Leetcode#77. 组合(回溯解法+剪枝优化)

 77. 组合

问题描述

给定两个整数 n 和 k,返回 1 ... n 中所有可能的 k 个数的组合。

示例:

输入: n = 4, k = 2
输出:
[
  [2,4],
  [3,4],
  [2,3],
  [1,2],
  [1,3],
  [1,4],
]

解题思路

解法一:

一开始集合是 1,2,3,4, 从左向右取数,取过的数,不再重复取。

第一次取1,集合变为2,3,4 ,因为k为2,我们只需要再取一个数就可以了,分别取2,3,4,得到集合[1,2] [1,3] [1,4],以此类推。

「每次从集合中选取元素,可选择的范围随着选择的进行而收缩,调整可选择的范围」

「可以发现n相当于树的宽度,k相当于树的深度」

「图中每次搜索到了叶子节点,我们就找到了一个结果」

相当于只需要把达到叶子节点的结果收集起来,就可以求得 n个数中k个数的组合集合。

递归三部曲:

  • 递归函数的返回值以及参数

在这里要定义两个全局变量,一个用来存放符合条件单一结果,一个用来存放符合条件结果的集合。

代码如下:

vector<vector<int>> result; // 存放符合条件结果的集合
vector<int> path; // 用来存放符合条件结果

其实不定义这两个全局遍历也是可以的,把这两个变量放进递归函数的参数里,但函数里参数太多影响可读性,所以我定义全局变量了。

函数里一定有两个参数,既然是集合n里面取k的数,那么n和k是两个int型的参数。

然后还需要一个参数,为int型变量startIndex,这个参数用来记录本层递归的中,集合从哪里开始遍历(集合就是[1,...,n] )。

为什么要有这个startIndex呢?

「每次从集合中选取元素,可选择的范围随着选择的进行而收缩,调整可选择的范围,就是要靠startIndex」

所以需要startIndex来记录下一层递归,搜索的起始位置。

那么整体代码如下:

vector<vector<int>> result; // 存放符合条件结果的集合
vector<int> path; // 用来存放符合条件单一结果
void backtracking(int n, int k, int startIndex) 
  • 回溯函数终止条件

什么时候到达所谓的叶子节点了呢?

path这个数组的大小如果达到k,说明我们找到了一个子集大小为k的组合了,在图中path存的就是根节点到叶子节点的路径。

所以终止条件代码如下:

if (path.size() == k) {
    result.push_back(path);
    return;
}
  • 单层搜索的过程

回溯法的搜索过程就是一个树型结构的遍历过程,在如下图中,可以看出for循环用来横向遍历,递归的过程是纵向遍历。

for (int i = startIndex; i <= n; i++) { // 控制树的横向遍历
    path.push_back(i); // 处理节点 
    backtracking(n, k, i + 1); // 递归:控制树的纵向遍历,注意下一层搜索要从i+1开始
    path.pop_back(); // 回溯,撤销处理的节点
}

可以看出backtracking(递归函数)通过不断调用自己一直往深处遍历,总会遇到叶子节点,遇到了叶子节点就要返回。

backtracking的下面部分就是回溯的操作了,撤销本次处理的结果。

解法二:

回溯法虽然是暴力搜索,但也有时候可以有点剪枝优化一下的。

在遍历的过程中有如下代码:

for (int i = startIndex; i <= n; i++) { 
    path.push_back(i); 
    backtracking(n, k, i + 1); 
    path.pop_back(); 
}

这个遍历的范围是可以剪枝优化的,怎么优化呢?

举一个例子,n = 4,k = 4的话,那么第一层for循环的时候,从元素2开始的遍历都没有意义了。在第二层for循环,从元素3开始的遍历都没有意义了。

这么说有点抽象,如图所示:

 Leetcode#77. 组合(回溯解法+剪枝优化)

图中每一个节点(图中为矩形),就代表本层的一个for循环,那么每一层的for循环从第二个数开始遍历的话,都没有意义,都是无效遍历。

「所以,可以剪枝的地方就在递归中每一层的for循环所选择的起始位置」

「如果for循环选择的起始位置之后的元素个数 已经不足 我们需要的元素个数了,那么就没有必要搜索了」

注意代码中i,就是for循环里选择的起始位置。

for (int i = startIndex; i <= n; i++) { 

接下来看一下优化过程如下:

  1. 已经选择的元素个数:path.size();

  2. 还需要的元素个数为: k - path.size();

  3. 在集合n中至多要从该起始位置 : n - (k - path.size()) + 1,开始遍历

为什么有个+1呢,因为包括起始位置,我们要是一个左闭的集合。

举个例子,n = 4,k = 3, 目前已经选取的元素为0(path.size为0),n - (k - 0) + 1 即 4 - ( 3 - 0) + 1 = 2。

从2开始搜索都是合理的,可以是组合[2, 3, 4]。

 

所以优化之后的for循环是:

for (int i = startIndex; i <= n - (k - path.size()) + 1; i++) // i为本次搜索的起始位置

 

Java解法

解法一:

class Solution {
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
    List<Integer> tmp = new ArrayList<>();
    public List<List<Integer>> combine(int n, int k) {
        backTrance(n,k,1);
        return res;
        
    }
    public  void backTrance(int n,int k,int ind){
        if(tmp.size()==k) {
            res.add(new ArrayList(tmp));
            return;
        }
        for(int i=ind;i<=n;i++){
            tmp.add(i);
            backTrance(n,k,i+1);
            tmp.remove(tmp.indexOf(i));
        }
    }
}

解法二:

class Solution {
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
    List<Integer> tmp = new ArrayList<>();
    public List<List<Integer>> combine(int n, int k) {
        backTrance(n,k,1);
        return res;
        
    }
    public  void backTrance(int n,int k,int ind){
        if(tmp.size()==k) {
            res.add(new ArrayList(tmp));
            return;
        }
        for(int i=ind;i<=(n-(k-tmp.size())+1);i++){
            tmp.add(i);
            backTrance(n,k,i+1);
            tmp.remove(tmp.indexOf(i));
        }
    }
}

 

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