递归与回溯的理解

LeetCode 刷题笔记——递归与回溯的理解

回溯算法详解

递归

思路

程序调用自身的编程技巧称为递归（ recursion）。 
递归做为一种算法在程序设计语言中广泛应用。 一个过程或函数在其定义或说明中有直接或间接调用自身的一种方法，它通常把一个大型复杂的问题层层转化为一个与原问题相似的规模
较小的问题来求解，递归策略只需少量的程序就可描述出解题过程所需要的多次重复计算，大大地减少了程序的代码量。

通常来说，为了描述问题的某一状态，必须用到该状态的上一个状态；而如果要描述上一个状态，又必须用到上一个状态的上一个状态…… 这样用自己来定义自己的方法就是递归。

写递归心得

明白一个函数的作用并相信它能完成这个任务，千万不要试图跳进细节。千万不要跳进这个函数里面企图探究更多细节，否则就会陷入无穷的细节无法自拔，人脑能压几个栈啊。

以Path sum 3为例

给一课二叉树，和一个目标值，节点上的值有正有负，返回树中和等于目标值的路径条数，让你编写 pathSum 函数：

root = [10,5,-3,3,2,null,11,3,-2,null,1],
sum = 8

      10
     /  
    5   -3
   /     
  3   2   11
 /    
3  -2   1

Return 3. The paths that sum to 8 are:

1.  5 -> 3
2.  5 -> 2 -> 1
3. -3 -> 11

------题解

//给他一个节点和一个目标值，他返回以这个节点为根的树中，和为目标值的路径总数。
int pathSum(TreeNode root, int sum) {
    if (root == null) return 0;
    int pathImLeading = count(root, sum); // 自己为开头的路径数
    int leftPathSum = pathSum(root.left, sum); // 左边路径总数（相信他能算出来）
    int rightPathSum = pathSum(root.right, sum); // 右边路径总数（相信他能算出来）
    return leftPathSum + rightPathSum + pathImLeading;
}

//给他一个节点和一个目标值，他返回以这个节点为根的树中，能凑出几个以该节点为路径开头，和为目标值的路径总数。
int count(TreeNode node, int sum) {
    if (node == null) return 0;
    // 我自己能不能独当一面，作为一条单独的路径呢？
    int isMe = (node.val == sum) ? 1 : 0;
    // 左边的小老弟，你那边能凑几个 sum - node.val 呀？
    int leftBrother = count(node.left, sum - node.val); 
    // 右边的小老弟，你那边能凑几个 sum - node.val 呀？
    int rightBrother = count(node.right, sum - node.val);
    return  isMe + leftBrother + rightBrother; // 我这能凑这么多个
}

------与之前解法相比

与之前解法相比，会慢点，但是思路值得学习。

[LeetCode] 437. 路径总和 III ☆☆☆(递归)

回溯

思路

回溯算法实际上一个类似枚举的搜索尝试过程，主要是在搜索尝试过程中寻找问题的解，当发现已不满足求解条件时，就“回溯”返回，尝试别的路径。

回溯法是一种选优搜索法，按选优条件向前搜索，以达到目标。但当探索到某一步时，发现原先选择并不优或达不到目标，就退回一步重新选择，这种走不通就退回再走的技术为回溯法。

回溯的思路基本如下：当前局面下，我们有若干种选择，所以我们对每一种选择进行尝试。如果发现某种选择违反了某些限定条件，此时 return；如果尝试某种选择到了最后，发现该选择是正确解，那么就将其加入到解集中。
在这种思想下，我们需要清晰的找出三个要素：选择 (Options)，限制 (Restraints)，结束条件 (Termination)。

回溯算法框架

result = []
def backtrack(路径, 选择列表):
    if 满足结束条件:
        result.add(路径)
        return
    
    for 选择 in 选择列表:
        做选择
        backtrack(路径, 选择列表)
        撤销选择

其核心就是 for 循环里面的递归，在递归调用之前「做选择」，在递归调用之后「撤销选择」，特别简单。

以全排列为例

List<List<Integer>> res = new LinkedList<>();

/* 主函数，输入一组不重复的数字，返回它们的全排列 */
List<List<Integer>> permute(int[] nums) {
    // 记录「路径」
    LinkedList<Integer> track = new LinkedList<>();
    backtrack(nums, track);
    return res;
}

// 路径：记录在 track 中
// 选择列表：nums 中不存在于 track 的那些元素
// 结束条件：nums 中的元素全都在 track 中出现
void backtrack(int[] nums, LinkedList<Integer> track) {
    // 触发结束条件
    if (track.size() == nums.length) {
        res.add(new LinkedList(track));
        return;
    }
    
    for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
        // 排除不合法的选择
        if (track.contains(nums[i]))
            continue;
        // 做选择
        track.add(nums[i]);
        // 进入下一层决策树
        backtrack(nums, track);
        // 取消选择
        track.removeLast();
    }
}

递归与回溯的区别

递归是一种算法结构。递归会出现在子程序中，形式上表现为直接或间接的自己调用自己。典型的例子是阶乘，计算规律为：n!=n×(n−1)!

回溯是一种算法思想，它是用递归实现的。回溯的过程类似于穷举法，但回溯有“剪枝”功能，即自我判断过程。例如有求和问题，给定有 7 个元素的组合 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]，求加和为 7 的子集。累加计算中，选择 1+2+3+4 时，判断得到结果为 10 大于 7，那么后面的 5, 6, 7 就没有必要计算了。这种方法属于搜索过程中的优化，即“剪枝”功能。

用一个比较通俗的说法来解释递归和回溯：
我们在路上走着，前面是一个多岔路口，因为我们并不知道应该走哪条路，所以我们需要尝试。尝试的过程就是一个函数。
我们选择了一个方向，后来发现又有一个多岔路口，这时候又需要进行一次选择。所以我们需要在上一次尝试结果的基础上，再做一次尝试，即在函数内部再调用一次函数，这就是递归的过程。
这样重复了若干次之后，发现这次选择的这条路走不通，这时候我们知道我们上一个路口选错了，所以我们要回到上一个路口重新选择其他路，这就是回溯的思想。