<冲刺大厂之算法刷题>回溯算法(四)

简介: <冲刺大厂之算法刷题>回溯算法

332.重新安排行程

题目描述


给你一份航线列表 tickets ,其中 tickets[i] = [fromi, toi] 表示飞机出发和降落的机场地点。请你对该行程进行重新规划排序。


所有这些机票都属于一个从 JFK(肯尼迪国际机场)出发的先生,所以该行程必须从 JFK 开始。如果存在多种有效的行程,请你按字典排序返回最小的行程组合。


例如,行程 ["JFK", "LGA"] 与 ["JFK", "LGB"] 相比就更小,排序更靠前。

假定所有机票至少存在一种合理的行程。且所有的机票 必须都用一次 且 只能用一次。


示例 1:


e715c1544b470df65207ffacefff83cf.jpg

输入:tickets = [["MUC","LHR"],["JFK","MUC"],["SFO","SJC"],["LHR","SFO"]]
输出:["JFK","MUC","LHR","SFO","SJC"]


示例 2:


d45c4aca7fafa0cca75b8650a9c39c9c.jpg

输入:tickets = [["JFK","SFO"],["JFK","ATL"],["SFO","ATL"],["ATL","JFK"],["ATL","SFO"]]
输出:["JFK","ATL","JFK","SFO","ATL","SFO"]
解释:另一种有效的行程是 ["JFK","SFO","ATL","JFK","ATL","SFO"] ,但是它字典排序更大更靠后。

思路分析

这道题目的几个难点:


一个行程中,如果航班处理不好容易变成一个圈,成为死循环

有多种解法,字母序靠前排在前面,让很多同学望而退步,如何该记录映射关系呢 ?

使用回溯法(也可以说深搜) 的话,那么终止条件是什么呢?

搜索的过程中,如何遍历一个机场所对应的所有机场。

1、如何理解死循环


167587582aa48344dd9c0c15b218e400.png


从例子可以看出 ,出发机场和到达机场也会重复的,如果在解题的过程中没有对集合元素处理好,就会死循环


2、该记录映射关系


有多种解法,字母序靠前排在前面,如何该记录映射关系呢 ?


一个机场映射多个机场,机场之间要靠字母序排列。一个机场映射多个机场,可以使用std::unordered_map,如果让多个机场之间再有顺序的话,就是用std::map 或者std::multimap 或者 std::multiset。


这样存放映射关系可以定义为 unordered_map> targets 或者 unordered_map> targets。


含义如下:


unordered_map targets:unordered_map<出发机场, 到达机场的集合> targets

unordered_map> targets:unordered_map<出发机场, map<到达机场, 航班次数>> targets

这两个结构,我选择了后者,因为如果使用unordered_map> targets 遍历multiset的时候,不能删除元素,一旦删除元素,迭代器就失效了。


再说一下为什么一定要增删元素呢,正如前面图中所示,出发机场和到达机场是会重复的,搜索的过程没及时删除目的机场就会死循环。


所以搜索的过程中就是要不断的删multiset里的元素,那么推荐使用unordered_map> targets。


在遍历 unordered_map<出发机场, map<到达机场, 航班次数>> targets的过程中,可以使用"航班次数"这个字段的数字做相应的增减,来标记到达机场是否使用过了。


如果“航班次数”大于零,说明目的地还可以飞,如果如果“航班次数”等于零说明目的地不能飞了,而不用对集合做删除元素或者增加元素的操作。


相当于说我不删,我就做一个标记!


算法设计

以 [[“JFK”, “KUL”], [“JFK”, “NRT”], [“NRT”, “JFK”]为例,抽象为树形结构如下:


f03c5542658e358f44cfcbb1a7c838c8.png


回溯三部曲


递归参数和返回值

递归参数:航班的映射关系 unordered_map> targets我们定义成全局变量(控制参数的个数), 还需要ticketNum表示一共有多少个航班(用于结束条件),还需要一个vector 记录结果.


返回值:我们需要找到一个航程,就是在树形结构中找一条通往叶子节点的路线.所以我们只需要找到就直接返回就可以了,也不用继续往下寻找了.


