💕"对相爱的人来说，对方的心意，才是最好的房子。"💕
作者：Lvzi
文章主要内容：算法系列–递归,回溯,剪枝的综合应用(2)
大家好,今天为大家带来的是
算法系列--递归,回溯,剪枝的综合应用(2)
一.括号⽣成
题目链接
题目描述
数字 n 代表生成括号的对数，请你设计一个函数，用于能够生成所有可能的并且有效的括号组合。
示例:
输入：n = 3
输出：[“((()))”,“(()())”,“(())()”,“()(())”,“()()()”]输入：n = 1
输出：[“()”]
提示：
- 1 <= n <= 8
分析:
代码:
class Solution {
List<String> ret;// 返回值
StringBuffer path;// 记录搜索路径
int maxLevel, lcnt, rcnt;// max表示最大层数 lcnt表示左括号的数量 rcnt表示右括号的数量
public List<String> generateParenthesis(int n) {
ret = new ArrayList<>();
path = new StringBuffer();
if (n == 0) return ret;
maxLevel = 2 * n;
dfs(1, lcnt, rcnt,n);
return ret;
}
private void dfs(int level, int lcnt, int rcnt,int n) {
// 递归出口
if(level > maxLevel) {
ret.add(path.toString());
return;
}
if(lcnt < n) {
path.append("(");
dfs(level + 1,lcnt+1, rcnt,n);
path.deleteCharAt(path.length() - 1);// 回溯
}
if(rcnt < n && lcnt > rcnt) {
path.append(")");
dfs(level + 1, lcnt, rcnt+1,n);
path.deleteCharAt(path.length() - 1);// 回溯
}
}
}
二.目标和
题目链接
题目描述
给你一个非负整数数组 nums 和一个整数 target。
向数组中的每个整数前添加 ‘+’ 或 ‘-’ ，然后串联起所有整数，可以构造一个表达式：
例如，nums = [2, 1] ，可以在 2 之前添加 ‘+’ ，在 1 之前添加 ‘-’ ，然后串联起来得到表达式 "+2-1" 。
返回可以通过上述方法构造的、运算结果等于 target 的不同表达式的数目。
示例:
输入：
nums = [1,1,1,1,1], target = 3
输出：5
解释：一共有5种方法让最终目标和为3。
-1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 - 1 + 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 - 1 + 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 - 1 + 1 = 3
+1 + 1 + 1 + 1 - 1 = 3输入：
nums = [1], target = 1
输出：1
提示：
- 1 <= nums.length <= 20
- 0 <= nums[i] <= 1000
- 0 <= sum(nums[i]) <= 1000
- -1000 <= target <= 1000
分析:
思路同子集相同,子集中我们的决策策略是选不选当前的数,本题采用+当前数/-当前数
代码:
class Solution {
int path, ret, target;
public int findTargetSumWays(int[] nums, int _target) {
target = _target;
dfs(nums,0);
return ret;
}
private void dfs(int[] nums, int pos) {
if(pos == nums.length) {
if(path == target) ret += 1;
return;
}
// +
path += nums[pos];
dfs(nums,pos + 1);
path -= nums[pos];//回溯
// -
path -= nums[pos];
dfs(nums,pos + 1);
path += nums[pos];// 回溯
}
}
本题的最优解法其实是动态规划,具体可见我的这篇文章
算法系列–动态规划–背包问题(2)–01背包拓展题目
(有限制条件下的组合问题,且一个数只能选择一次–01背包问题)
3.组合总和
题目链接
题目描述
给你一个无重复元素的整数数组 candidates 和一个目标整数 target，找出 candidates 中可以使数字和为目标数 target 的所有不同组合，并以列表形式返回。你可以按任意顺序返回这些组合。
candidates 中的同一个数字可以无限制重复被选取。如果至少一个数字的被选数量不同，则两种组合是不同的。
对于给定的输入，保证和为 target 的不同组合数少于 150 个。
示例:
输入：
candidates = [2,3,6,7], target = 7
输出：[[2,2,3],[7]]
解释：
2 和 3 可以形成一组候选，2 + 2 + 3 = 7 。注意 2 可以使用多次。
7 也是一个候选， 7 = 7 。
仅有这两种组合。输入:
candidates = [2,3,5], target = 8
输出:[[2,2,2,2],[2,3,3],[3,5]]输入:
candidates = [2], target = 1
输出:[]
提示：
- 1 <= candidates.length <= 30
- 2 <= candidates[i] <= 40
- candidates 的所有元素互不相同
- 1 <= target <= 40
分析:
(如果本题是要求组合总和的最多组合数就是一个完全背包问题)
代码:
class Solution {
List<List<Integer>> ret;
List<Integer> path;// 保存搜索路径
int sum, target;// sum记录搜索路径上的和
public List<List<Integer>> combinationSum(int[] nums, int _target) {
ret = new ArrayList<>();
path = new ArrayList<>();
target = _target;
dfs(nums,0);
return ret;
}
private void dfs(int[] nums, int pos) {
if(sum >= target) {// 递归出口
if(sum == target) {
