生成的排列有一半都是重复的</p>
<p>假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 1, 2]\)</span> 。为了方便区分两个重复元素 <span class="arithmatex">\(1\)</span> ,我们将第二个 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 记为 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span></p>
<p>如下图所示,上述方法生成的排列有一半都是重复的。</p>
<p><img alt="重复排列" src="../permutations_problem.assets/permutations_ii.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 重复排列 </p>
<p>那么如何去除重复的排列呢?最直接地,我们可以借助一个哈希表,直接对排列结果进行去重。然而这样做不够优雅,<strong>因为生成重复排列的搜索分支是没有必要的,应当被提前识别并剪枝</strong>,这样可以进一步提升算法效率。</p>
<p>观察发现,在第一轮中,选择 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或选择 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 是等价的,因为在这两个选择之下生成的所有排列都是重复的。因此,我们应该把 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 剪枝掉。同理,在第一轮选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 后,第二轮选择中的 <span class="arithmatex">\(1\)</span><span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 也会产生重复分支,因此也需要将第二轮的 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 剪枝。</p>
<p>本质上看,<strong>我们的目标是实现在某一轮选择中,多个相等的元素仅被选择一次</strong></p>
<p>那么如何去除重复的排列呢?最直接地,考虑借助一个哈希表,直接对排列结果进行去重。然而这样做不够优雅,<strong>因为生成重复排列的搜索分支是没有必要的,应当被提前识别并剪枝</strong>,这样可以进一步提升算法效率。</p>
<h3 id="_3">相等元素剪枝<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>观察发现,在第一轮中,选择 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或选择 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 是等价的,在这两个选择之下生成的所有排列都是重复的。因此应该把 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 剪枝掉</p>
<p>同理,在第一轮选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 后,第二轮选择中的 <span class="arithmatex">\(1\)</span><span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 也会产生重复分支,因此也应将第二轮的 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 剪枝。</p>
<p>本质上看,<strong>我们的目标是在某一轮选择中,保证多个相等的元素仅被选择一次</strong></p>
<p><img alt="重复排列剪枝" src="../permutations_problem.assets/permutations_ii_pruning.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 重复排列剪枝 </p>
<h3 id="_3">代码实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<h3 id="_4">代码实现<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>在上一题的代码的基础上,我们考虑在每一轮选择中开启一个哈希表 <code>duplicated</code> ,用于记录该轮中已经尝试过的元素,并将重复元素剪枝。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:11"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_11" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_2_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label><label for="__tabbed_2_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -4127,20 +4135,18 @@
</div>
</div>
</div>
<h3 id="_4">两种剪枝对比<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>注意,虽然 <code>selected</code><code>duplicated</code> 都起到剪枝的作用,但他们剪掉的是不同的分支:</p>
<p>假设元素两两之间互不相同,则 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个元素共有 <span class="arithmatex">\(n!\)</span> 种排列(阶乘);在记录结果时,需要复制长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的列表,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间。因此,<strong>时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n!n)\)</span></strong></p>
