代码学习第24天----回溯算法

随想录日记part24

t i m e : time: time: 2024.03.10



主要内容:回溯算法在代码学习中尤其重要,所以今天继续加深对其的理解:1:递增子序列 ;2.全排列 ;3.全排列II



Topic1递增子序列

题目:

给你一个整数数组 n u m s nums nums ,找出并返回所有该数组中不同的递增子序列,递增子序列中 至少有两个元素 。你可以按 任意顺序 返回答案。数组中可能含有重复元素,如出现两个整数相等,也可以视作递增序列的一种特殊情况。

输入: n u m s = 4 , 6 , 7 , 7 nums = 4,6,7,7 nums=4,6,7,7
输出: \[ 4 , 6 , 4 , 6 , 7 , 4 , 6 , 7 , 7 , 4 , 7 , 4 , 7 , 7 , 6 , 7 , 6 , 7 , 7 , 7 , 7 ] \[4,6,4,6,7,4,6,7,7,4,7,4,7,7,6,7,6,7,7,7,7] \[4,6,4,6,7,4,6,7,7,4,7,4,7,7,6,7,6,7,7,7,7]

思路:

本题求自增子序列,是不能对原数组进行排序的,排完序的数组都是自增子序列了。所以不能使用之前的去重逻辑!

用 4 , 7 , 6 , 7 4, 7, 6, 7 4,7,6,7 这个数组来举例,抽象为树形结构如图:

按照回溯模板我们进行回溯三部曲:

递归三部曲:
1.回溯函数模板返回值以及参数

在这里要定义一个全局变量 r e s u l t result result用来存放符合条件结果的集合。回溯函数里需要一个参数为 i n t int int 型变量 s t a r t I n d e x startIndex startIndex,来表示索引,

所以整体代码如下:

java 复制代码
List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();// 记录最后输出的结果
List<Integer> path = new LinkedList<>();// 记录中间合理子序列
void reback(int[] nums, int startIndex)

2.回溯函数终止条件

题目要求递增子序列大小至少为2,所以代码如下

代码如下:

java 复制代码
if (path.size() >= 2) {
	result.add(new ArrayList(path));
        }
if (startIndex >= nums.length) {
    return;
        }

3.回溯搜索的遍历过程

然后就是递归和回溯的过程:

在图中可以看出,同一父节点下的同层上使用过的元素就不能再使用了。
实现代码使用 H a s h S e t HashSet HashSet实现如下:

java 复制代码
    HashSet<Integer> hs = new HashSet<>();
 	for (int i = startIndex; i < nums.length; i++) {
            // 去重
 		if ((path.size() > 0 && path.getLast() > nums[i]) || hs.contains(nums[i]))
                continue;
 			hs.add(nums[i]);
            path.add(nums[i]);
            reback(nums, i + 1);
            path.removeLast();
     }

完整的代码如下:

java 复制代码
class Solution {
    List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();// 记录最后输出的结果
    List<Integer> path = new LinkedList<>();// 记录中间合理子序列

    public List<List<Integer>> findSubsequences(int[] nums) {
        reback(nums, 0);
        return result;
    }

    private void reback(int[] nums, int startIndex) {// 回溯函数
        if (path.size() >= 2) {
            result.add(new ArrayList(path));
        }
        if (startIndex >= nums.length) {
            return;
        }
        HashSet<Integer> hs = new HashSet<>();
        for (int i = startIndex; i < nums.length; i++) {
            // 去重
            if ((path.size() > 0 && path.getLast() > nums[i]) || hs.contains(nums[i]))
                continue;
            hs.add(nums[i]);
            path.add(nums[i]);
            reback(nums, i + 1);
            path.removeLast();
        }

    }
}

时间复杂度: O ( n ∗ 2 n ) O(n * 2^n) O(n∗2n)
空间复杂度: O ( n ) O(n) O(n)



Topic2全排列

题目:

给定一个不含重复数字的数组 n u m s nums nums ,返回其 所有可能的全排列 。你可以 按任意顺序 返回答案。

输入: n u m s = 1 , 2 , 3 nums = 1,2,3 nums=1,2,3
输出: \[ 1 , 2 , 3 , 1 , 3 , 2 , 2 , 1 , 3 , 2 , 3 , 1 , 3 , 1 , 2 , 3 , 2 , 1 ] \[1,2,3,1,3,2,2,1,3,2,3,1,3,1,2,3,2,1] \[1,2,3,1,3,2,2,1,3,2,3,1,3,1,2,3,2,1]

