回溯DFS排列组合问题刷题总结

目录

• 深度优先搜索刷题总结
  • 46. 全排列
  • 终止条件：
  • 候选者：
  • 路径：
  • 剪枝：
    • 47. 全排列 II
  • 候选人的起点选择：
    • 39. 组合总和
    • 40. 组合总和 II
    • 78. 子集
    • 90. 子集 II
  • 候选人的终点选择：
    • 77. 组合

深度优先搜索刷题总结

46. 全排列

46. 全排列

给定一个 没有重复 数字的序列，返回其所有可能的全排列。

输入: [1,2,3]
输出:[[1,2,3],[1,3,2],[2,1,3],[2,3,1],[3,1,2],[3,2,1]]

public List<List<Integer>> findSubsequences(int[] nums) {
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
	List<Integer> path = new ArrayList<>();
    boolean[] visited = new boolean[nums.length];
    dfs(res,path,nums,visited);
    return res;
}

void dfs(List<List<Integer>> res,List<Integer> path,int[] nums, boolean[] visited){
    //终止条件
    if(path.size() == nums.length) {/*终止条件成立*/
        /* 可以选择进一步判断这条路径上的结果是否满足题意 */
        res.add(new ArrayList<>(path));
        return;
    }
    //选取候选者【却决于题目 几个分叉】
    for(int i = 0; i < arr.length; i++){
        int curr = arr[i];
        if(!visited[i]){ //如果没有走过
            visited[i] = true; // 表示走过了
            path.add(curr); //加入path
            dfs(res,path,nums,visited); //递归到下一层
            path.remove(path.size()-1); //还原现场
            visited[i] = false; 
        }
    }
}

我们可以看看回溯的这个过程：

 递归之前 => [1] 递归之前 => [1, 2] 递归之前 => [1, 2, 3]
 递归之后 => [1, 2] 递归之后 => [1] 
 递归之前 => [1, 3] 递归之前 => [1, 3, 2]
 递归之后 => [1, 3] 递归之后 => [1] 递归之后 => []
 递归之前 => [2] 递归之前 => [2, 1] 递归之前 => [2, 1, 3]
 递归之后 => [2, 1] 递归之后 => [2]
 递归之前 => [2, 3] 递归之前 => [2, 3, 1]
 递归之后 => [2, 3] 递归之后 => [2] 递归之后 => []
 递归之前 => [3] 递归之前 => [3, 1] 递归之前 => [3, 1, 2]
 递归之后 => [3, 1] 递归之后 => [3]
 递归之前 => [3, 2] 递归之前 => [3, 2, 1]
 递归之后 => [3, 2] 递归之后 => [3] 递归之后 => []

图片来源：https://leetcode-cn.com/problems/permutations/solution/hui-su-suan-fa-python-dai-ma-java-dai-ma-by-liweiw/

终止条件：

终止条件满足，该层递归就必须要返回，随便举几个例子：

• 假设n代表每次遍历数组的下标位置，每层递归都需要n+1，那么终止条件就是n == nums.length，因为代表刚好越过数组的最后一个元素，此时就需要返回。
• 假设需要搜索到叶子节点的路径，那么当root.left == null && root.right == null时，就需要返回。

另外，有些时候，完整的一条路径并不能满足题意，就需要进行筛选。

• 假设我们需要从数组m中每次选择n个数，且和为s，一条路径的终止条件时res.length == n，但此时的和不一定为s，对吧，这时就需要跳过这条路径，不管他。

候选者：

就是总共有几种选择？如全排列，每一层递归都会减少一次选择数的机会，因为上一层选过的数，我们可以使用一个visited[]数组来标记。

路径：

有时候路径的表示是字符串，有时候路径的表示是一个数组，需要注意的一点是：还原现场，这也是回溯的体现。

假设是一个ArrayList，每一次递归，将当前的候选人加入列表，由于是变量地址值传递，我们需要注意在一层递归结束之后，保证回退到之前的状态：【同样的在数组中加入，使用StringBuilder拼接】都需要同样的操作。

!【重要】：我的理解是，只要保证每次递归之后的结果不要影响上一层递归就可以了，要不要回溯取决于在进入下一层递归的时候，是否使用的同一份：

• 如果是，则回溯。
• 如果是创建了一份新的，则不需要回溯。

当然，后者将会在每次递归的时候都创建一份，空间消耗比较大。

visited[i] = true; // 表示走过了
path.add(curr); //加入path
dfs(res,path,nums,visited); //递归到下一层
path.remove(path.size()-1); //还原现场
visited[i] = false; 

