跟着姚桑学算法-数字排列

简介: 剑指offer算法

题. 数字排列

输入一组数字(可能包含重复数字),输出其所有的排列方式。

数据范围
输入数组长度 [0,6]。

样例
输入:[1,2,3]

输出:

      [
        [1,2,3],
        [1,3,2],
        [2,1,3],
        [2,3,1],
        [3,1,2],
        [3,2,1]
      ]

【题解】--- 回溯法

__回溯法__(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”。

在回溯法中,每次扩大当前部分解时,都面临一个可选的状态集合,新的部分解就通过在该集合中选择构造而成。这样的状态集合,其结构是一棵多叉树,每个树结点代表一个可能的部分解,它的儿子是在它的基础上生成的其他部分解。树根为初始状态,这样的状态集合称为状态空间树

回溯法对任一解的生成,一般都采用逐步扩大解的方式。每前进一步,都试图在当前部分解的基础上扩大该部分解。它在问题的状态空间树中,从开始结点(根结点)出发,以深度优先搜索整个状态空间。这个开始结点成为活结点,同时也成为当前的扩展结点。在当前扩展结点处,搜索向纵深方向移至一个新结点。

这个新结点成为新的活结点,并成为当前扩展结点。如果在当前扩展结点处不能再向纵深方向移动,则当前扩展结点就成为死结点。此时,应往回移动(回溯)至最近的活结点处,并使这个活结点成为当前扩展结点。回溯法以这种工作方式递归地在状态空间中搜索,直到找到所要求的解或解空间中已无活结点时为止。

回溯法与穷举法有某些联系,它们都是基于试探的。 穷举法 要将一个解的各个部分全部生成后,才检查是否满足条件,若不满足,则直接放弃该完整解,然后再尝试另一个可能的完整解,它并没有沿着一个可能的完整解的各个部分逐步回退生成解的过程。

而对于 回溯法 ,一个解的各个部分是逐步生成的,当发现当前生成的某部分不满足约束条件时,就放弃该步所做的工作,退到上一步进行新的尝试,而不是放弃整个解重来。

本题由于有重复元素的存在,注意枚举的顺序:

  • 先将所有数从小到大排序,这样相同的数会排在一起;
  • 从左到右依次枚举每个数,每次将它放在一个空位上;
  • 对于相同数,我们人为定序,就可以避免重复计算:我们在dfs时记录一个额外的状态,记录上一个相同数存放的位置 startstart,我们在枚举当前数时,只枚举 start+1,start+2,…,nstart+1,start+2,…,n 这些位置。
  • 不要忘记递归前和回溯时,对状态进行更新。

复杂度分析:

搜索树最后一层共有n!个结点,加上最后一层记录结点的计算量O(n),故总时间复杂度为O(n x n!)。

C++代码实现:

class Solution {
public:
    vector<bool> st;
    vector<int> path;
    vector<vector<int>> ans;

    vector<vector<int>> permutation(vector<int>& nums) {
        sort(nums.begin(), nums.end());
        st = vector<bool>(nums.size(), false);
        path = vector<int>(nums.size());
        dfs(nums, 0, 0);
        return ans;
    }

    void dfs(vector<int>& nums, int u, int start)
    {
        if (u == nums.size())
        {
            ans.push_back(path);
            return;
        }

        for (int i = start; i < nums.size(); i ++ )
            if (!st[i])
            {
                st[i] = true;
                path[i] = nums[u];
                if (u + 1 < nums.size() && nums[u + 1] != nums[u])
                    dfs(nums, u + 1, 0);
                else
                    dfs(nums, u + 1, i + 1);
                st[i] = false;
            }
    }

};

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