五大常用算法之一:回溯算法(Back Tracking)

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前言

回溯法(back tracking)(探索与回溯法)是一种选优搜索法,又称为试探法,按选优条件向前搜索,以达到目标。但当探索到某一步时,发现原先选择并不优或达不到目标,就退回一步重新选择,这种走不通就退回再走的技术为回溯法,而满足回溯条件的某个状态的点称为“回溯点”。

回溯法也可以叫做回溯搜索法,它是一种搜索的方式。回溯是递归的副产品,只要有递归就会有回溯。

回溯法的效率

回溯法并不是什么高效的算法,因为回溯的本质是穷举,穷举所有可能,然后选出我们想要的答案。如果想让回溯法高效一些,可以加一些剪枝的操作,但也改不了回溯法就是穷举的本质。

那么既然回溯法并不高效为什么还要用它呢?因为没得选,一些问题能暴力搜出来就不错了,撑死了再剪枝一下,还没有更高效的解法。

回溯法解决的问题

回溯法一般可以解决如下几种问题:

  • 组合问题:N个数里面按一定规则找出k个数的集合
  • 切割问题:一个字符串按一定规则有几种切割方式
  • 子集问题:一个N个数的集合里有多少符合条件的子集
  • 排列问题:N个数按一定规则全排列,有几种排列方式
  • 棋盘问题:N皇后,解数独等等

如何理解回溯法

回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构,所有回溯法的问题都可以抽象为树形结构!

因为回溯法解决的都是在集合中递归查找子集,集合的大小就构成了树的宽度,递归的深度,就构成的树的深度。

递归就要有终止条件,所以必然是一颗高度有限的树(N叉树)。

回溯法模板

1. 回溯函数模板返回值以及参数

在这里定义一个函数backtracking,函数返回值一般为void。

再来看一下参数,因为回溯算法需要的参数不容易一次性确定下来,所以一般是先写逻辑,然后需要什么参数,就填什么参数。

回溯函数伪代码如下:

void backtracking(参数) 

2. 回溯函数终止条件

当回溯达到了终止条件,树中就可以看出,一般来说搜到叶子节点了,也就找到了满足条件的一条答案,把这个答案存放起来,并结束本层递归。

所以回溯函数终止条件伪代码如下:

if (终止条件) {
    存放结果;
    return;
}

3. 回溯搜索的遍历过程

在上面我们提到了,回溯法一般是在集合中递归搜索,集合的大小构成了树的宽度,递归的深度构成的树的深度。

回溯函数遍历过程伪代码如下:

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
}

for循环就是遍历集合区间,可以理解为一个节点有多少个孩子,这个for循环就执行多少次。

backtracking这里自己调用自己,实现递归。

for循环可以理解是横向遍历,backtracking(递归)就是纵向遍历,这样就把这棵树全遍历完了,一般来说,搜索叶子节点就是找的其中一个结果了。

总结

分析完过程,总结下回溯算法模板框架如下:

void 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
    }
}

这份模板很重要,以后做回溯法的题目就可以根据模板来化解了!

写在最后

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