代码随想录打卡Day22、23、24、25

题目描述

77. 组合（力扣中等难度）

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。可以按任何顺序返回答案。

解答代码

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;   // 用来存放符合条件的结果 
    void backtracking(int n, int k, int startIndex) {
        if (path.size() == k) {
            result.push_back(path);
            return;
        }    

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

    vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(n, k, 1);
        return result;
    }
};

代码逻辑

1. 定义两个成员变量：'result' 用于存放所有符合条件的组合结果，'path' 用于存放当前正在构造的组合路径。

2. 在 'combine' 函数中初始化 'result' 和 'path'，然后调用 'backtracking' 函数开始搜索。

3. 'backtracking' 函数的具体流程如下：

• 如果 'path' 的长度等于 'k'，则说明找到了一个满足条件的组合，将 'path' 加入到 'result' 中。

• 否则，从 'startIndex' 开始到 'n' 遍历每个数字 'i'。

• 将当前数字 'i' 加入到 'path' 中，递归调用 'backtracking' 函数，并将起始位置 'startIndex' 更新为 'i + 1' 以避免重复数字。

• 回溯操作：从递归返回后，将当前加入的数字 'i' 从 'path' 中移除，以便尝试新的组合路径。

代码难点

1. 回溯与路径管理：回溯的关键在于通过路径添加和移除操作来维护当前组合状态。每次在 'path' 中添加一个新数字后，需要递归处理，递归完成后再回退一步，以保证 'path' 状态正确。

2. 避免重复：在 'backtracking' 函数中，'for' 循环起始于 'startIndex'，通过递增 'i' 保证每次组合中的元素不重复，也确保了不再包含之前的数字，避免了不必要的重复组合。

3. 时间复杂度：组合问题的复杂度相对较高，因为每个数字组合都需要遍历和构造。

题目描述：

216. 组合总和 III（力扣中等难度）

找出所有相加之和为 'n' 的 'k' 个数的组合，且满足以下条件：

1. 只使用数字 1 到 9

2. 每个数字最多使用一次

返回所有可能的有效组合的列表。列表中的组合可以按任意顺序返回，且不能包含重复组合。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;

    void backtracking(int targetSum,int k, int sum, int startIndex) {
         
        if (sum > targetSum) return;

        if (path.size() == k) {
            if (sum == targetSum) {
                result.push_back(path);
                return;
            }
        }

        // 剪枝
        for (int i = startIndex; i <= 9 - (k - path.size()) + 1; i++) {
            sum += i;
            path.push_back(i);
            backtracking(targetSum, k, sum, i + 1);

            // 回溯
            sum -= i;
            path.pop_back();
        }
    }

    vector<vector<int>> combinationSum3(int k, int n) {
        result.clear(); // 可以不加
        path.clear();   // 可以不加
        backtracking(n, k, 0, 1);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 在 'combinationSum3' 函数中初始化 'result' 和 'path'，然后调用 'backtracking' 函数开始搜索组合

2. 'backtracking' 函数的主要流程如下：

• 首先判断当前和 'sum' 是否大于目标和 'targetSum'，如果是则立即返回（剪枝）

• 如果当前组合的长度等于 'k'，则进一步判断 'sum' 是否等于 'targetSum'，如果相等，将当前组合 'path' 添加到 'result' 中

• 否则，从 'startIndex' 开始到 '9 - (k - path.size()) + 1' 遍历每个数字 'i'。'9 - (k - path.size()) + 1' 是一种剪枝方式，确保剩余的数字数量足够完成组合

• 将当前数字 'i' 加入 'path'，递归调用 'backtracking' 函数继续构建组合

• 递归返回后进行回溯，将当前数字从 'sum' 和 'path' 中移除，尝试其他可能的组合路径

代码难点：

1. 剪枝：在 'for' 循环中，通过 '9 - (k - path.size()) + 1' 来限制循环范围，可以有效减少不必要的搜索

2. 条件判断顺序：先判断 'sum > targetSum' 可以避免不必要的递归

3. 回溯：在递归中每次加入新的数字 'i' 后，需要在返回时将其移出，以保证路径状态

题目描述：

17. 电话号码的字母组合（力扣中等难度）

给定一个仅包含数字 '2-9' 的字符串，返回所有它能表示的字母组合。答案可以按任意顺序返回。数字到字母的映射如下（与电话按键相同）：

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<string> result;
    string s;
    const string letterMap[10] = {
        "", // 0
        "", // 1
        "abc", // 2
        "def", // 3
        "ghi", // 4
        "jkl", // 5
        "mno", // 6
        "pqrs", // 7
        "tuv", // 8
        "wxyz", // 9
    };

    void backtracking(const string& digits, int index) {
        if (index == digits.size()) {
            result.push_back(s);
            return;
        }

        int digit = digits[index] - '0';
        string letters = letterMap[digit];

        for (int i = 0; i < letters.size(); i++) {
            s.push_back(letters[i]);

