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2023-05-21 19:58:42 +08:00
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<p>「回溯算法 Backtracking Algorithm」是一种通过穷举来解决问题的方法它的核心思想是从一个初始状态出发暴力搜索所有可能的解决方案当遇到正确的解则将其记录直到找到解或者尝试了所有可能的选择都无法找到解为止。</p>
<p>回溯算法通常采用「深度优先搜索」来遍历解空间。在二叉树章节中,我们提到前序、中序和后序遍历都属于深度优先搜索。下面,我们从二叉树的前序遍历入手,逐步了解回溯算法的工作原理。</p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">例题一:在二叉树中搜索并返回所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点</p>
<p class="admonition-title">例题一</p>
<p>给定一个二叉树,搜索并记录所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回节点列表。</p>
</div>
<p><strong>解题思路</strong>:前序遍历这颗树,并判断当前节点的值是否为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> ,若是则将该节点的值加入到结果列表 <code>res</code> 之中。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:10"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label></div>
@@ -2060,7 +2061,8 @@
<p>对于例题一,访问每个节点都代表一次“尝试”,而越过叶结点或返回父节点的 <code>return</code> 则表示“回退”。</p>
<p>值得说明的是,<strong>回退并不等价于函数返回</strong>。为解释这一点,我们对例题一稍作拓展。</p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,<strong>返回根节点到这些节点的路径</strong></p>
<p class="admonition-title">例题二</p>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,<strong>返回根节点到这些节点的路径</strong></p>
</div>
<p><strong>解题思路</strong>:在例题一代码的基础上,我们需要借助一个列表 <code>path</code> 记录访问过的节点路径。当访问到值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点时,则复制 <code>path</code> 并添加进结果列表 <code>res</code> 。遍历完成后,<code>res</code> 中保存的就是所有的解。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:10"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_6" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_7" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_8" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_9" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_10" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">Java</label><label for="__tabbed_2_2">C++</label><label for="__tabbed_2_3">Python</label><label for="__tabbed_2_4">Go</label><label for="__tabbed_2_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_2_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_2_7">C</label><label for="__tabbed_2_8">C#</label><label for="__tabbed_2_9">Swift</label><label for="__tabbed_2_10">Zig</label></div>
@@ -2269,8 +2271,9 @@
<h2 id="1212">12.1.2. &nbsp; 剪枝<a class="headerlink" href="#1212" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>复杂的回溯问题通常包含一个或多个约束条件,<strong>约束条件通常可用于“剪枝”</strong></p>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">例题三:在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回根节点到这些节点的路径,<strong>路径中不能包含值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</strong></p>
<p class="admonition-title">例题三</p>
</div>
<p>在二叉树中搜索所有值为 <span class="arithmatex">\(7\)</span> 的节点,返回根节点到这些节点的路径,<strong>路径中不能包含值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点</strong></p>
<p><strong>解题思路</strong>:在例题二的基础上添加剪枝操作,当遇到值为 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的节点时,则终止继续搜索。</p>
<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:10"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_6" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_7" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_8" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_9" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_10" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">Java</label><label for="__tabbed_4_2">C++</label><label for="__tabbed_4_3">Python</label><label for="__tabbed_4_4">Go</label><label for="__tabbed_4_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_4_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_4_7">C</label><label for="__tabbed_4_8">C#</label><label for="__tabbed_4_9">Swift</label><label for="__tabbed_4_10">Zig</label></div>
<div class="tabbed-content">

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@@ -1862,7 +1862,8 @@
<h1 id="123-n">12.3. &nbsp; N 皇后问题<a class="headerlink" href="#123-n" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">根据国际象棋的规则,皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个皇后和一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的棋盘,寻找使得所有皇后之间无法相互攻击的摆放方案。</p>
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>根据国际象棋的规则,皇后可以攻击与之处在同一行或同一列或同一斜线上的棋子。给定 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个皇后和一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的棋盘,寻找使得所有皇后之间无法相互攻击的摆放方案。</p>
</div>
<p>如下图所示,当 <span class="arithmatex">\(n = 4\)</span> 时,共可以找到两个解。从回溯算法的角度看,<span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的棋盘共有 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> 个格子,给出了所有的选择 <code>choices</code> 。在逐个放置皇后的过程中,棋盘状态在不断地变化,每个时刻的棋盘就是状态 <code>state</code></p>
<p><img alt="4 皇后问题的解" src="../n_queens_problem.assets/solution_4_queens.png" /></p>

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@@ -1917,7 +1917,8 @@
</div>
<h2 id="1221">12.2.1. &nbsp; 无重复的情况<a class="headerlink" href="#1221" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">输入一个整数数组,数组中不包含重复元素,返回所有可能的排列。</p>
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>输入一个整数数组,数组中不包含重复元素,返回所有可能的排列。</p>
</div>
<p><strong>从回溯算法的角度看,我们可以把生成排列的过程想象成一系列选择的结果</strong>。假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 2, 3]\)</span> ,如果我们先选择 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 、再选择 <span class="arithmatex">\(3\)</span> 、最后选择 <span class="arithmatex">\(2\)</span> ,则获得排列 <span class="arithmatex">\([1, 3, 2]\)</span> 。回退表示撤销一个选择,之后继续尝试其他选择。</p>
<p>从回溯算法代码的角度看,候选集合 <code>choices</code> 是输入数组中的所有元素,状态 <code>state</code> 是直至目前已被选择的元素。注意,每个元素只允许被选择一次,<strong>因此在遍历选择时,应当排除已经选择过的元素</strong></p>
@@ -2217,7 +2218,8 @@
<h2 id="1222">12.2.2. &nbsp; 考虑重复的情况<a class="headerlink" href="#1222" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<div class="admonition question">
<p class="admonition-title">输入一个整数数组,<strong>数组中可能包含重复元素</strong>,返回所有不重复的排列。</p>
<p class="admonition-title">Question</p>
<p>输入一个整数数组,<strong>数组中可能包含重复元素</strong>,返回所有不重复的排列。</p>
</div>
<p>假设输入数组为 <span class="arithmatex">\([1, 1, 2]\)</span> 。为了方便区分两个重复的元素 <span class="arithmatex">\(1\)</span> ,接下来我们将第二个元素记为 <span class="arithmatex">\(\hat{1}\)</span> 。如下图所示,上述方法生成的排列有一半都是重复的。</p>
<p><img alt="重复排列" src="../permutations_problem.assets/permutations_ii.png" /></p>