【递归,搜索与回溯算法 & 综合练习】深入理解暴搜决策树:递归,搜索与回溯算法综合小专题(二)


优美的排列


题目解析



算法原理


解法 :暴搜


决策树


红色剪枝:用于剪去该节点的值在对应分支中,已经被使用的情况,可以定义一个 check[ ]


紫色剪枝:perm[i] 不能够被 i 整除,i 不能够被 perm[i] 整除,此时分支就要执行紫色剪枝


设计函数



编写代码



N皇后


题目解析


本题的算法原理是比较简单的,难点在于剪枝操作和代码实现能力;


算法原理


解法:暴搜


决策树


决策树的任务:给一个行数,每次枚举这一行的一个格子,枚举的格子看是否同列或者主副对角线是否有皇后,没有则在该格子放一个皇后,并停止枚举这一行剩下的格子,递归下一行;

绿色剪枝:剪去遍历的格子所在列,出现其他皇后的情况;

紫色剪枝:剪去遍历的格子所在主副对角线,出现其他皇后的情况;

所以 N = 3,3皇后是没有合法的放置方法的 ;

当我们的行数为 N+1,说明已经枚举到了一种合法的结果;


如何剪枝:考虑当前位置,能否放上皇后


策略一:无脑循环


我们在遍历到一个格子的时候,使用四个循环判断当前格子所在行,列,左对角线,右对角线是否放有其他皇后,总体时间复杂度 O(N) = 4N * (2 ^N);虽然时间复杂度高,但是也是可以通过的;

我们可以对这个方法进行优化,因为我们的决策树是每一行的其中一个格子用来放皇后,所以行是一定不会出现皇后攻击的情况的,所以只用看列,左对角线,右对角线是否放有其他皇后;


策略二:类似哈希表的策略


对于棋盘,我们分别定义两个 boolean 类型的数组 row[ ],col[ ] ,用于判断某一行或者某一列是否放置皇后;

如果某个格子放置有皇后,对应的 row[ i ] ,col [ j ] 要置为 true ;后续再进行决策的时候,就可以先看看对应的 row,col 是否为 true,任意一个为 true 则不用再考虑本次枚举的格子;


接下来,我们来解决主对角线和副对角线的情况;

我们通过观察可以发现,当皇后要放置 N 个时,对应的主对角线和副对角线都是 2 * N - 1;

并且斜率分别是 1 和 -1,所以对于一条对角线,可以用y = x + b 或者 y = -x +b 来表示;

  • 对于主对角线,则有 y - x = b ,纵坐标 + 横坐标为一个定值;
  • 对于副对角线,则有 x + y = b , 纵坐标 - 横坐标为一个定值;

所以我们再次定义两个 boolean 类型的数组 ,dig1,dig2 ,分别表示主对角线和副对角线;这两个数组的长度为 2*N ,用于存储所有的主对角线,或者副对角线;

用 b = y - x ,b = y + x 来表示某一条对角线的映射关系,当 dig1[ b ] == true || dig2 [ b ] == true,则说明该格子所在对角线放有其他皇后;


但是还有一个细节问题:

对于上图的主对角线,y - x 是一个负数,如果直接使用 dig1 [ b ] 会越界;

解决办法:添加上一个偏移量 n:y - x + n = b + n,让对角线统一向上移动 n 个单位,来处理截距为负数的情况;所以针对主对角线,我们判断的是 dig1[ b + n ] 是否是 true 即可;


编写代码


前期初始化操作



主逻辑



有效的数独


题目解析


本题并不是关于暴搜的题目,而是一个哈希表的题;我们通过讲解这道题的算法原理 ,为下一道题 解数独 做好铺垫


算法原理


解法:暴搜



我们先来定义一个 boolean 类型的数组 row [ ] [ ]:

第一个 [ i ] 表示的是数独表中的第 i 行, 第二个 [ j ] 表示的是在这一行有没有出现 j 这个数字;

如:row [ 2 ][ 4 ] 表示的是第二行有没有出现 4 这个数字,有的话 row [ 2 ][ 4 ] == true;


col[ i ][ j ] 数组同理,表示的是第 i 列是否出现了 j 这个数字 ;


除了用数组来表示数度表外,我们也可以用哈希表来表示数独表,并且用哈希表非常巧妙:

我们是以一个3 x 3 的小数独表作为一个单位格子的,此时下标就只有 0,1,2;


我们设置一个 boolean 类型的数组 grid :

grid [ 0 ][ 0 ] 表示左上角第一个 3x3 的大方格;


为了查看一个 3x3 的大方格所有数是否都出现过,我们再开一个空间给 grid:


如何定义小方格和大方格下标的映射关系呢?