            // 为什么是index + 1
            backtracking(digits, index + 1);
            s.pop_back();
        }
    }
    vector<string> letterCombinations(string digits) {
        s.clear();
        result.clear();
        if (digits.size() == 0) {
            return result;
        }
        backtracking(digits, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 'letterCombinations' 函数用于初始化结果和中间字符串 's'，并在 'digits' 为空时直接返回空结果

2. 'backtracking' 函数主要负责递归生成所有字母组合路径

• 当 'index' 等于 'digits' 长度时，说明已生成一条完整的字母组合，将当前字符串 's' 加入 'result'

• 否则，找到当前数字对应的字母字符串 'letters'，并通过 'for' 循环依次添加每个字母到 's'

• 对每个字母递归调用 'backtracking'，并在递归返回后将 's' 中的最后一个字母移除（回溯）

代码难点：

1. index + 1 的使用：每次递归时通过 'index + 1' 来处理下一个数字，以确保每个位置都能对应正确的字母组合

2. 递归与回溯：递归过程中 's.push_back()' 和 's.pop_back()' 的配合确保了路径正确

题目描述：

39. 组合总和（力扣中等难度）

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' 中所有和为 'target' 的不同组合，并以列表形式返回。'candidates' 中的同一个数字可以无限次重复被选取。如果至少有一个数字的使用次数不同，则视为不同的组合。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;
 
    void backtracking(vector<int>& candidates, int sum, int target, int startIndex) {
        if (sum > target) {
            return;
        }

        if (sum == target) {
            result.push_back(path);
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < candidates.size(); i++) {
            path.push_back(candidates[i]);
            sum += candidates[i];
            backtracking(candidates, sum, target, i);
            sum -= candidates[i];
            path.pop_back();
        }
    }

    vector<vector<int>> combinationSum(vector<int>& candidates, int target) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(candidates, 0, target, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 'combinationSum' 函数首先清空 'result' 和 'path'，然后调用 'backtracking' 函数开始搜索

2. 'backtracking' 函数的流程如下：

• 若当前和 'sum' 超过 'target'，直接返回（剪枝操作，减少不必要的递归）

• 若当前和 'sum' 等于 'target'，将 'path' 作为有效组合添加到 'result'

• 否则，从 'startIndex' 开始遍历 'candidates' 数组

• 将 'candidates[i]' 加入 'path' 并更新 'sum'

• 递归调用 'backtracking'，传入当前索引 'i' 以允许重复选择当前数字

• 递归返回后执行回溯操作，移除 'path' 的最后一个元素并更新 'sum'

代码难点：

1. 允许重复选择：递归调用时将当前索引 'i' 传入 'backtracking'，使得后续递归仍能选择当前数字，从而实现重复选择

2. 剪枝：当 'sum' 大于 'target' 时立即返回，避免不必要的计算

题目描述：

40. 组合总和 II（力扣中等难度）

给定一个候选人编号的集合 `candidates` 和一个目标数 `target`，找出 `candidates` 中所有和为 `target` 的组合。`candidates` 中的每个数字在每个组合中只能使用一次。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;
    void backtracking(vector<int>& candidates, int sum, int target, int startIndex, vector<bool>& used) {
        if (sum > target) return;
        if (sum == target) {
            result.push_back(path);
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < candidates.size(); i++) {
            if (i > 0 && candidates[i - 1] == candidates[i] && used[i - 1] == false) {
                continue;
            }
            sum += candidates[i];
            path.push_back(candidates[i]);
            used[i] = true;

            backtracking(candidates, sum, target, i + 1, used);

            // 回溯
            sum -= candidates[i];
            path.pop_back();
            used[i] = false;

        }
    }



    vector<vector<int>> combinationSum2(vector<int>& candidates, int target) {
        sort(candidates.begin(), candidates.end());
        vector<bool> used(candidates.size(), false);
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(candidates, 0, target, 0, used);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 在 `combinationSum2` 函数中，首先对 `candidates` 数组进行排序，以便处理重复数字，并初始化 `used` 数组、`result` 和 `path`