<p>最大递归深度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。<code>selected</code> 使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 空间。同一时刻最多共有 <span class="arithmatex">\(n\)</span><code>duplicated</code> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 空间。<strong>因此空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong></p>
<h3 id="_5">两种剪枝对比<a class="headerlink" href="#_5" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>请注意,虽然 <code>selected</code><code>duplicated</code> 都用作剪枝,但两者的目标不同:</p>
<ul>
<li><strong>剪枝条件一</strong>:整个搜索过程中只有一个 <code>selected</code> 。它记录的是当前状态中包含哪些元素,作用是避免某个元素在 <code>state</code> 中重复出现。</li>
<li><strong>剪枝条件二</strong>:每轮选择(即每个开启的 <code>backtrack</code> 函数)都包含一个 <code>duplicated</code> 。它记录的是在遍历中哪些元素已被选择过,作用是保证相等元素只被选择一次,以避免产生重复的搜索分支</li>
<li><strong>重复选择剪枝</strong>:整个搜索过程中只有一个 <code>selected</code> 。它记录的是当前状态中包含哪些元素,作用是避免某个元素在 <code>state</code> 中重复出现。</li>
<li><strong>相等元素剪枝</strong>:每轮选择(即每个开启的 <code>backtrack</code> 函数)都包含一个 <code>duplicated</code> 。它记录的是在遍历中哪些元素已被选择过,作用是保证相等元素只被选择一次。</li>
</ul>
<p>下图展示了两个剪枝条件的生效范围。注意,树中的每个节点代表一个选择,从根节点到叶节点的路径上的各个节点构成一个排列。</p>
<p><img alt="两种剪枝条件的作用范围" src="../permutations_problem.assets/permutations_ii_pruning_summary.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 两种剪枝条件的作用范围 </p>
<h3 id="_5">复杂度分析<a class="headerlink" href="#_5" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>假设元素两两之间互不相同,则 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个元素共有 <span class="arithmatex">\(n!\)</span> 种排列(阶乘);在记录结果时,需要复制长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的列表,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间。因此,<strong>时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n!n)\)</span></strong></p>
<p>最大递归深度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 栈帧空间。<code>selected</code> 使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 空间。同一时刻最多共有 <span class="arithmatex">\(n\)</span><code>duplicated</code> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 空间。因此,<strong>全排列 I 的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ,全排列 II 的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span></strong></p>
@@ -2600,7 +2600,7 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
全排列引出解法
参考全排列解法
</a>
</li>
@@ -3393,7 +3393,7 @@
<li class="md-nav__item">
<a href="#_1" class="md-nav__link">
全排列引出解法
参考全排列解法
</a>
</li>
@@ -3473,10 +3473,14 @@
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>给定一个正整数数组 <code>nums</code> 和一个目标正整数 <code>target</code> ,请找出所有可能的组合,使得组合中的元素和等于 <code>target</code> 。给定数组无重复元素,每个元素可以被选取多次。请以列表形式返回这些组合,列表中不应包含重复组合。</p>
</div>
<p>例如,输入集合 <span class="arithmatex">\(\{3, 4, 5\}\)</span> 和目标整数 <span class="arithmatex">\(9\)</span> 由于集合中的数字可以被重复选取,因此解为 <span class="arithmatex">\(\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}\)</span>请注意,子集是不区分元素顺序的,例如 <span class="arithmatex">\(\{4, 5\}\)</span><span class="arithmatex">\(\{5, 4\}\)</span> 是同一个子集。</p>
<h3 id="_1">从全排列引出解法<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>类似于上节全排列问题的解法,我们可以把子集的生成过程想象成一系列选择的结果,并在选择过程中实时更新“元素和”,当元素和等于 <code>target</code> 时,就将子集记录至结果列表</p>
<p>而与全排列问题不同的是,本题允许重复选取同一元素,因此无需借助 <code>selected</code> 布尔列表来记录元素是否已被选择。我们可以对全排列代码进行小幅修改,初步得到解题代码</p>