思路:

按照回溯模板我们进行回溯三部曲:

递归三部曲:
1.回溯函数模板返回值以及参数

在这里要定义两个全局变量, p a t h path path用来存放符合条件单一结果, r e s u l t result result用来存放符合条件结果的集合。排列问题需要一个 u s e d used used 数组,标记已经选择的元素,如图橘黄色部分所示:

所以整体代码如下:

java 复制代码
List<List<Integer>> result=new ArrayList<>();
LinkedList<Integer> path=new LinkedList<>();
boolean[] used;
private void permuteHelper(int[] nums)

2.回溯函数终止条件

当收集元素的数组 p a t h path path的大小达到和 n u m s nums nums数组一样大的时候,说明找到了一个全排列

java 复制代码
if (nums.length == path.size()) {
	result.add(new ArrayList(path));
    return;
    }

3.回溯搜索的遍历过程

实现代码如下:

java 复制代码
 for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (used[i] == false) {
                used[i] = true;
                path.add(nums[i]);
                permuteHelper(nums);
                path.removeLast();
                used[i] = false;
            }
        }

完整的代码如下:

java 复制代码
class Solution {
    List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
    List<Integer> path = new LinkedList<>();
    boolean[] used;

    public List<List<Integer>> permute(int[] nums) {
        used = new boolean[nums.length];
        Arrays.fill(used, false);
        permuteHelper(nums);
        return result;
    }

    private void permuteHelper(int[] nums) {
        // 回溯的结束条件
        if (nums.length == path.size()) {
            result.add(new ArrayList(path));
            return;
        }
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (used[i] == false) {
                used[i] = true;
                path.add(nums[i]);
                permuteHelper(nums);
                path.removeLast();
                used[i] = false;
            }
        }

    }
}

时间复杂度: O ( n ! ) O(n!) O(n!)
空间复杂度: O ( n ) O(n) O(n)



Topic3全排列II

题目:

给定一个可包含重复数字的序列 n u m s nums nums ,按任意顺序返回所有不重复的全排列。

输入: n u m s = 1 , 1 , 2 nums = 1,1,2 nums=1,1,2
输出: \[ 1 , 1 , 2 , 1 , 2 , 1 , 2 , 1 , 1 ] \[1,1,2, 1,2,1, 2,1,1] \[1,1,2,1,2,1,2,1,1]

思路:

这个就是上面的方法加上了去重操作直接给出代码:

java 复制代码
class Solution {
    List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
    List<Integer> path = new LinkedList<>();
    boolean[] used;

    public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
        used = new boolean[nums.length];
        Arrays.fill(used, false);
        Arrays.sort(nums);
        reback(nums);
        return result;
    }
    private void reback(int[] nums) {
        if (path.size() == nums.length) {
            result.add(new ArrayList(path));
            return;
        }
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            if (used[i] == false) {
                if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && used[i - 1] == false)
                    continue;
                used[i] = true;
                path.add(nums[i]);
                reback(nums);
                path.removeLast();
                used[i] = false;
            }
        }
    }
}

时间复杂度: O ( n ! ∗ n ) O(n! * n) O(n!∗n)
空间复杂度: O ( n ) O(n) O(n)

拓展:

去重最为关键的代码为:

java 复制代码
if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && used[i - 1] == false) {
    continue;
}

如果改成 u s e d i − 1 = = t r u e usedi - 1 == true usedi−1==true, 也是正确的!,去重代码如下:

java 复制代码
if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && used[i - 1] == true) {
    continue;
}

对于排列问题,树层上去重和树枝上去重,都是可以的,但是树层上去重效率更高!

用输入: 1 , 1 , 1 1,1,1 1,1,1 来举一个例子。

树层上去重 ( u s e d i − 1 = = f a l s e ) (usedi - 1 == false) (usedi−1==false),的树形结构如下:

树枝上去重 ( u s e d i − 1 = = t r u e ) (usedi - 1 == true) (usedi−1==true)的树型结构如下:

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