Leetcode 77 组合

1.题目描述

给定两个整数 nk,返回范围 [1, n] 中所有可能的 k 个数的组合。

你可以按 任何顺序 返回答案。
输入:n = 4, k = 2
输出:
[
[2,4],
[3,4],
[2,3],
[1,2],
[1,3],
[1,4],
]
1 <= n <= 20
1 <= k <= n

2.思路分析

  • 回溯法解决的经典问题之一
  • 回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构(N叉树),用树形结构来理解回溯就容易多了
    Leetcode 77 组合_第1张图片

可以看出这个棵树,一开始集合是 1,2,3,4, 从左向右取数,取过的数,不在重复取。

​ 第一次取1,集合变为2,3,4 ,因为k为2,我们只需要再取一个数就可以了,分别取2,3,4,得到集合[1,2] [1,3] [1,4],以此类推。

每次从集合中选取元素,可选择的范围随着选择的进行而收缩,调整可选择的范围

图中可以发现n相当于树的宽度,k相当于树的深度每次搜索到了叶子节点即为结果

步骤:

  • 递归函数的返回值以及参数

    定义两个全局变量( 一个存放符合条件单一结果,一个存放符合条件结果的集合)

    res=[]  #存放符合条件结果的集合
    path=[]  #用来存放符合条件结果
    

    int型变量 startIndex( 记录本层递归的中,集合从哪里开始遍历(集合就是[1,…,n] ) )

    每次从集合中选取元素,可选择的范围随着选择的进行而收缩,调整可选择的范围,就是要靠startIndex

Leetcode 77 组合_第2张图片

从图中的红线可以看出, 在集合[1,2,3,4]取1之后,下一层递归,就要在[2,3,4]中取数了,那么下一层递归如何知道从[2,3,4]中取数呢,靠的是startIndex。

startIndex: 记录下一层递归,搜索的起始位置。

def backtrack(n:int, k:int, StartIndex:int):
  • 回溯函数终止条件

    什么时候到达所谓的叶子节点了呢?

    path数组的大小如果达到k,说明找到了一个子集大小为k的组合了,在图中path存的就是根节点到叶子节点的路径。
    Leetcode 77 组合_第3张图片

    用result二维数组,把path保存起来,并终止本层递归。

    if len(path) == k:
        res.append(path[:])
        return
    
  • 单层搜索的过程

    回溯法的搜索过程就是一个树型结构的遍历过程,在如下图中,可以看出for循环用来横向遍历,递归的过程是纵向遍历。

Leetcode 77 组合_第4张图片

for循环每次从startIndex开始遍历,然后用path保存取到的节点i。

for i in range(StartIndex, n + 1):# 控制树的横向遍历
	path.append(i) # 处理节点
	backtrack(n, k, i+1) # 递归:控制纵向遍历,注意下一层的搜索从i+1开始
	path.pop() # 回溯,撤销处理节点

回溯模板

def 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
    }
}

3.代码实现

class Solution:
    def combine(self, n: int, k: int) -> List[List[int]]:
        res = [] # 存储符合条件结果的集合	
        path = [] # 用来存放符合条件的结果
        def backtrack(n, k, StartIndex):
            if len(path) == k:
                res.append(path[:])
                return
            for i in range(StartIndex, n + 1):
                path.append(i) # 处理节点
                backtrack(n, k, i+1) # 递归,注意下层搜索从i+1开始
                path.pop() # 回溯,撤销处理节点
        backtrack(n, k, 1)
        return res

4.剪枝优化

举个栗子,n = 4,k = 4的话,那么第一层for循环的时候,从元素2开始的遍历都没有意义了。 在第二层for循环,从元素3开始的遍历都没有意义了。

Leetcode 77 组合_第5张图片

图中每一个节点(图中为矩形),就代表本层的一个for循环,那么每一层的for循环从第二个数开始遍历的话,都没有意义,都是无效遍历。

可以剪枝的地方就在递归中每一层的for循环所选择的起始位置

如果for循环选择的起始位置之后的元素个数 已经不足 我们需要的元素个数了,那么就没有必要搜索了

# 优化前
for i in range(StartIndex, n + 1):
# 优化后
for i in range(startIndex,n-(k-len(path))+2): 
  • 已经选择的元素个数:path.size();
  • 还需要的元素个数为: k - path.size();
  • 在集合n中至多要从该起始位置 : n - (k - path.size()) + 1,开始遍历,+1(包含起始位置)
class Solution:
    def combine(self, n: int, k: int) -> List[List[int]]:
        res=[]  #存放符合条件结果的集合
        path=[]  #用来存放符合条件结果
        def backtrack(n,k,startIndex):
            if len(path) == k:
                res.append(path[:])
                return
            for i in range(startIndex,n-(k-len(path))+2):  #优化的地方
                path.append(i)  #处理节点
                backtrack(n,k,i+1)  #递归
                path.pop()  #回溯,撤销处理的节点
        backtrack(n,k,1)
        return res

5.总结

  • 组合问题回溯法解决的经典问题
  • 明确回溯三部曲:回溯函数要处理的参数以及返回值、回溯终止条件、单层搜索逻辑
  • 画图思路更加清晰

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