首先介绍“回溯”算法的应用。“回溯”算法也叫“回溯搜索”算法,主要用于在一个庞大的空间里搜索我们所需要的问题的解。我们每天使用的“搜索引擎”就是帮助我们在庞大的互联网上搜索我们需要的信息。“搜索”引擎的“搜索”和“回溯搜索”算法的“搜索”意思是一样的。
“回溯”指的是“状态重置”,可以理解为“回到过去”、“恢复现场”,是在编码的过程中,是为了节约空间而使用的一种技巧。而回溯其实是“深度优先遍历”特有的一种现象。之所以是“深度优先遍历”,是因为我们要解决的问题通常是在一棵树上完成的,在这棵树上搜索需要的答案,一般使用深度优先遍历。
“全排列”就是一个非常经典的“回溯”算法的应用。我们知道,N 个数字的全排列一共有 N! 这么多个。
使用编程的方法得到全排列,就是在这样的一个树形结构中进行编程,具体来说,就是执行一次深度优先遍历,从树的根结点到叶子结点形成的路径就是一个全排列。
说明:
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每一个结点表示了“全排列”问题求解的不同阶段,这些阶段通过变量的“不同的值”体现;
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这些变量的不同的值,也称之为“状态”;
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使用深度优先遍历有“回头”的过程,在“回头”以后,状态变量需要设置成为和先前一样;
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因此在回到上一层结点的过程中,需要撤销上一次选择,这个操作也称之为“状态重置”;
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深度优先遍历,可以直接借助系统栈空间,为我们保存所需要的状态变量,在编码中只需要注意遍历到相应的结点的时候,状态变量的值是正确的,具体的做法是:往下走一层的时候,path 变量在尾部追加,而往回走的时候,需要撤销上一次的选择,也是在尾部操作,因此 path 变量是一个栈。
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深度优先遍历通过“回溯”操作,实现了全局使用一份状态变量的效果。
解决一个回溯问题,实际上就是一个决策树的遍历过程。只需要思考 3 个问题:
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路径:也就是已经做出的选择。
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选择列表:也就是你当前可以做的选择。
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结束条件:也就是到达决策树底层,无法再做选择的条件。
代码方面,回溯算法的框架:
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。
必须说明的是,不管怎么优化,都符合回溯框架,而且时间复杂度都不可能低于 O(N!),因为穷举整棵决策树是无法避免的。这也是回溯算法的一个特点,不像动态规划存在重叠子问题可以优化,回溯算法就是纯暴力穷举,复杂度一般都很高。
Given a collection of distinct integers, return all possible permutations.
Example:
Input: [1,2,3] Output: [ [1,2,3], [1,3,2], [2,1,3], [2,3,1], [3,1,2], [3,2,1] ]
link:{sourcedir}/_0046_Permutations.java[role=include]