**备注:**本回溯函数中的参数都可作为全局变量.


递归结束条件

根据观察得知,如果最终的行程里的机场个数要比航线列表中的航班数量+1.我们就找到了一个形成,就把所有的航班串到一起了,递归结束.

if (result.size() == ticketNum + 1) {
    return true;
}
  • 单层递归逻辑

遍历所有以当前出发点开始的航线,先判断当前的航线是否还有多余的了,如果有则加入结果集.然后开始以新的出发点继续飞. 如果没有,继续寻找下一条.

for (pair<const string, int>& target : targets[result[result.size() - 1]]) {
    if (target.second > 0 ) { // 记录到达机场是否飞过了
        result.push_back(target.first);
        target.second--;
        if (backtracking(ticketNum, result)) return true;
        result.pop_back();
        target.second++;
    }
}

参考代码

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
// unordered_map<出发机场,map<到达机场,航班次数>>
unordered_map<string,map<string,int>> targets;
bool backtracking(int ticketNum,vector<string>& result) {
  if(result.size() == ticketNum+1) { //结束条件
    return true;
  }
  for(pair<const string,int> &target : targets[result[result.size()-1]]) {//以结束点为起始点开往新的航线。 注意:target必须设定为引用,因为要修改targets的属性值 
    if(target.second > 0) { //如果还有航班,就起飞
      result.push_back(target.first) ;
      target.second--;
      if(backtracking(ticketNum,result)) {//如果已经找到了航班次序,则不再进行寻找,直接进行返回
        return true;
      }
      target.second++;
      result.pop_back();
    }
  }
  return false;
}
vector<string> findItinerary(vector<vector<string>>& tickets) {
  targets.clear();
  vector<string> result;
  for(vector<string> vec : tickets) {//vec既可以用引用也可以再复制一份 
    targets[vec[0]][vec[1]]++;//记录映射关系
  }
  result.push_back("JFK") ;
  backtracking(tickets.size(),result);
  return result;
}

51. N皇后

题目描述


n 皇后问题 研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。


给你一个整数 n ,返回所有不同的 n 皇后问题 的解决方案。


每一种解法包含一个不同的 n 皇后问题 的棋子放置方案,该方案中 'Q' 和 '.' 分别代表了皇后和空位。


示例 1:


20fd6b92bccbd7ab52ff10f6aacb3a48.jpg

输入:n = 4
输出:[[".Q..","...Q","Q...","..Q."],["..Q.","Q...","...Q",".Q.."]]
解释:如上图所示,4 皇后问题存在两个不同的解法。

示例 2:

输入:n = 1
输出:[["Q"]]

思路分析

皇后们的约束条件:


不能同行

不能同列

不能同斜线

确定完约束条件,来看看究竟要怎么去搜索皇后们的位置,其实搜索皇后的位置,可以抽象为一棵树。


下面用一个 3 * 3 的棋盘,将搜索过程抽象为一棵树,如图:


253727b104ec7d05069fc3bbdcfa935f.jpg


可以看出,二维矩阵中矩阵的高就是这棵树的高度,矩阵的宽就是树形结构中每一个节点的宽度。


那么我们用皇后们的约束条件,来回溯搜索这棵树,只要搜索到了树的叶子节点,说明就找到了皇后们的合理位置了。


回溯三部曲


确定参数和返回值

参数:当前进行到棋盘的行数row,棋盘规模n,以及整个棋盘vector &chessboard


返回值:当我们把所有的棋子摆完,也就是把棋盘遍历一遍,则就结束,把棋盘加入结果集即可.因为结果有多个,所以并不需要返回值.


确定递归结束条件

当进行的row和棋盘的规模相等,则递归结束


确定单层递归逻辑

判断当前位置是否可以放置,如果可以则放棋子.然后递归进入下一行.递归回来进行回溯尝试其他情况.

参考代码

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
vector<vector<string>> result;
void backtracing(int row,vector<string>& checkerboard,int n){
  if(row == n){//结束条件 
    result.push_back(checkerboard) ;
    return;
  }
  for(int col = 0;col < n;col++) {
    if(isValid(row,col,checkerboard,n)){
      checkerboard[row][col] = 'Q';
      backtracing(row+1,checkerboard,n);
      checkerboard[row][col] = '.';
    }
  }
}
bool isValid(int row,int col,vector<string>& checkerboard,int n){
  //是否在同一列
  for(int i = 0;i < row;i++) {
    if(checkerboard[i][col] == 'Q'){
      return false;
    }
  }
  //是否在对角线上
  for(int i = row-1,j = col-1; i >=0 && j>=0; i--,j--){
    if(checkerboard[i][j] == 'Q'){
      return false;
    }
  }
  //是否在斜对角线上
  for(int i = row-1,j = col+1; i >=0 && j <n;i--,j++) {
    if(checkerboard[i][j] == 'Q'){
      return false;
    }
  }
  return true;
}
vector<vector<string>> solveNQueens(int n) {
  string s(n,'.');
  vector<string> path(n,s);
  backtracing(0,path,n);
  return result;
}

