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This commit is contained in:
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<p class="admonition-title">例题一</p>
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<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,请返回节点列表。</p>
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<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>
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<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。相关过程实现如下图和以下代码所示。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:12"><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" /><input id="__tabbed_1_12" 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">JS</label><label for="__tabbed_1_6">TS</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><label for="__tabbed_1_12">Rust</label></div>
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@@ -3880,7 +3880,7 @@
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<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>
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<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>
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<p>观察下图所示的过程,<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>
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<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"><1></label><label for="__tabbed_3_2"><2></label><label for="__tabbed_3_3"><3></label><label for="__tabbed_3_4"><4></label><label for="__tabbed_3_5"><5></label><label for="__tabbed_3_6"><6></label><label for="__tabbed_3_7"><7></label><label for="__tabbed_3_8"><8></label><label for="__tabbed_3_9"><9></label><label for="__tabbed_3_10"><10></label><label for="__tabbed_3_11"><11></label></div>
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<p>剪枝是一个非常形象的名词。在搜索过程中,<strong>我们“剪掉”了不满足约束条件的搜索分支</strong>,避免许多无意义的尝试,从而实现搜索效率的提高。</p>
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<p>剪枝是一个非常形象的名词。如下图所示,在搜索过程中,<strong>我们“剪掉”了不满足约束条件的搜索分支</strong>,避免许多无意义的尝试,从而提高了搜索效率。</p>
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<p><img alt="根据约束条件剪枝" src="../backtracking_algorithm.assets/preorder_find_constrained_paths.png" /></p>
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<p align="center"> 图:根据约束条件剪枝 </p>
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</div>
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<p>根据题意,当找到值为 7 的节点后应该继续搜索,<strong>因此我们需要将记录解之后的 <code>return</code> 语句删除</strong>。下图对比了保留或删除 <code>return</code> 语句的搜索过程。</p>
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<p>根据题意,我们在找到值为 7 的节点后应该继续搜索,<strong>因此需要将记录解之后的 <code>return</code> 语句删除</strong>。下图对比了保留或删除 <code>return</code> 语句的搜索过程。</p>
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<p><img alt="保留与删除 return 的搜索过程对比" src="../backtracking_algorithm.assets/backtrack_remove_return_or_not.png" /></p>
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<p align="center"> 图:保留与删除 return 的搜索过程对比 </p>
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@@ -3434,7 +3434,7 @@
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<p><img alt="4 皇后问题的解" src="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" /></p>
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<p align="center"> 图:4 皇后问题的解 </p>
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<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> 和次对角线 <code>/</code> 两种。</p>
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<p>下图展示了本题的三个约束条件:<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> 和次对角线 <code>/</code> 两种。</p>
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<p><img alt="n 皇后问题的约束条件" src="../n_queens_problem.assets/n_queens_constraints.png" /></p>
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<p align="center"> 图:n 皇后问题的约束条件 </p>
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@@ -3449,8 +3449,8 @@
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<h3 id="2">2. 列与对角线剪枝<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<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>
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<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> ,选定矩阵中的某条主对角线,我们发现该对角线上所有格子的行索引减列索引都相等,<strong>即对角线上所有格子的 <span class="arithmatex">\(row - col\)</span> 为恒定值</strong>。</p>
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<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>
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<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>
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<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,我们可以借助下图所示的数组 <code>diag1</code> ,记录每条主对角线上是否有皇后。</p>
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<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>。我们同样也可以借助数组 <code>diag2</code> 来处理次对角线约束。</p>
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<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>
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<p align="center"> 图:处理列约束和对角线约束 </p>
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@@ -3968,8 +3968,8 @@
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<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>
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<h3 id="1_1">1. 相等元素剪枝<a class="headerlink" href="#1_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<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>
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<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> 和 <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>
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<p>观察下图,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>
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<p>同理,在第一轮选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 之后,第二轮选择中的 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 和 <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>
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<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>
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<p><img alt="重复排列剪枝" src="../permutations_problem.assets/permutations_ii_pruning.png" /></p>
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<p align="center"> 图:重复排列剪枝 </p>
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@@ -3926,11 +3926,11 @@
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<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">\([3, 4, \dots]\)</span> 。</li>
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<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">\([4, 3, \dots]\)</span> 和 <code>1.</code> 中生成的子集完全重复。</li>
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</ol>
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<p>分支越靠右,需要排除的分支也越多,例如:</p>
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<p>如下图所示,每一层的选择都是从左到右被逐个尝试的,因此越靠右剪枝越多。</p>
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<ol>
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<li>前两轮选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> , <span class="arithmatex">\(5\)</span> ,生成子集 <span class="arithmatex">\([3, 5, \dots]\)</span> 。</li>
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<li>前两轮选择 <span class="arithmatex">\(4\)</span> , <span class="arithmatex">\(5\)</span> ,生成子集 <span class="arithmatex">\([4, 5, \dots]\)</span> 。</li>
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<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> 和 <span class="arithmatex">\(4\)</span></strong> ,因为子集 <span class="arithmatex">\([5, 3, \dots]\)</span> 和子集 <span class="arithmatex">\([5, 4, \dots]\)</span> 和 <code>1.</code> , <code>2.</code> 中生成的子集完全重复。</li>
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<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> 和 <span class="arithmatex">\(4\)</span></strong> ,因为子集 <span class="arithmatex">\([5, 3, \dots]\)</span> 和子集 <span class="arithmatex">\([5, 4, \dots]\)</span> 和 <code>1.</code> , <code>2.</code> 中描述的子集完全重复。</li>
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</ol>
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<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>
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<p align="center"> 图:不同选择顺序导致的重复子集 </p>
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@@ -4372,7 +4372,7 @@
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>。在下图中,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>
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<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>
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<p align="center"> 图:相等元素导致的重复子集 </p>
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