面试刷题总结(三) – 深度优先搜索与回溯

回溯(backtrack)是一种系统性地搜索问题解答的方法。为了实现回溯,首先需要为问题定义一个解空间(solution space),这个空间必须至少包含问题的一个解(可能是最优的)。深度优先搜索方法本质上是对解空间的深度优先遍历,也就是说要做到「心中有树」。

回溯问题往往使用同一套代码可以解决一个问题的好几个变种。所以我们解决问题的时候应该首先尝试解决最基础的形式:判定是否有解或者有几个解,然后再去具体求解路径。

本质上来说,回溯就是一种暴力解法。

解题模板

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」。下面的 if 不可行 其实就是剪枝的过程。给定的函数往往不一定满足回溯的函数签名,添加一个 helper 函数就好了。track 就是路径的意思,所以回溯(backtrack)本身就是路径退回的意思。

需要注意的是,剪枝虽然能够提高程序运行速度,但是对于时间复杂度往往没有改善。回溯算法的时间复杂度往往是 O(2^n)

选择列表  # 题目给定
ans = []
def backtrack( track , pos ):
    """
    track: 当前路径
    pos: 当前位置,或者是剩下的未访问元素
    """
    if 满足结束条件 :  # base case
        ans.add( track )
        return

    # 通过考虑 pos,可以让选择列表小一点
    for 选择 in 选择列表 [pos] :
        if 不可行 :
            continue
        做选择  # track -> new_track
        backtrack( new_track , 选择 )
        撤销选择  # new_track -> track

我们可以看到回溯的空间复杂度实际上就是路径的最大长度。ans 参数完全可以写到 backtrack 函数中一直传递,但是本来 backtrack 函数的参数就够多了,我还是建议把他作为一个全局变量或者闭包外的变量,这样清晰一些。

另外值得注意的一点是,我们传递了 pos 这个变量,实际上从这里很容易转变成动态规划了。实际上这里的 pos 就是动态规划中遍历数组的索引。

改变函数签名与参数传递

正如上面所说的,回溯算法往往是需要定义一个 helper 函数的。

回溯最好把结果变量作为一个全局变量和输入变量都定义在外边,这样方便一些,不然就得一路传递下去,容易出问题。backtrack 函数接收两个参数:

  1. 当前路径
  2. 当前遍历位置

这里其实是更广义的 result in parameter 还是 result in return value 的问题。最好给用户用的函数是 result in return value 的,自己的内部实现可以是 result in parameter 的。另外也可以用闭包实现 result in parameter 的效果,也就是说不传递参数,直接从 closure 中读取。其实也可以用一个全局变量来做,都是类似的效果。

—存疑—
固定传递的参数也包括了向下传递还是向上返回。具体来说有以下几种:

  1. 向下传递额外参数,如边界等,这个参数可能是随着调用在变的。
  2. 向上返回额外参数,也就是后续遍历才能够使用到返回的值。
    —存疑结束—

例题

对于 Python 来说,一般没必要使用全局变量,可以使用内部函数访问闭包内的变量。

LeetCode 17

这道题可以说是最最简单的一道 dfs 题目了。

参考

  1. https://www.dailycodingproblem.com/blog/an-introduction-to-backtracking/
  2. https://labuladong.gitbook.io/algo/di-ling-zhang-bi-du-xi-lie/hui-su-suan-fa-xiang-jie-xiu-ding-ban
  3. https://www.cnblogs.com/hustcat/archive/2008/04/09/1144645.html
  4. https://www.1point3acres.com/bbs/thread-583166-1-1.html
  5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/92782083

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