<p>例如,输入集合 <span class="arithmatex">\(\{3, 4, 5\}\)</span> 和目标整数 <span class="arithmatex">\(9\)</span> ,解为 <span class="arithmatex">\(\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}\)</span>需要注意两点:</p>
<ul>
<li>输入集合中的元素可以被无限次重复选取</li>
<li>子集是不区分元素顺序的,比如 <span class="arithmatex">\(\{4, 5\}\)</span><span class="arithmatex">\(\{5, 4\}\)</span> 是同一个子集</li>
</ul>
<h3 id="_1">参考全排列解法<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>类似于全排列问题,我们可以把子集的生成过程想象成一系列选择的结果,并在选择过程中实时更新“元素和”,当元素和等于 <code>target</code> 时,就将子集记录至结果列表。</p>
<p>而与全排列问题不同的是,<strong>本题集合中的元素可以被无限次选取</strong>,因此无需借助 <code>selected</code> 布尔列表来记录元素是否已被选择。我们可以对全排列代码进行小幅修改,初步得到解题代码。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:11"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_11" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label><label for="__tabbed_1_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -3711,29 +3715,39 @@
</div>
</div>
</div>
<p>向以上代码输入数组 <span class="arithmatex">\([3, 4, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> ,输出结果为 <span class="arithmatex">\([3, 3, 3], [4, 5], [5, 4]\)</span><strong>虽然成功找出了所有和为 <span class="arithmatex">\(9\)</span> 的子集,但其中存在重复的子集 <span class="arithmatex">\([4, 5]\)</span><span class="arithmatex">\([5, 4]\)</span></strong>这是因为搜索过程是区分选择顺序的,如下图所示,先选 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 后选 <span class="arithmatex">\(5\)</span> 与先选 <span class="arithmatex">\(5\)</span> 后选 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 是两种不同的情况。</p>
<p>向以上代码输入数组 <span class="arithmatex">\([3, 4, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> ,输出结果为 <span class="arithmatex">\([3, 3, 3], [4, 5], [5, 4]\)</span><strong>虽然成功找出了所有和为 <span class="arithmatex">\(9\)</span> 的子集,但其中存在重复的子集 <span class="arithmatex">\([4, 5]\)</span><span class="arithmatex">\([5, 4]\)</span></strong></p>
<p>这是因为搜索过程是区分选择顺序的,然而子集不区分选择顺序。如下图所示,先选 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 后选 <span class="arithmatex">\(5\)</span> 与先选 <span class="arithmatex">\(5\)</span> 后选 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 是两个不同的分支,但两者对应同一个子集。</p>
<p><img alt="子集搜索与越界剪枝" src="../subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_naive.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 子集搜索与越界剪枝 </p>
<h3 id="_2">重复子集剪枝<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为了去除重复子集,<strong>一种直接的思路是对结果列表进行去重</strong>。但这个方法效率很低,因为:</p>
<ul>
<li>当数组元素较多,尤其是当 <code>target</code> 较大时,搜索过程会产生大量的重复子集。</li>
<li>比较子集(数组)的异同是很耗时,需要先排序数组,再比较数组中每个元素的异同。</li>
<li>比较子集(数组)的异同非常耗时,需要先排序数组,再比较数组中每个元素的异同。</li>
</ul>
<p>为了达到最佳效率,<strong>我们希望在搜索过程中通过剪枝进行去重</strong>。观察下图,重复子集是在以不同顺序选择数组元素时产生的,具体来看:</p>
<h3 id="_2">重复子集剪枝<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p><strong>我们考虑在搜索过程中通过剪枝进行去重</strong>。观察下图,重复子集是在以不同顺序选择数组元素时产生的,具体来看:</p>
<ol>
<li>第一轮和第二轮分别选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> , <span class="arithmatex">\(4\)</span> ,会生成包含这两个元素的所有子集,记为 <span class="arithmatex">\([3, 4, \cdots]\)</span></li>
<li>若第一轮选择 <span class="arithmatex">\(4\)</span> <strong>则第二轮应该跳过 <span class="arithmatex">\(3\)</span></strong> ,因为该选择产生的子集 <span class="arithmatex">\([4, 3, \cdots]\)</span><code>1.</code>提到的子集完全重复。</li>
