This commit is contained in:
krahets
2023-08-27 23:40:56 +08:00
parent 48980ddf28
commit df0f7d3be1
64 changed files with 255 additions and 261 deletions
@@ -1693,7 +1693,7 @@ comments: true
- **时间**: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。
- **空间**:在递归调用中需要保存当前的状态(例如路径、用于剪枝的辅助变量等),当深度很大时,空间需求可能会变得很大。
即便如此,**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**。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,**关键是如何进行效率优化**,常见方法有:
即便如此,**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**。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,**关键是如何进行效率优化**,常见的效率优化方法有两种。
- **剪枝**: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。
- **启发式搜索**: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。
@@ -1720,7 +1720,7 @@ comments: true
- 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。
- 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。
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:
请注意,对于许多组合优化问题,回溯都不是最优解决方案
- 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。
- 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。
+2 -2
View File
@@ -614,6 +614,6 @@ comments: true
}
```
逐行放置 $n$ 次,考虑列约束,则从第一行到最后一行分别有 $n, n-1, \dots, 2, 1$ 个选择,**因此时间复杂度为 $O(n!)$** 。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。
逐行放置 $n$ 次,考虑列约束,则从第一行到最后一行分别有 $n$、$n-1$、$\dots$、$2$、$1$ 个选择,**因此时间复杂度为 $O(n!)$** 。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。
数组 `state` 使用 $O(n^2)$ 空间,数组 `cols` , `diags1` , `diags2` 皆使用 $O(n)$ 空间。最大递归深度为 $n$ ,使用 $O(n)$ 栈帧空间。因此,**空间复杂度为 $O(n^2)$** 。
数组 `state` 使用 $O(n^2)$ 空间,数组 `cols``diags1` `diags2` 皆使用 $O(n)$ 空间。最大递归深度为 $n$ ,使用 $O(n)$ 栈帧空间。因此,**空间复杂度为 $O(n^2)$** 。
+4 -4
View File
@@ -26,7 +26,7 @@ comments: true
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。
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**。假设输入数组为 $[1, 2, 3]$ ,如果我们先选择 $1$ 、再选择 $3$ 、最后选择 $2$ ,则获得排列 $[1, 3, 2]$ 。回退表示撤销一个选择,之后继续尝试其他选择。
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**。假设输入数组为 $[1, 2, 3]$ ,如果我们先选择 $1$、再选择 $3$、最后选择 $2$ ,则获得排列 $[1, 3, 2]$ 。回退表示撤销一个选择,之后继续尝试其他选择。
从回溯代码的角度看,候选集合 `choices` 是输入数组中的所有元素,状态 `state` 是直至目前已被选择的元素。请注意,每个元素只允许被选择一次,**因此 `state` 中的所有元素都应该是唯一的**。
@@ -38,12 +38,12 @@ comments: true
### 1.   重复选择剪枝
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 `selected` ,其中 `selected[i]` 表示 `choices[i]` 是否已被选择。剪枝的实现原理为:
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 `selected` ,其中 `selected[i]` 表示 `choices[i]` 是否已被选择,并基于它实现以下剪枝操作。
- 在做出选择 `choice[i]` 后,我们就将 `selected[i]` 赋值为 $\text{True}$ ,代表它已被选择。
- 遍历选择列表 `choices` 时,跳过所有已被选择过的节点,即剪枝。
如图 13-6 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。
如图 13-6 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 和元素 3 的分支。
![全排列剪枝示例](permutations_problem.assets/permutations_i_pruning.png)
@@ -907,7 +907,7 @@ comments: true
### 3.   两种剪枝对比
请注意,虽然 `selected` 和 `duplicated` 都用作剪枝,但两者的目标不同
