「力扣」第 78、90 题：子集、子集 II（回溯算法）题解

「力扣」第 78 题：“子集”问题描述

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。

示例：

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

思路 1 ：

• 画出树形图：按照“一个数可以选，也可以不选”的思路，画出如下树形图；

• 结果出现在哪里？所有符合条件的结果出现在叶子结点中。
• 使用深度优先遍历需要的状态变量：1、当前考虑的是第几个数 index；2、从根结点到叶子结点的路径 path ，不难分析出它是一个栈。

Java 代码：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Deque;
import java.util.List;

public class Solution {

    public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {
        int len = nums.length;

        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        if (len == 0){
            return res;
        }

        Deque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
        dfs(nums, len, 0, path, res);
        return res;
    }

    private void dfs(int[] nums, int len, int index, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> res) {
        if (index == len){
            res.add(new ArrayList<>(path));
            return;
        }

        path.addLast(nums[index]);
        dfs(nums, len, index + 1, path, res);
        path.removeLast();

        dfs(nums, len, index + 1, path, res);
    }
}

使用示例 [1, 2, 3] 写一段测试代码运行一下，输出结果：

[[], [3], [2], [2, 3], [1], [1, 3], [1, 2], [1, 2, 3]]

符合我们画出的树形图。

复杂度分析：

• 时间复杂度：$O(N\times 2^N)$，这里 $N$ 为数组的长度，叶子结点一共有 $2^N$ 个，树的高度为 $N$。
• 空间复杂度：$O(N\times 2^N)$，理由同时间复杂度。保存子集需要长度为 $2^N$ 的列表，每一个子集的元素最多长度为 $N$。

思路 2 ：

• 画出树形图：按照“按照每一层选出一个数产生分支”的思路，可以画出如下树形图；

• 结果出现在哪里？所有的结点都是符合条件的结果。
• 使用深度优先遍历需要的状态变量：1、从候选数组的哪一个下标开始搜索 start；2、从根结点到叶子结点的路径 path ，这个变量我们多次遇到了。

Java 代码：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Deque;
import java.util.List;

public class Solution {

    public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        int len = nums.length;
        if (len == 0) {
            return res;
        }

        Deque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
        dfs(nums, 0, len, path, res);
        return res;
    }

    private void dfs(int[] nums, int begin, int len, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> res) {
        // 在遍历的过程中，收集符合条件的结果
        res.add(new ArrayList<>(path));
        for (int i = begin; i < len; i++) {
            path.addLast(nums[i]);
            dfs(nums, i + 1, len, path, res);
            path.removeLast();
        }
    }
}

复杂度分析：

• 时间复杂度：$O(2^N)$，整棵树的结点个数一共是 $2^N$ 个。
• 空间复杂度：$O(N\times 2^N)$，保存子集需要长度为 $2^N$ 的列表，每一个子集的元素最多长度为 $N$。

思路 3 ：

• 每一个候选数选与不选，这恰恰好是计算机世界里二进制数能够表示的含义，1 表示选择，0 表示不选；
• 因此，我们可以枚举数组长度的二进制数的所有可能十进制值，按照每一个数位的值枚举所有的可能性（这句话没有说得很准确，大家领会意思即可）。

Java 代码：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Solution {

    public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {
        int size = nums.length;
        int n = 1 << size;
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            List<Integer> cur = new ArrayList<>();
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                if (((i >> j) & 1) == 1) {
                    cur.add(nums[j]);
                }
            }
            res.add(cur);
        }
        return res;
    }
}

复杂度分析：

• 时间复杂度：$O(N\times 2^N)$，这里 $N$ 为数组的长度，叶子结点一共有 $2^N$ 个子集，遍历每一个子集所代表的二进制数有 $N$ 位。
• 空间复杂度：$O(N\times 2^N)$，保存子集需要长度为 $2^N$ 的列表，每一个子集的元素最多长度为 $N$。

「力扣」第 90 题：“子集 II”问题描述

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],
  []
]

思路：

• 借用「力扣」第 47 题的剪枝思想，先对数组排序，只要搜索起点一样，必然发生重复，此时剪枝即可。

复习一下为什么要先排序：

1、根据题目意思，子集的每个元素其实是不考虑次序的，因此 [1, 2] 和 [2, 1] 在结果集里只能保留一个；

2、有重复元素的时候，得到的子集也有重复列表，如何对列表去重呢？排个序以后，再逐个比对，这样做很麻烦，但其实可以在搜索的时候，就排序，然后绕过会产生重复结果的分支。

• 这里因为是不考虑顺序的，因此搜索的时候按顺序搜索即可，需要设置状态变量 start（正是因为按顺序搜索，因此不用设置布尔数组 used ） 和路径变量 path 。

Java 代码：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Deque;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

public class Solution {

    public List<List<Integer>> subsetsWithDup(int[] nums) {
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        int len = nums.length;
        if (len == 0) {
            return res;
        }
        // 排序是为了后面剪枝去重
        Arrays.sort(nums);

        Deque<Integer> path = new ArrayDeque<>();
        dfs(nums, 0, len, path, res);
        return res;
    }

    private void dfs(int[] nums, int start, int len, Deque<Integer> path, List<List<Integer>> res) {
        res.add(new ArrayList<>(path));

        for (int i = start; i < len; i++) {
            // 常见的剪枝操作
            if (i > start && nums[i] == nums[i - 1]) {
                continue;
            }

            path.addLast(nums[i]);

            // 从 i + 1 开始继续枚举，按顺序枚举，所以不会重复
            dfs(nums, i + 1, len, path, res);
            path.removeLast();
        }
    }
}

复杂度分析：（理由同「力扣」第 78 题思路 2）

• 时间复杂度：$O(2^N)$，整棵树的结点个数最多 $2^N$ 个。
• 空间复杂度：$O(N\times 2^N)$，保存子集需要长度为 $2^N$ 的列表，每一个子集的元素最多长度为 $N$。

总结

• 找出所有可能的解，这样的问题一般用回溯算法解决；
• 回溯算法能解决的问题的特点是：解决一个问题有多种办法，每一个办法又分为多个步骤，我们使用遍历的方法得到所有的结果；
• 解决回溯算法首先要画出树形图，以打开思路，进而考虑编码，考虑剪枝条件怎么写；
• 一般画树形图的时候都是一层一层画，这是人的思维，但是编码的时候，用深度优先遍历，这是计算机的思维，好处在《全排列》这个专辑里已经介绍了（借用系统栈、全程可以使用一份状态变量，节约空间）。

（如果有写得不详细的地方和错误的地方，欢迎朋友们指导。）