<li>同理,若第一轮选择 <span class="arithmatex">\(5\)</span> <strong>则第二轮应该跳过 <span class="arithmatex">\(3\)</span><span class="arithmatex">\(4\)</span></strong> ,因为子集 <span class="arithmatex">\([5, 3, \cdots]\)</span> 和子集 <span class="arithmatex">\([5, 4, \cdots]\)</span> 和之前的子集重复。</li>
<li>若第一轮选择 <span class="arithmatex">\(4\)</span> <strong>则第二轮应该跳过 <span class="arithmatex">\(3\)</span></strong> ,因为该选择产生的子集 <span class="arithmatex">\([4, 3, \cdots]\)</span><code>1.</code>生成的子集完全重复。</li>
</ol>
<p>分支越靠右,需要排除的分支也越多,例如:</p>
<ol>
<li>前两轮选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> , <span class="arithmatex">\(5\)</span> ,生成子集 <span class="arithmatex">\([3, 5, \cdots]\)</span> </li>
<li>前两轮选择 <span class="arithmatex">\(4\)</span> , <span class="arithmatex">\(5\)</span> ,生成子集 <span class="arithmatex">\([4, 5, \cdots]\)</span> </li>
<li>若第一轮选择 <span class="arithmatex">\(5\)</span> <strong>则第二轮应该跳过 <span class="arithmatex">\(3\)</span><span class="arithmatex">\(4\)</span></strong> ,因为子集 <span class="arithmatex">\([5, 3, \cdots]\)</span> 和子集 <span class="arithmatex">\([5, 4, \cdots]\)</span><code>1.</code> , <code>2.</code> 中生成的子集完全重复。</li>
</ol>
<p><img alt="不同选择顺序导致的重复子集" src="../subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_pruning.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 不同选择顺序导致的重复子集 </p>
<p>总结来看,给定输入数组 <span class="arithmatex">\([x_1, x_2, \cdots, x_n]\)</span> ,设搜索过程中的选择序列为 <span class="arithmatex">\([x_{i_1}, x_{i_2}, \cdots , x_{i_m}]\)</span> ,则该选择序列需要满足 <span class="arithmatex">\(i_1 \leq i_2 \leq \cdots \leq i_m\)</span> <strong>不满足该条件的选择序列都是重复子集</strong></p>
<p>总结来看,给定输入数组 <span class="arithmatex">\([x_1, x_2, \cdots, x_n]\)</span> ,设搜索过程中的选择序列为 <span class="arithmatex">\([x_{i_1}, x_{i_2}, \cdots , x_{i_m}]\)</span> ,则该选择序列需要满足 <span class="arithmatex">\(i_1 \leq i_2 \leq \cdots \leq i_m\)</span> <strong>不满足该条件的选择序列都会造成重复,应当剪枝</strong></p>
<h3 id="_3">代码实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为实现该剪枝,我们初始化变量 <code>start</code> ,用于指示遍历起点。<strong>当做出选择 <span class="arithmatex">\(x_{i}\)</span> 后,设定下一轮从索引 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 开始遍历</strong>,从而完成子集去重</p>
<p>除此之外,我们还对代码进行了两项优化。首先,我们在开启搜索前将数组 <code>nums</code> 排序,在搜索过程中,<strong>当子集和超过 <code>target</code> 时直接结束循环</strong>,因为后边的元素更大,其子集和都一定会超过 <code>target</code> 。其次,<strong>我们通过在 <code>target</code> 上执行减法来统计元素和</strong>,当 <code>target</code> 等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时记录解,省去了元素和变量 <code>total</code></p>
<p>为实现该剪枝,我们初始化变量 <code>start</code> ,用于指示遍历起点。<strong>当做出选择 <span class="arithmatex">\(x_{i}\)</span> 后,设定下一轮从索引 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 开始遍历</strong>。这样做就可以让选择序列满足 <span class="arithmatex">\(i_1 \leq i_2 \leq \cdots \leq i_m\)</span> ,从而保证子集唯一</p>
<p>除此之外,我们还对代码进行了两项优化</p>
<ul>
<li>在开启搜索前,先将数组 <code>nums</code> 排序。在遍历所有选择时,<strong>当子集和超过 <code>target</code> 时直接结束循环</strong>,因为后边的元素更大,其子集和都一定会超过 <code>target</code></li>
<li>省去元素和变量 <code>total</code><strong>通过在 <code>target</code> 上执行减法来统计元素和</strong>,当 <code>target</code> 等于 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 时记录解。</li>