37. 解数独

题目描述

编写一个程序,通过填充空格来解决数独问题。


数独的解法需 遵循如下规则:


数字 1-9 在每一行只能出现一次。

数字 1-9 在每一列只能出现一次。

数字 1-9 在每一个以粗实线分隔的 3x3 宫内只能出现一次。(请参考示例图)

数独部分空格内已填入了数字,空白格用 '.' 表示。

示例:

8080c25d2e7186506b0e79ff499c31e3.png

输入:board = [["5","3",".",".","7",".",".",".","."],["6",".",".","1","9","5",".",".","."],[".","9","8",".",".",".",".","6","."],["8",".",".",".","6",".",".",".","3"],["4",".",".","8",".","3",".",".","1"],["7",".",".",".","2",".",".",".","6"],[".","6",".",".",".",".","2","8","."],[".",".",".","4","1","9",".",".","5"],[".",".",".",".","8",".",".","7","9"]]
输出:[["5","3","4","6","7","8","9","1","2"],["6","7","2","1","9","5","3","4","8"],["1","9","8","3","4","2","5","6","7"],["8","5","9","7","6","1","4","2","3"],["4","2","6","8","5","3","7","9","1"],["7","1","3","9","2","4","8","5","6"],["9","6","1","5","3","7","2","8","4"],["2","8","7","4","1","9","6","3","5"],["3","4","5","2","8","6","1","7","9"]]

解释:输入的数独如上图所示,唯一有效的解决方案如下所示:


d56894ecd42ab5e0fd154c49efada706.png


思路分析

N皇后问题 是因为每一行每一列只放一个皇后,只需要一层for循环遍历一行,递归来来遍历列,然后一行一列确定皇后的唯一位置。


本题就不一样了,本题中棋盘的每一个位置都要放一个数字,并检查数字是否合法,解数独的树形结构要比N皇后更宽更深。


因为这个树形结构太大了,我抽取一部分,如图所示:


ed8de1271ed4b1b84c1a99ffff14841b.png


回溯三部曲


确定参数和返回值

参数:由于数独的行列已知,所以参数只需要传入九宫格vector<vector<char>>& board即可.


返回值:由于答案只有一种,找到了就直接返回,没找到就尝试下一种情况,所以返回值是bool类型.


确定递归结束条件

递归的话只要把数字填满就返回true,然后递归逐渐跳出并结束.


确定单层递归逻辑

由于每一行需要填充多个数,也需要填充多个列,所以需要双层循环.如果当前位置需要填充,就先判断要填充的数是否合法(同行,同列,九宫格都不重复),如果合法就尝试下一个位置,不合法就尝试下一个数字.


参考代码

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
bool backtracing(vector<vector<char>>& board) {
  for(int i = 0; i < board.size(); i++) {
    for(int j = 0; j < board[0].size(); j++) {
      if(board[i][j]!='.') { //如果已经有数字了,则直接跳过
        continue;
      }
      for(char k = '1'; k <= '9'; k++ ) {
        if(isValid(i,j,k,board)) {
          board[i][j] = k;
          if(backtracing(board)) {//如果找到了方案,则立即返回 
            return true;
          }
          board[i][j] = '.' ;
        }
      }
      return false;
    }
  }
  return true;
}
bool isValid(int row,int col,char k,vector<vector<char>>& board) {
  //同行
  for(int j = 0; j < board[0].size(); j++) {
    if(board[row][j]==k) {
      return false;
    }
  }
  //同列
  for(int i = 0; i < board.size(); i++) {
    if(board[i][col]==k) {
      return false;
    }
  }
  //同一个九宫格
  int startX = ( row / 3) * 3;
  int startY = (col / 3) * 3;
  for(int i = startX ; i < startX+3; i++) {
    for(int j = startY; j<startY+3; j++) {
      if(board[i][j]==k) {
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
}
void solveSudoku(vector<vector<char>>& board) {
  backtracing(board);
}
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