2. `backtracking` 函数的流程如下：

• 如果当前和 `sum` 超过 `target`，立即返回

• 如果当前和 `sum` 等于 `target`，将 `path` 作为有效组合添加到 `result`

• 否则，从 `startIndex` 开始遍历 `candidates` 数组

• 为了避免重复组合，如果 `candidates[i]` 和前一个数字相同，并且前一个数字未被使用，则跳过该数字

• 将 `candidates[i]` 加入 `path` 并更新 `sum`，同时将 `used[i]` 标记为 `true`

• 递归调用 `backtracking`，传入 `i + 1` 以确保每个数字只能使用一次

• 递归返回后执行回溯操作，移除 `path` 中的最后一个元素并更新 `sum`，同时将 `used[i]` 重置为 `false`

代码难点：

1. 去重处理：排序后通过判断 `candidates[i]` 是否等于前一个数字，并检查前一个数字是否已被使用，避免了相同数字在同一层重复使用，确保组合唯一

2. 递归与回溯：使用 `used` 数组跟踪元素使用情况，配合回溯操作确保组合路径状态

题目描述：

131. 分割回文串（力扣中等难度）

给定一个字符串 's'，请将 's' 分割成一些子串，使每个子串都是回文串，返回所有可能的分割方案。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<string>> result;
    vector<string> path;
    void backtracking(const string& s, int startIndex) {
        if (startIndex == s.size()) {
            result.push_back(path);
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < s.size(); i++) {
            if (isPalindrome(s, startIndex, i))
            {
                string str = s.substr(startIndex, i - startIndex + 1);
                path.push_back(str);
            }
            else {
                continue;
            }
            backtracking(s, i + 1);
            path.pop_back();
        }

    }

    bool isPalindrome(const string& s, int start, int end) {
        while(start <= end) {
            if (s[start] != s[end]) {
                return false;
            }
            start++;
            end--;
        }
        return true;
    }

    vector<vector<string>> partition(string s) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(s, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 'partition' 函数初始化 'result' 和 'path'，然后调用 'backtracking' 函数开始搜索

2. 'backtracking' 函数的流程如下：

• 如果 'startIndex' 等于字符串 's' 的长度，说明已到达字符串末尾，将 'path' 作为一个分割方案添加到 'result'

• 否则，从 'startIndex' 到字符串末尾遍历子串

• 对于每个子串，若 'isPalindrome' 判断为回文，则将该子串添加到 'path'

• 递归调用 'backtracking'，起始位置设为 'i + 1'，尝试进一步分割

• 递归返回后进行回溯操作，移除 'path' 中的最后一个子串，恢复当前路径状态

代码难点：

1. 判断回文子串：通过 'isPalindrome' 函数判断 's[start]' 到 's[end]' 是否为回文，保证每个分割的子串都是回文

2. 递归与回溯：'path.push_back' 和 'path.pop_back' 操作确保在每个递归层中保持路径的正确性

题目描述：

93. 复原 IP 地址（力扣中等难度）

有效 IP 地址由四个整数（每个整数位于 0 到 255 之间组成，且不能含有前导 0）构成，整数之间用 '.' 分隔。给定一个只包含数字的字符串 `s`，用以表示一个 IP 地址，返回所有可能的有效 IP 地址，这些地址可以通过在 `s` 中插入 '.' 来形成。你不能重新排序或删除 `s` 中的任何数字。你可以按任意顺序返回答案。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<string> result;

    void backtracking(string& s, int startIndex, int pointNum) {
        if (pointNum == 3) {
            // 判断第四个字串
            if (isValid(s, startIndex, s.size() - 1)) {
                result.push_back(s);
            } 
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < s.size(); i++) {
            if (isValid(s, startIndex, i)) {
                s.insert(s.begin() + i + 1, '.');
                pointNum++;
                backtracking(s, i + 2, pointNum);

                // 回溯
                pointNum--;
                s.erase(s.begin() + i + 1);
            }
        }
    }

    bool isValid(const string& s, int start, int end) {
        if (start > end) {
            return false;
        }
        if (s[start] == '0' && start != end) {  // 0开头的不合法
            return false;
        }
        int num = 0;
        for (int i = start; i <= end ; i++) {
            if (s[i] > '9' || s[i] < '0') {
                return false;
            }
            num = num * 10 + (s[i] - '0');
            if (num > 255) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    vector<string> restoreIpAddresses(string s) {
        result.clear();
        if (s.size() < 4 || s.size() > 12) return result; // 算是剪枝了
        backtracking(s, 0, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. `restoreIpAddresses` 函数会首先检查字符串 `s` 的长度是否在 4 到 12 之间。如果不满足条件，则返回空结果（剪枝）。