当然，我们必须注意到一个问题，就是最后一步的res.add(new ArrayList<>(path));如果改成res.add(path);，输出结果将会是：[[],[],[],[],[],[]]。

原因在于：path指向的列表在DFS的过程中只有一份，DFS之后，回到了根节点，成为了空列表，因此我们需要做一次拷贝。

剪枝：

47. 全排列 II

给定一个可包含重复数字的序列，返回所有不重复的全排列。

示例:

输入: [1,1,2]
输出:[[1,1,2],[1,2,1],[2,1,1]]

在全排列的基础上，我们需要加入剪枝条件，具体的解释可以看一下liweiwei老师的视频讲解：https://leetcode-cn.com/problems/permutations-ii/solution/hui-su-suan-fa-python-dai-ma-java-dai-ma-by-liwe-2/

我们需要明确，在这个DFS的过程中，哪里出现了重复？在这个图中，已经十分明显地看到：

• 这次搜索的起点和上次的起点相同 , visited[i - 1] == visited[i]。
• 且上一次的数已经被撤销，visited[i-1] ==false。

为保证i-1不越界，加上i>0的条件：

if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1] && !visited[i - 1]) {
    continue;
}

    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
    List<Integer> path = new ArrayList<>();
    boolean[] visited;
    public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
        visited = new boolean[nums.length];
        Arrays.sort(nums); //保证数组的有序性
        dfs(nums);
        return res;
    }
    
    void dfs(int[]nums){
        if(path.size() == nums.length) {
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        for(int i = 0; i < nums.length ; i++){
            if( visited[i]) continue;
            if( i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]  && !visited[i - 1]) continue; //此处剪枝
            visited[i] = true;
            path.add(nums[i]);
            dfs(nums);
            visited[i] = false;
            path.remove(path.size()-1);
        }
    }

候选人的起点选择：

39. 组合总和

39. 组合总和

给定一个无重复元素的数组 candidates 和一个目标数 target ，找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。

candidates 中的数字可以无限制重复被选取。

说明：

• 所有数字（包括 target）都是正整数。
• 解集不能包含重复的组合。

按照树形图的思路，我们每次选取一个数，t相应减去这个数，一旦t<=0，表示终止条件，且t == 0的时候，加入结果，但是这样做会有一个问题，我们可以看到有四个符合条件的结果：[[2, 2, 3], [2, 3, 2], [3, 2, 2], [7]]

因为第一次选了223之后，当选到23之后，理应不能再回过头选2了，选了就重复了对吧。

我们又如何保证不重复呢？其实思路很好理解，首先将数组排序，保证数组的升序排序，每一次搜索的时候设置下一轮搜索的起点就可以了。

    public List<List<Integer>> combinationSum(int[] arr, int t) {
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        List<Integer> path = new ArrayList<>();
        Arrays.sort(arr);//排序是剪枝的前提
        dfs(res,path,0,arr,t);
        return res;
    }
    
    void dfs(List<List<Integer>> res,List<Integer> path,int s,int[] arr, int t){
        if(t <= 0){
            if(t == 0){
                res.add(new ArrayList<>(path));
            }
            return;
        }
        for(int i = s; i < arr.length; i++){
            if(arr[i] > t){ //由于数组已经有序，当前这个数应该小于等于剩余数t
                break;
            }
            path.add(arr[i]);
            dfs(res,path,i,arr,t-arr[i]); //因为
            path.remove(path.size()-1);
        }  
    }

40. 组合总和 II

40. 组合总和 II

给定一个数组 candidates 和一个目标数 target ，找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。

candidates 中的每个数字在每个组合中只能使用一次。

说明：

• 所有数字（包括目标数）都是正整数。
• 解集不能包含重复的组合。

两道题目的不同点在于：

• 每个数字可以重复使用
• 每个数字只能使用一次。

我们的思路大致是差不多的，先对数组进行排序，然后每次让下一层起点坐标是下一位即可，dfs(res,path,i+1,arr,t-arr[i]); ，但这样同样也会出现重复的问题。

参考https://leetcode-cn.com/problems/combination-sum-ii/solution/hui-su-suan-fa-jian-zhi-python-dai-ma-java-dai-m-3/ 评论区Allen同学的题解：

避免重复的本质做法就是如何保证递归树的同一个层级不出现相同的元素。

按照之前的思想，我们在数组有序的前提下，一旦arr[i - 1] == arr[i]，就跳过该元素就可以，但是如果是这样，那么两个相同元素在上下不同层的情况也会被忽略掉，比如这样肯定是不行的。