请注意,虽然 `selected` 和 `duplicated` 都用作剪枝,但两者的目标不同的。
- **重复选择剪枝**:整个搜索过程中只有一个 `selected` 。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 `state` 中重复出现。
- **相等元素剪枝**:每轮选择(即每个开启的 `backtrack` 函数)都包含一个 `duplicated` 。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。
+11 -11
View File
@@ -10,7 +10,7 @@ comments: true
给定一个正整数数组 `nums` 和一个目标正整数 `target` ,请找出所有可能的组合,使得组合中的元素和等于 `target` 。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。
例如,输入集合 $\{3, 4, 5\}$ 和目标整数 $9$ ,解为 $\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}$ 。需要注意两点
例如,输入集合 $\{3, 4, 5\}$ 和目标整数 $9$ ,解为 $\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}$ 。需要注意以下两点
- 输入集合中的元素可以被无限次重复选取。
- 子集是不区分元素顺序的,比如 $\{4, 5\}$ 和 $\{5, 4\}$ 是同一个子集。
@@ -440,35 +440,35 @@ comments: true
<p align="center"> 图 13-10 &nbsp; 子集搜索与越界剪枝 </p>
为了去除重复子集,**一种直接的思路是对结果列表进行去重**。但这个方法效率很低,因为:
为了去除重复子集,**一种直接的思路是对结果列表进行去重**。但这个方法效率很低,有两方面原因。
- 当数组元素较多,尤其是当 `target` 较大时,搜索过程会产生大量的重复子集。
- 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。
### 2. &nbsp; 重复子集剪枝
**我们考虑在搜索过程中通过剪枝进行去重**。观察图 13-11 ,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:
**我们考虑在搜索过程中通过剪枝进行去重**。观察图 13-11 ,重复子集是在以不同顺序选择数组元素时产生的,例如以下情况。
1. 第一轮和第二轮分别选择 $3$ , $4$ ,会生成包含这两个元素的所有子集,记为 $[3, 4, \dots]$ 。
2. 第一轮选择 $4$ ,**则第二轮应该跳过 $3$** ,因为该选择产生的子集 $[4, 3, \dots]$ 和 `1.` 中生成的子集完全重复。
1. 第一轮和第二轮分别选择 $3$ $4$ ,会生成包含这两个元素的所有子集,记为 $[3, 4, \dots]$ 。
2. 之后,当第一轮选择 $4$ ,**则第二轮应该跳过 $3$** ,因为该选择产生的子集 $[4, 3, \dots]$ 和 `1.` 中生成的子集完全重复。
如图 13-11 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。
在搜索中,每一层的选择都是从左到右被逐个尝试的,因此越靠右的分支被剪掉的越多。
1. 前两轮选择 $3$ , $5$ ,生成子集 $[3, 5, \dots]$ 。
2. 前两轮选择 $4$ , $5$ ,生成子集 $[4, 5, \dots]$ 。
3. 若第一轮选择 $5$ ,**则第二轮应该跳过 $3$ 和 $4$** ,因为子集 $[5, 3, \dots]$ 和子集 $[5, 4, \dots]$ `1.` , `2.` 中描述的子集完全重复。
1. 前两轮选择 $3$ $5$ ,生成子集 $[3, 5, \dots]$ 。
2. 前两轮选择 $4$ $5$ ,生成子集 $[4, 5, \dots]$ 。
3. 若第一轮选择 $5$ ,**则第二轮应该跳过 $3$ 和 $4$** ,因为子集 $[5, 3, \dots]$ 和 $[5, 4, \dots]$ 与第 `1.` `2.` 中描述的子集完全重复。
![不同选择顺序导致的重复子集](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_pruning.png)
<p align="center"> 图 13-11 &nbsp; 不同选择顺序导致的重复子集 </p>
总结来看,给定输入数组 $[x_1, x_2, \dots, x_n]$ ,设搜索过程中的选择序列为 $[x_{i_1}, x_{i_2}, \dots , x_{i_m}]$ ,则该选择序列需要满足 $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ ,**不满足该条件的选择序列都会造成重复,应当剪枝**。
总结来看,给定输入数组 $[x_1, x_2, \dots, x_n]$ ,设搜索过程中的选择序列为 $[x_{i_1}, x_{i_2}, \dots, x_{i_m}]$ ,则该选择序列需要满足 $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ ,**不满足该条件的选择序列都会造成重复,应当剪枝**。
### 3. &nbsp; 代码实现
为实现该剪枝,我们初始化变量 `start` ,用于指示遍历起点。**当做出选择 $x_{i}$ 后,设定下一轮从索引 $i$ 开始遍历**。这样做就可以让选择序列满足 $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ ,从而保证子集唯一。
除此之外,我们还对代码进行了两项优化
除此之外,我们还对代码进行了以下两项优化
- 在开启搜索前,先将数组 `nums` 排序。在遍历所有选择时,**当子集和超过 `target` 时直接结束循环**,因为后边的元素更大,其子集和都一定会超过 `target` 。
- 省去元素和变量 `total`**通过在 `target` 上执行减法来统计元素和**,当 `target` 等于 $0$ 时记录解。