力扣:77. 组合(回溯, path[:]的作用)

题目:

给定两个整数 n 和 k,返回范围 [1, n] 中所有可能的 k 个数的组合。

你可以按 任何顺序 返回答案。

示例 1:

输入:n = 4, k = 2
输出:
[
  [2,4],
  [3,4],
  [2,3],
  [1,2],
  [1,3],
  [1,4],
]

示例 2:

输入:n = 1, k = 1
输出:[[1]]

提示:

  • 1 <= n <= 20
  • 1 <= k <= n

思路(path[:]的作用):

本题是回溯法的经典题目。

可以直接套用模板(需要理解具体题目含义,此处就不做详细分析),模板如下:

def backtracking(self, 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
        self.backtracking(路径,选择列表)  # 递归
        回溯,撤销处理结果

这里需要注意下本题中 result.append(path[:])  (见下图完整代码), 为什么不是result.append(path)呢? 

在这里,path[:]的作用是创建path列表的副本。当我们使用path[:]时,实际上是对path列表进行了浅拷贝,得到了一个新的列表,该列表与path具有相同的元素。这样做的目的是为了避免直接操作原始的path列表,因为在回溯算法中,我们会频繁地对path进行添加和删除操作,如果直接操作原始的path列表,会导致结果不准确。通过使用path[:]创建副本,我们可以在不影响原始path列表的情况下,将其添加到result列表中,确保每个结果都是正确的。

剪枝优化:

回溯法虽然是暴力搜索,但也有时候可以有点剪枝优化一下的。

来举一个例子,n = 4,k = 4的话,那么第一层for循环的时候,从元素2开始的遍历都没有意义了。 在第二层for循环,从元素3开始的遍历都没有意义了。

图中每一个节点(图中为矩形),就代表本层的一个for循环,那么每一层的for循环从第二个数开始遍历的话,都没有意义,都是无效遍历。

所以,可以剪枝的地方就在递归中每一层的for循环所选择的起始位置

如果for循环选择的起始位置之后的元素个数 已经不足 我们需要的元素个数了,那么就没有必要搜索了

优化前代码: 

 for i in range(startIndex, n + 1): 

 优化过程如下

  1. 已经选择的元素个数:len(path)

  2. 还需要的元素个数为: k - len(path)

  3. 在集合n中至多要从该起始位置 : n - (k - len(path)) + 2,开始遍历

为什么是+2呢,因为左闭右开,i最多为n - (k - len(path)) + 1 

举个例子,n = 4,k = 3, 目前已经选取的元素为0(len(path)为0),n - (k - 0) + 1 即 4 - ( 3 - 0) + 1 = 2。

从2开始搜索都是合理的,可以是组合[2, 3, 4]。

 

优化后代码:

 for i in range(startIndex, n - (k - len(path)) + 2): 

 

代码:

未剪枝:

from typing import List

class Solution:
    def combine(self, n: int, k: int) -> List[List[int]]:
        result = []  # 用于存储最终结果的列表
        self.backtracking(n, k, 1, [], result)  # 调用回溯函数
        return result  # 返回最终结果列表

    # 回溯函数
    def backtracking(self, n, k, startIndex, path, result):
        if len(path) == k:  # 如果当前组合的长度达到要求的k
            result.append(path[:])  # 将当前组合加入最终结果列表
            return result  # 返回最终结果列表
        for i in range(startIndex, n + 1):  # 遍历所有可能的元素 未剪枝 可以进行优化
            path.append(i)  # 将当前元素加入组合
            self.backtracking(n, k, i + 1, path, result)  # 递归调用回溯函数,startIndex更新为i+1
            path.pop()  # 回溯,将当前元素从组合中移除

剪枝优化:

class Solution:
    def combine(self, n: int, k: int) -> List[List[int]]:
        result = []
        self.backtracking(n, k, 1, [], result)
        return result

    
    def backtracking(self, n, k, startIndex, path, result):
        if len(path) == k:
            result.append(path[:])
            return result
        for i in range(startIndex, n - (k - len(path)) + 2): # 优化地方
            path.append(i)
            self.backtracking(n, k, i + 1, path, result)
            path.pop()

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