2. `backtracking` 函数的流程如下：

• 若 `pointNum` 为 3，表示已经插入了 3 个点，检查剩余部分是否为一个有效的 IP 地址段。如果有效，加入结果 `result`。

• 否则，从 `startIndex` 开始遍历每个子串，检查子串是否符合 IP 地址段的有效性（使用 `isValid` 函数）。

• 如果有效，插入一个点，然后递归调用 `backtracking` 继续处理后面的部分。

• 回溯时移除插入的点，恢复状态。

3. `isValid` 函数检查字符串是否符合一个有效的 IP 地址段：

• 若字符串的第一个字符为 `0` 且长度大于 1，则无效（不能有前导零）。

• 若转换为整数后大于 255，则无效。

• 如果没有上述问题，则返回有效。

代码难点：

1. 回溯与回溯路径管理：通过递归和回溯插入 `.`，并在回溯时恢复状态，确保不会重复计算。

2. IP 地址的合法性验证：需要判断子串是否满足 IP 地址段的有效性（范围 0-255，不能有前导零）。

题目描述：

78. 子集（力扣中等难度）

给定一个整数数组 `nums`，数组中的元素互不相同。返回该数组所有可能的子集（幂集）。解集不能包含重复的子集，你可以按任意顺序返回解集。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;

    void backtracking(vector<int>& nums, int startIndex) {
        result.push_back(path);
        
        if (startIndex >= nums.size()) {
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < nums.size(); i++) {
            path.push_back(nums[i]);
            backtracking(nums, i + 1);
            path.pop_back();
        }
    }

    vector<vector<int>> subsets(vector<int>& nums) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(nums, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 在 `subsets` 函数中，初始化结果 `result` 和路径 `path`，然后调用 `backtracking` 函数进行递归搜索。

2. `backtracking` 函数：

• 每次递归都会将当前的路径 `path` 加入到结果 `result` 中。

• 通过 `startIndex` 来控制递归的起始位置，确保不会重复包含子集中的元素。

• 在每一层递归中，遍历当前索引 `startIndex` 到数组末尾的元素，将元素加入路径 `path` 中，并递归进入下一层。

• 回溯时，使用 `path.pop_back()` 恢复路径状态，保证遍历到每个可能的子集。

3. 最终，`result` 中保存了所有可能的子集。

代码难点：

1. 回溯的深度控制：通过 `startIndex` 确保每个元素在子集中只能出现一次，避免重复的子集。

2. 子集的生成：每一次递归都生成一个新的子集并加入结果中，这保证了幂集中的所有可能子集被遍历到。

题目描述：

78. 子集（力扣中等难度）

给定一个整数数组 `nums`，数组中的元素互不相同。返回该数组所有可能的子集（幂集）。解集不能包含重复的子集，你可以按任意顺序返回解集。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;

    void backtracking(vector<int>& nums, vector<bool>& used, int startIndex) {
        result.push_back(path);
        
        if (startIndex >= nums.size()) {
            return;
        }

        for (int i = startIndex; i < nums.size(); i++) {
            // used[i - 1] == true，说明同一树枝candidates[i - 1]使用过
            // used[i - 1] == false，说明同一树层candidates[i - 1]使用过
            // 而我们要对同一树层使用过的元素进行跳过
            if (i > 0 && nums[i - 1] == nums[i] && used[i - 1] == false) continue;
            path.push_back(nums[i]);
            used[i] = true;
            backtracking(nums, used, i + 1);
            path.pop_back();
            used[i] = false;
        }
    }

    vector<vector<int>> subsetsWithDup(vector<int>& nums) {
        result.clear();
        path.clear();
        vector<bool> used(nums.size(), false);

        // 排序
        sort(nums.begin(), nums.end());
        backtracking(nums, used, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. 在 `subsets` 函数中，初始化结果 `result` 和路径 `path`，然后调用 `backtracking` 函数进行递归搜索。