当有一个元素的位置为 [ x , y ] ,映射的九宫格下标位置为 [ x/3 , y/3 ];


编写代码



解数独


题目解析



算法原理


解法 : 暴搜


决策树


上图代表决策树的某一条分支,我们可以发现,当按照其中一条分支填到第一行最后一个格子时,第一行每使用过的最后一个元素可能是不能填入该格子中的;


那我们怎么知道这条分支的选择不能填满数独表呢?在遍历某个 ' . ' 的格子时,如果所有数都不符合题意,我们返回 false 即可;

这个代码的报错原因,就是没有对【因为前面的选择,导致某一个格子 1 到 9 都不能填入】的情况进行处理;


所以如果遇到【某一个格子 1 到 9 都不能填入】的情况,我们就应该向上返回 false,因此,我们的 dfs 应该设置 boolean 类型的返回值,告诉上一层,这种选法是否可以得到正确的数独,如果返回 false,我们就要让上一层的格子尝试下一个数;

dfs 的参数其实可以直接把 board 数组传入即可;在 dfs 中遍历 board ,专门处理 board[ i ][ j ] == '.' 的情况;


编写代码


初始化



填数逻辑



攻克难点


本题难点就是要想到 dfs 是 boolean 类型,并且要找到 dfs 中合适的位置进行返回;


对这三处 return 的解读




单词搜索


题目解析



算法原理


解法 :深度优先遍历


模拟过程


我们以下面这个矩阵和 word 为例子来模拟过程:


刚开始,会先遍历矩阵中所有的元素,直到找到word 的第一个字符 ' A '


此时会对当前 A 的格子上下左右进行扫描,直到找到 B:


对于当前位置的 A ,上下左右位置并没有 B ,说明这个 A 不是我们要找的 A ,我们寻找下一个 A:


此时,我们发现当前 A 的位置右边和下方都有 B ,就需要递归这两种情况:

下方的 B 上下左右查找,并没有找到 C,我们遍历右边的 B


此时的情况和上面同理:


最终得到结果,返回 true:

如果按照上面的模拟过程,矩阵找不到 word ,则返回 false;


决策树



函数设计



细节问题一:如何避免走重复路径


问题描述



模拟过程



解决方法一: 设置一个 boolean 数组


定义一个跟原始矩阵相同规模的 boolean 数组 :

用 visit 来标记当前位置,下次遍历到某一个位置时,通过 visit 查看这个位置是否已经被使用过;


解决方法二: 修改原始矩阵的值


当我们对某一个格子进行上下左右查找,查找到下一个字符时,把这个位置修改成 ' . '

面试的时候要问问面试官可不可以修改原始矩阵,修改原始矩阵的行为不保险;


细节问题二:用向量数组映射 ( i , j ) 位置的上下左右坐标


设置两个一维数组 dx[ 4 ] , dy [ 4 ] :


dx[ i ] 和 dy [ i ] 要能映射到同一个方向,映射关系如下:

我们使用一个 for 循环,就可以一个坐标的上下左右关系全部找到;如果要找 8 个方向,我们就定义两个长度为 8 的数组,来表示 8 个不同的方向;这种方法在二维数组表示方向的时候,是非常好用的;


编写代码


准备工作


在主函数中,先遍历一次矩阵,找到第一个 word[ 0 ] ,然后调用 dfs,从第一个 word[ 0 ] 所在位置开始找 word 剩下的元素;


主逻辑



代码细节详解






模拟上述对 return 会遇到的情况 :


黄金矿工


题目解析



算法原理


本题的算法原理和上一题是一类题型,解法大差不差,只是一些细节问题不同;这一题先尝试自己编写代码,再根据老师的视频改进;


解法:暴搜



编写代码



编写历程





那么,我们什么时候在主函数更新结果呢?如果要设置递归出口,就要再写一层 for 循环,判断上下左右的 vis ==true || grid == 0,对于这道题是没有必要设置递归出口的;


只需要找到一轮递归的最大值 tmp 即可,并且更新 ret 即可;所以我们一进入 dfs 就更新 ret;


总结

关于更新结果的问题是难点:尤其是在哪里更新结果?这么更新结果有什么用?为什么要这样更新结果?


每次作出一题,都要想清楚这几个问题,并且学会新的处理细节问题的方式,如:

  • 二维矩阵搜索路径时,避免走重复路径的方法;
  • 使用向量坐标表示一个格子不同的方向;

不同路径Ⅲ


题目解析




算法原理


解法 :暴搜



编写代码



优化


减少循环次数:


继续优化


我们可以对递归出口进行优化,原来是只有合法路径才 return ,现在是只要走到终点就 return:


总结


关于暴搜的题目,算法原理其实并不难,重点考察的就是我们的代码能力,以及能否发现细节问题,并且对细节问题进行合理的处理;


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