深入浅出理解回溯算法的底层原理

原文链接:组合问题
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一、参考资料

代码随想录-组合问题
leetcode-第77题. 组合

二、回溯法相关介绍

递归和回溯是一家,回溯和递归都是相伴相生的。

回溯是递归的副产品,只要有递归就会有回溯

1. 问题引入

一些问题只能通过暴力搜索,没有其他更高效的解法,因此选择回溯算法。

2. 回溯法的适用场景

回溯法,一般可以解决如下几种问题:

  • 组合问题:N个数里面按一定规则找出k个数的集合;
  • 切割问题:一个字符串按一定规则有几种切割方式;
  • 子集问题:一个N个数的集合里有多少符合条件的子集;
  • 排列问题:N个数按一定规则全排列,有几种排列方式;
  • 棋盘问题:N皇后,解数独等等。

3. 回溯法的本质

回溯法的本质是穷举,穷举所有可能,然后选出我们想要的答案。因此,回溯法的性能并不高。为了提高回溯法的效率,可以加一些剪枝的操作。

4. 理解回溯法

回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构,因为回溯法解决的都是在集合中递归查找子集,集合的大小构成树的宽度,递归的深度构成的树的深度。

回溯法的基本做法是深度优先搜索,是一种组织得井井有条的、能避免不必要重复搜索的穷举式搜索算法。

回溯算法的基本思想是:从一条路往前走,能进则进,不能进则退回来,换一条路再试。

5. 回溯算法流程

5.1 确定回溯函数的参数和返回值

  • 函数名,在回溯算法中,函数名通常为backtracking();
  • 返回值,回溯算法中函数返回值一般为void。
  • 参数,回溯算法需要的参数不像二叉树递归那么容易一次性确定下来,所以一般是先写逻辑,然后需要什么参数,就填什么参数

回溯函数伪代码如下:

void backtracking(参数)

5.2 确定回溯法的终止条件

一般来说,搜索到叶子节点,也就找到了满足条件的一条答案,把这个答案存放起来,并结束本层递归。

回溯函数终止条件伪代码如下:

if (终止条件) {
    存放结果;
    return;
}

5.3 回溯搜索的遍历过程

通常,回溯法是在集合中递归搜索,集合的大小构成树的宽度,递归的深度构成树的深度。
在这里插入图片描述

回溯函数遍历过程伪代码如下:

for (选择:本层集合中元素(树中节点孩子的数量就是集合的大小)) {
    处理节点;
    backtracking(路径,选择列表); // 递归
    回溯,撤销处理结果
}

从图中看出 ,for循环用来横向遍历,backtracking(递归)用来纵向遍历,这样就可以把整棵树遍历完。一般来说,搜索叶子节点就是找其中一个结果。

分析完过程,回溯算法模板框架如下:

void backtracking(参数) {
    if (终止条件) {
        存放结果;
        return;
    }

    for (选择:本层集合中元素(树中节点孩子的数量就是集合的大小)) {
        处理节点;
        backtracking(路径,选择列表); // 递归
        回溯,撤销处理结果
    }
}

三、示例分析

1. 示例源码

源码请参考:代码随想录-第77题. 组合

class Solution {
    
    
private:
    vector<vector<int>> result; // 存放符合条件结果的集合
    vector<int> path; // 用来存放符合条件结果
    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); // 处理节点
            backtracking(n, k, i + 1); // 递归
            path.pop_back(); // 回溯,撤销处理的节点
        }
    }
public:
    vector<vector<int>> combine(int n, int k) {
    
    
        result.clear(); // 可以不写
        path.clear();   // 可以不写
        backtracking(n, k, 1);
        return result;
    }
};

2. 回溯算法的运行示意图

示意图源文件下载链接
在这里插入图片描述

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