ret.add(new ArrayList<>(path));
}
return;
}
for(int i = pos; i < nums.length; i++) {
path.add(nums[i]); sum += nums[i];
dfs(nums,i);// 递归
path.remove(path.size() - 1); sum -= nums[i];// 回溯
}
}
}
4.字⺟⼤⼩写全排列
题目链接
题目描述
784. 字母大小写全排列
给定一个字符串 s，通过将字符串 s 中的每个字母转变大小写，我们可以获得一个新的字符串。
返回所有可能得到的字符串集合。以任意顺序返回输出。
示例:
输入：s = “a1b2”
输出：[“a1b2”, “a1B2”, “A1b2”, “A1B2”]输入: s = “3z4”
输出: [“3z4”,“3Z4”]
提示:
- 1 <= s.length <= 12
s由小写英文字母、大写英文字母和数字组成
解题思路
这道题可以使用回溯算法来解决。我们可以逐个遍历字符串中的每个字符，然后对于每个字符有两种选择：保持原大小写或者转换大小写。通过递归实现所有可能的组合。
代码实现（Java）
class Solution {
List<String> ret;
StringBuffer path;
public List<String> letterCasePermutation(String s) {
ret = new ArrayList<>();
path = new StringBuffer();
dfs(s,0);
return ret;
}
private void dfs(String s, int pos) {
if(pos == s.length()) {
ret.add(path.toString());
return;
}
// 不改变
char ch = s.charAt(pos);
path.append(ch);
dfs(s, pos + 1);
path.deleteCharAt(path.length() - 1);
// 改变(非数字字符)
if(ch < '0' || ch > '9') {
char tmp = change(ch);
path.append(tmp);
dfs(s, pos + 1);
path.deleteCharAt(path.length() - 1);
}
}
private char change(char ch) {
if(ch >= 'a' && ch <= 'z') return ch -= 32;
else return ch += 32;
}
}
5.优美的排列
题目链接
题目描述
526. 优美的排列
假设有从 1 到 n 的 n 个整数。用这些整数构造一个数组 perm（下标从 1 开始），只要满足下述条件之一，该数组就是一个优美的排列：
- perm[i] 能够被 i 整除
- i 能够被 perm[i] 整除
给你一个整数 n ，返回可以构造的优美排列的数量。
示例:
输入：n = 2
输出：2
解释：
- 第 1 个优美的排列是 [1,2]：
- perm[1] = 1 能被 i = 1 整除
- perm[2] = 2 能被 i = 2 整除
- 第 2 个优美的排列是 [2,1]:
- perm[1] = 2 能被 i = 1 整除
- i = 2 能被 perm[2] = 1 整除
解题思路
这道题可以使用回溯算法来解决。我们可以尝试将数字填充到数组的每个位置上，同时检查当前位置是否满足条件。如果满足条件，继续递归处理下一个位置；否则，回溯到上一个位置重新尝试其他数字。
check[i]:用于标记数字是否被使用过ret:返回值
代码实现（Java）
class Solution {
int ret;// 返回值
boolean[] check;// 用于标记已经使用过的数字
public int countArrangement(int n) {
check = new boolean[n + 1];
dfs(1,n);
return ret;
}
private void dfs(int pos, int n) {// pos是下标
if(pos == n + 1) {// 递归出口
ret += 1;
return;
}
for(int i = 1; i <= n; i++) {
if(check[i] == false && (pos % i == 0 || i % pos == 0)) {
check[i] = true;// 将使用过的数字标记
dfs(pos + 1, n);// 递归下一个位置
check[i] = false;// 回溯
}
}
}
}
在这段代码中：
pos表示当前递归到的位置，也就是在填充数组时当前正在考虑的位置。i则表示尝试填充到当前位置pos上的数字。
具体来说：
pos从1开始，代表数组中的位置，递归函数会尝试将数字填充到这些位置上。i从1到n，代表可以填充到当前位置的数字，即数组中的元素。
6. 组合
题目链接
题目描述
给定两个整数 n 和 k，返回范围 [1, n] 中所有可能的 k 个数的组合。
你可以按任何顺序返回答案。
示例 1：
输入：n = 4, k = 2
输出：
[
[2,4],
[3,4],
[2,3],
[1,2],
[1,3],
[1,4],
]
示例 2：
输入：n = 1, k = 1
输出：[[1]]
提示：
- 1 <= n <= 20
- 1 <= k <= n
分析:
代码:
class Solution {
List<List<Integer>> ret;
List<Integer> path;
int k, n;
public List<List<Integer>> combine(int nn, int kk) {
n = nn; k = kk;
ret = new ArrayList<>();
path = new ArrayList<>();
dfs(1);
return ret;
}
private void dfs(int start) {
if(path.size() == k) {
ret.add(new ArrayList<>(path));
return;
}
for(int i = start; i <= n; i++) {
path.add(i);// 添加当前数字
dfs(i + 1);// 递归下一个数字
path.remove(path.size() - 1);// 回溯
}
}
}
总结:
- 对于递归回溯这样的问题,一定要把决策树画的详细,要明确每一步的目的是什么,是根据什么进行递归的
对于这种递归回溯剪枝综合应用的题目来说,其分析思路是比较固定的:
- 画出详细的决策树(越详细越好,把所有的情况都写出来)
- 分析每一个子问题都是在干啥
- 设计全局变量和
dfs(其实dfs是这种问题最难的一步,dfs的设计本质上是一个递归的问题),dfs的设计包括三个方面:函数头,函数体,递归出口 - 考虑回溯和剪枝