什么是回溯法

先看一下百科对回溯法的描述
百度百科:回溯法
维基百科:回溯法

回溯法的本质,就在穷举所有可能的过程中,根据题目给出的约束性要求,选出符合条件答案。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。

回溯法通常以最简单的递归来实现,以深度优先的方式穷举每一个答案,并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索

回溯法的基本思想

回溯法采用试错的思想,它尝试分步的去解决一个问题。在分步解决问题的过程中,当它通过尝试发现,现有的分步答案不能得到有效的正确的解答的时候,它将取消上一步甚至是上几步的计算,再通过其它的可能的分步解答再次尝试寻找问题的答案。回溯法通常用最简单的递归方法来实现,在反复重复上述的步骤后可能出现两种情况:

  • 找到一个可能存在的正确的答案
  • 在尝试了所有可能的分步方法后宣告该问题没有答案

回溯法能解决哪些问题?

  • 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

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,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,都构成的树的深度。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)。

回溯法的效率

虽然初学回溯法不好理解,但是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。

回溯法的模板

1、回溯函数模板返回值以及参数

在回溯算法中,我的习惯是函数起名字为 backtracking ,起名大家随意。

回溯算法中函数返回值一般为 void

再来看一下参数,因为回溯算法需要的参数可不像二叉树递归的时候那么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:

  1. void backtracking(参数)

2、回溯函数终止条件

既然回溯法解决的问题都可以抽象为树形结构,是树形结构,那么遍历树形结构一定要有终止条件,所以回溯也有要终止条件。

什么时候达到了终止条件,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:

  1. if (终止条件) {
  2. 存放结果;
  3. return;
  4. }

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。如图:image.png
注意图中,我特意举例集合大小和孩子的数量是相等的!
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。

大家可以从图中看出 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。

分析完过程,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,后面做回溯法的题目都靠它了!

如果从来没有学过回溯算法的录友们,看到这里会有点懵,后面开始讲解具体题目的时候就会好一些了,已经做过回溯法题目的录友,看到这里应该会感同身受了。

REF

https://programmercarl.com/回溯算法理论基础.html