</ul>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:11"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_11" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_2_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label><label for="__tabbed_2_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
<div class="tabbed-block">
@@ -3991,13 +4005,14 @@
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>给定一个正整数数组 <code>nums</code> 和一个目标正整数 <code>target</code> ,请找出所有可能的组合,使得组合中的元素和等于 <code>target</code><strong>给定数组可能包含重复元素,每个元素只可被选择一次</strong>。请以列表形式返回这些组合,列表中不应包含重复组合。</p>
</div>
<p>相比于上题,<strong>本题的输入数组可能包含重复元素</strong>,这引入了新的问题。例如,给定数组 <span class="arithmatex">\([4, \hat{4}, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> ,则现有代码的输出结果为 <span class="arithmatex">\([4, 5], [\hat{4}, 5]\)</span> 出现了重复子集。<strong>造成这种重复的原因是相等元素在某轮中被多次选择</strong>。如下图所示,第一轮共有三个选择,其中两个都为 <span class="arithmatex">\(4\)</span> ,会产生两个重复的搜索分支,从而输出重复子集;同理,第二轮的两个 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 也会产生重复子集。</p>
<p>相比于上题,<strong>本题的输入数组可能包含重复元素</strong>,这引入了新的问题。例如,给定数组 <span class="arithmatex">\([4, \hat{4}, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> ,则现有代码的输出结果为 <span class="arithmatex">\([4, 5], [\hat{4}, 5]\)</span> ,出现了重复子集。</p>
<p><strong>造成这种重复的原因是相等元素在某轮中被多次选择</strong>。如下图所示,第一轮共有三个选择,其中两个都为 <span class="arithmatex">\(4\)</span> ,会产生两个重复的搜索分支,从而输出重复子集;同理,第二轮的两个 <span class="arithmatex">\(4\)</span> 也会产生重复子集。</p>
<p><img alt="相等元素导致的重复子集" src="../subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii_repeat.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 相等元素导致的重复子集 </p>
<h3 id="_4">相等元素剪枝<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<p>为解决此问题,<strong>我们需要限制相等元素在每一轮中只被选择一次</strong>。实现方式比较巧妙:由于数组是已排序的,因此相等元素都是相邻的。利用该特性,在某轮选择中,若当前元素与其左边元素相等,则说明它已经被选择过,因此直接跳过当前元素。</p>
<p>与此同时,<strong>本题规定数组元素只能被选择一次</strong>。幸运的是,我们也可以利用变量 <code>start</code> 来满足该约束:当做出选择 <span class="arithmatex">\(x_{i}\)</span> 后,设定下一轮从索引 <span class="arithmatex">\(i + 1\)</span> 开始向后遍历。这样即能去除重复子集,也能避免重复选择相等元素。</p>
<p>为解决此问题,<strong>我们需要限制相等元素在每一轮中只被选择一次</strong>。实现方式比较巧妙:由于数组是已排序的,因此相等元素都是相邻的。这意味着在某轮选择中,若当前元素与其左边元素相等,则说明它已经被选择过,因此直接跳过当前元素。</p>
<p>与此同时,<strong>本题规定中的每个数组元素只能被选择一次</strong>。幸运的是,我们也可以利用变量 <code>start</code> 来满足该约束:当做出选择 <span class="arithmatex">\(x_{i}\)</span> 后,设定下一轮从索引 <span class="arithmatex">\(i + 1\)</span> 开始向后遍历。这样即能去除重复子集,也能避免重复选择元素。</p>
<h3 id="_5">代码实现<a class="headerlink" href="#_5" title="Permanent link">&para;</a></h3>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:11"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_3_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label><label for="__tabbed_3_11">Dart</label></div>
<div class="tabbed-content">
@@ -4276,7 +4291,7 @@
</div>
</div>
</div>
<p>下图展示了数组 <span class="arithmatex">\([4, 4, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> 的回溯过程,共包含四种剪枝操作。建议你将图示与代码注释相结合,理解整个搜索过程,以及每种剪枝操作是如何工作的。</p>
<p>下图展示了数组 <span class="arithmatex">\([4, 4, 5]\)</span> 和目标元素 <span class="arithmatex">\(9\)</span> 的回溯过程,共包含四种剪枝操作。你将图示与代码注释相结合,理解整个搜索过程,以及每种剪枝操作是如何工作的。</p>
<p><img alt="子集和 II 回溯过程" src="../subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii.png" /></p>
<p align="center"> Fig. 子集和 II 回溯过程 </p>