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回溯算法超通俗易懂详尽分析和例题
阅读量:4089 次
发布时间:2019-05-25

本文共 3391 字,大约阅读时间需要 11 分钟。

        回溯法是很重要的一种算法,在it企业笔试中经常会遇到。事实上,在各种编程题中,大家或多或少都会接触到这些题目,但是很多人没有对这类题目有个系统性的总结。接下来就对回溯法进行详尽,通俗易懂的分析。

        回溯法有通用解法的美称,对于很多问题,如迷宫等都有很好的效果。回溯算法实际上一个类似枚举的深度优先搜索尝试过程,主要是在搜索尝试过程中寻找问题的解,当发现已不满足求解条件时,就“回溯”返回(也就是递归返回),尝试别的路径。许多复杂的,规模较大的问题都可以使用回溯法,有“通用解题方法”的美称。回溯法说白了就是穷举法。回溯法一般用递归来解决。

        回溯法一般都用在要给出多个可以实现最终条件的解的最终形式。回溯法要求对解要添加一些约束条件。总的来说,如果要解决一个回溯法的问题,通常要确定三个元素:

1、选择。对于每个特定的解,肯定是由一步步构建而来的,而每一步怎么构建,肯定都是有限个选择,要怎么选择,这个要知道;同时,在编程时候要定下,优先或合法的每一步选择的顺序,一般是通过多个if或者for循环来排列。

2、条件。对于每个特定的解的某一步,他必然要符合某个解要求符合的条件,如果不符合条件,就要回溯,其实回溯也就是递归调用的返回。
3、结束。当到达一个特定结束条件时候,就认为这个一步步构建的解是符合要求的解了。把解存下来或者打印出来。对于这一步来说,有时候也可以另外写一个issolution函数来进行判断。注意,当到达第三步后,有时候还需要构建一个数据结构,把符合要求的解存起来,便于当得到所有解后,把解空间输出来。这个数据结构必须是全局的,作为参数之一传递给递归函数。

        对于回溯法来说,每次递归调用,很重要的一点是把每次递归的不同信息传递给递归调用的函数。而这里最重要的要传递给递归调用函数的信息,就是把上一步做过的某些事情的这个选择排除,避免重复和无限递归。另外还有一个信息必须传递给递归函数,就是进行了每一步选择后,暂时还没构成完整的解,这个时候前面所有选择的汇总也要传递进去。而且一般情况下,都是能从传递给递归函数的参数处,得到结束条件的。

        递归函数的参数的选择,要遵循四个原则:
1、必须要有一个临时变量(可以就直接传递一个字面量或者常量进去)传递不完整的解,因为每一步选择后,暂时还没构成完整的解,这个时候这个选择的不完整解,也要想办法传递给递归函数。也就是,把每次递归的不同情况传递给递归调用的函数。
2、可以有一个全局变量,用来存储完整的每个解,一般是个集合容器(也不一定要有这样一个变量,因为每次符合结束条件,不完整解就是完整解了,直接打印即可)。
3、最重要的一点,一定要在参数设计中,可以得到结束条件。一个选择是可以传递一个量n,也许是数组的长度,也许是数量,等等。

4、要保证递归函数返回后,状态可以恢复到递归前,以此达到真正回溯。

结合几个例题来分析。

一、给出n对括号,求括号排列的所有可能性。

这是一个很经典的回溯法问题,代码如下,结合代码,对上面总结出的特点进行分析。

public class BackTracking {	public static void main(String[] args) {	int n=3;	int leftnum=n,rightnum=n;//左括号和右括号都各有n个	ArrayList
results=new ArrayList
();//用于存放解空间 parentheses("", results, leftnum, rightnum); for(String s:results) System.out.println(s); } public static void parentheses(String sublist, ArrayList
results, int leftnum, int rightnum){ if(leftnum==0&&rightnum==0)//结束 results.add(sublist); if(rightnum>leftnum)//选择和条件。对于不同的if顺序,输出的结果顺序是不一样的,但是构成一样的解空间 parentheses(sublist+")", results, leftnum, rightnum-1); if(leftnum>0) parentheses(sublist+"(", results, leftnum-1, rightnum); }}

输出如下:

()()()

()(())
(())()
(()())

((()))

对于回溯法来说,必须齐备的三要素:

1、选择。在这个例子中,解就是一个合法的括号组合形式,而选择无非是放入左括号,还是放入右括号;

2、条件。在这个例子中,选择是放入左括号,还是放入右括号,是有条件约束的,不是随便放的。而这个约束就是括号的数量。只有剩下的右括号比左括号多,才能放右括号。只有左括号数量大于0才能放入左括号。这里if的顺序会影响输出的顺序,但是不影响最终解;

3、结束。这里的结束条件很显然就是,左右括号都放完了。

回溯法中,参数的设计是一大难点,也是很重要的地方。而递归参数的设计要注意的四个点:

1、用了一个空字符串来作为临时变量存储不完整解;

2、用了一个ArrayList<String> results来存放符合要求的解。在后面可以看到,不一定要这样做,也可以直接打印结果;

3、把leftnum和rightnum传入给递归函数,这样可以用于判断结束条件;

4、这个例子不明显。但是事实上也符合这个条件。可以仔细观察代码,可以发现由于使用了两个if,所以当一次递归退出后,例如从第一个if退出,第二个递归直接递归的是leftnum-1和rightnum,这其实是已经恢复状态了(如果没有恢复状态,那就是leftnum, rightnum-1)。因此不需要人为让他恢复状态。但是恢复状态这点是很重要的,因为回溯法,顾名思义要回溯,不恢复状态,怎么回溯呢。

if(rightnum>leftnum)//选择和条件。对于不同的if顺序,输出的结果顺序是不一样的,但是构成一样的解空间			parentheses(sublist+")", results, leftnum, rightnum-1);		if(leftnum>0)			parentheses(sublist+"(", results, leftnum-1, rightnum);
从后面的例子可以看出,对于一些题,是必须要恢复递归前状态的。

二、给出一个不重复大于0数字的数组和一个目标,求数组中数的组合的和得到该目标(数字不同组合顺序当做一个解)。

public class BackTracking {	public static void main(String[] args){		int[] num=new int[]{2,3,7,6};		int target=9;		find(num, target, "");	}	public static void find(int[] num, int target, String temp){		if(issolution(temp,target)){			System.out.println(temp);			return;		}		for(int i=0;i

这题不同的是,它在递归后,必须把数组恢复。这也是参数的特征的第四点所说的内容。

三、给一个字符串,给出他的所有排列

public class BackTracking {	public static void main(String[] args){		String s="abc";		pailie(s,"");	}	public static void pailie(String s, String temp){//参数设计地尽量地简洁		if(s.length()==0){			System.out.println(temp);			return;		}		for(int i=0;i

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