2. `backtracking` 函数：

• 每次递归都会将当前的路径 `path` 加入到结果 `result` 中。

• 通过 `startIndex` 来控制递归的起始位置，确保不会重复包含子集中的元素。

• 在每一层递归中，遍历当前索引 `startIndex` 到数组末尾的元素，将元素加入路径 `path` 中，并递归进入下一层。

• 回溯时，使用 `path.pop_back()` 恢复路径状态，保证遍历到每个可能的子集。

3. 最终，`result` 中保存了所有可能的子集。

代码难点：

1. 回溯的深度控制：通过 `startIndex` 确保每个元素在子集中只能出现一次，避免重复的子集。

2. 子集的生成：每一次递归都生成一个新的子集并加入结果中，这保证了幂集中的所有可能子集被遍历到。

题目描述：

90. 子集 II（力扣中等难度）

给定一个整数数组 `nums`，其中可能包含重复元素，请你返回该数组所有可能的子集（幂集）。解集不能包含重复的子集。返回的解集中，子集可以按任意顺序排列。

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;

    void backtracking(vector<int>& nums, int startIndex) {
        if (path.size() > 1)
            result.push_back(path);

        // uset的作用是对本层去重
        unordered_set<int> uset;

        for (int i = startIndex; i < nums.size(); i++) {

            // ？
            if ((!path.empty() && nums[i] < path.back()) ||
                uset.find(nums[i]) != uset.end()) {
                continue;
            }

            // 数层去重,每次递归都会定义新的uset,故不需要回溯
            uset.insert(nums[i]);
            path.push_back(nums[i]);
            backtracking(nums, i + 1);
            path.pop_back();
        }
    }
    vector<vector<int>> findSubsequences(vector<int>& nums) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(nums, 0);
        return result;
    }
};

```

代码逻辑：

1. `subsetsWithDup` 函数会首先对输入数组 `nums` 进行排序。排序是为了方便跳过重复元素（确保同一层树中不会重复选取相同的元素）。

2. `backtracking` 函数：

• 每次递归都会将当前的路径 `path` 加入到结果 `result` 中。

• 对于每个元素，在递归时检查是否可以使用该元素：

• 如果当前元素 `nums[i]` 与前一个元素相同，并且前一个元素在同一树层已被跳过，则跳过当前元素，以避免重复子集。

• 若当前元素可以使用，将其加入路径 `path`，并递归处理下一部分。

• 回溯时移除路径中的最后一个元素，并恢复元素的使用状态 `used[i]`。

3. 最终，`result` 中保存了所有不重复的子集。

代码难点：

1. 跳过重复元素：通过排序和 `used` 数组来确保在同一树层中不会选择重复的元素，避免生成重复的子集。

2. 回溯与状态恢复：使用 `path` 记录当前的子集，利用 `used` 数组进行元素的使用状态控制，确保在递归时不会重复选择相同的元素。

题目描述：

46. 全排列（力扣中等难度）

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

解答代码：

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> result;
    vector<int> path;

    void backtracking(vector<int>& nums, int startIndex) {
        if (path.size() > 1)
            result.push_back(path);

        // uset的作用是对本层去重
        unordered_set<int> uset;

        for (int i = startIndex; i < nums.size(); i++) {

            // ？
            if ((!path.empty() && nums[i] < path.back()) ||
                uset.find(nums[i]) != uset.end()) {
                continue;
            }

            // 数层去重,每次递归都会定义新的uset,故不需要回溯
            uset.insert(nums[i]);
            path.push_back(nums[i]);
            backtracking(nums, i + 1);
            path.pop_back();
        }
    }
    vector<vector<int>> findSubsequences(vector<int>& nums) {
        result.clear();
        path.clear();
        backtracking(nums, 0);
        return result;
    }
};

代码逻辑：

1. `permute` 函数：

• 用来启动回溯过程并返回最终的所有排列结果。初始化 `result` 和 `path` 并调用 `backtracking`。

• 创建一个 `used` 数组，表示每个元素是否已被使用。

2. `backtracking` 函数：

• 递归地构建排列。当 `path` 中的元素个数等于 `nums` 的大小时，表示一个完整的排列已经生成，加入 `result`。

• 遍历数组中的每个元素：

• 如果元素已经被使用，则跳过。

• 否则，加入当前元素到 `path`，标记为已使用，并继续递归调用 `backtracking`。

• 回溯时，移除 `path` 中的最后一个元素，并恢复其在 `used` 数组中的状态。

3. 最终返回的 `result` 包含了所有可能的排列。

代码难点：

1. 回溯的状态管理：通过 `path` 记录当前排列，通过 `used` 数组来标记元素是否被选择，确保每个元素只会在排列中出现一次。

2. 递归与回溯：递归逐层构建排列，每次回溯时通过 `pop_back()` 从 `path` 中移除元素，并恢复 `used` 数组中的状态，确保所有可能的排列都会被生成。