我们需要额外的条件，如何不同层的元素被过滤呢？

我们可以设每一层的状态是s，下一层的状态是i，那么每递归一层i = i +1 ，那么只要 i > s，就表示不在同一层了，也就是下面代码的由来：if(i > s && arr[i] == arr[i - 1]) continue;。

    public List<List<Integer>> combinationSum2(int[] arr, int t) {
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        List<Integer> path = new ArrayList<>();
        Arrays.sort(arr);//排序是剪枝的前提
        dfs(res,path,0,arr,t);
        return res;
    }
	// s 可以看成层数， i可以看成这一层从第几个开始
    void dfs(List<List<Integer>> res,List<Integer> path,int s,int[] arr, int t){
        if(t <= 0){
            if(t == 0){
                res.add(new ArrayList<>(path));
            }
            return;
        }
        for(int i = s; i < arr.length; i++){ 
            
            if(arr[i] > t){ //由于数组已经有序，当前这个数应该小于等于剩余数t
                break;
            }
            if(i > s && arr[i] == arr[i - 1]) continue;
            path.add(arr[i]);
            dfs(res,path,i+1,arr,t-arr[i]); 
            path.remove(path.size()-1);
        }  
    }

78. 子集

78. 子集

给定一组不含重复元素的整数数组 nums，返回该数组所有可能的子集（幂集）。

说明：解集不能包含重复的子集。

输入: nums = [1,2,3]
输出:
[[3],[1],[2],[1,2,3],[1,3],[2,3],[1,2],[]]

本题不包含重复元素，故不需要考虑同一层元素重复的问题。

    List<Integer> chain = new ArrayList<>();
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();

    public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {

        Arrays.sort(nums);
        dfs(nums,0);
        return res;
    }

	//s可以看成层数，i可以看成从哪个位置开始
    void dfs(int[] nums ,int s){
        res.add(new ArrayList<>(chain));
        for(int i = s; i < nums.length ; i++){
        chain.add(nums[i]);
            dfs(nums,i+1);
            chain.remove(chain.size()-1); 
        }
    }

返回的结果是：[[],[1],[1,2],[1,2,3],[1,3],[2],[2,3],[3]]

90. 子集 II

90. 子集 II

给定一个可能包含重复元素的整数数组 nums，返回该数组所有可能的子集（幂集）。

说明：解集不能包含重复的子集。

示例:

输入: [1,2,2]
输出:
[[2],[1],[1,2,2],[2,2],[1,2],[]]

这题和上一题的区别在于，同一层的元素可能会重复，和上面40题的思路相同，我们需要排除同一层的元素相同的情况，也就是跳过：if(i > s && nums[i] == nums[i - 1]) continue;，当然这要建立在数组排序的前提下。

候选人的终点选择：

除了候选人的起点可以剪枝外，候选人的终点其实也可以进行筛选过滤，来看看下面这道题：

77. 组合

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]]

很明显，每一层的起点，都是从上一层的起点+1开始，这里我们规定了候选者的起点，很快就可以写出如下代码：

class Solution {
    Deque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
    List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();

    public List<List<Integer>> combine(int n, int k) {
        if(k <= 0 || n < k) return res;
        dfs(1,n,k); //起点从1开始
        return res;
    }
    void dfs(int u, int n, int k){ //每一层k--,k==0时结束递归

        if(k == 0){
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        for(int i = u; i <= n; i++){
            path.addLast(i);
            dfs(i+1,n,k-1); //搜索起点++，层数k--
            path.removeLast();
        }
    }
}

这一节我们讨论候选者的终点选择，也就是for(int i = u; i <= n; i++)中的n其实是可以剪枝的，以提高效率。为什么这么说呢，因为假设此时(n = 7, k = 4)，最后一个组合其实是([4,5,6,7])，从5开始就不能够凑足k个数字，也就没有必要再进行搜索了。

假设搜索的起点为(u)，剩余个数为(k)，则可以知道满足条件的组合数一定需要满足(u + k - 1 leq n)，也就是说：当(u > n - k + 1)时就应该结束递归。

    void dfs(int u, int n , int k){

        if(k == 0){
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }
        if(u > n - k + 1) return;//处理上界
        for(int i = u; i <= n; i++){
            path.addLast(i);
            dfs(i+1,n,k-1);
            path.removeLast();
        }
    }