算法与数据结构砍柴路--回溯和分治

分治

说明:在计算机科学中,分治法是一种很重要的算法。字面上的解释是“分而治之”,就是把一个复杂的问题分成两个或更多的相同或相似的子问题,再把子问题分成更小的子问题……直到最后子问题可以简单的直接求解,原问题的解即子问题的解的合并。

解题步骤:

分解:将原问题分解为若干个规模较小,相互独立,与原问题形式相同的子问题;

解决:若子问题规模较小而容易被解决则直接解,否则递归地解各个子问题;

合并:将各个子问题的解合并为原问题的解。

解题模板:

def func(args):
    if 终止条件:
        # 终止逻辑块
        return
    # 拆分子问题
    # 求解子问题 调用func(args)
    # 合并子问题 

举例:

power(x,n) 链接

实现 pow(x, n) ,即计算 x 的 n 次幂函数。

示例 1:

输入: 2.00000, 10
输出: 1024.00000
示例 2:

输入: 2.10000, 3
输出: 9.26100
示例 3:

输入: 2.00000, -2
输出: 0.25000
解释: 2-2 = 1/22 = 1/4 = 0.25
说明:

-100.0 < x < 100.0
n 是 32 位有符号整数,其数值范围是 [−231, 231 − 1] 。

def myPow(self, x: float, n: int) -> float:
        def quickMul(N):
            if N == 0:
                return 1.0
            y = quickMul(N // 2)
            
            return y * y if N % 2 == 0 else y * y * x
        
        return quickMul(n) if n >= 0 else 1.0 / quickMul(-n)

回溯

说明:回溯算法也叫试探法,基本思想是从一条路往前走,能进则进,不能进则退回来,换一条路再试。

解题步骤:

1、 针对所给问题,定义问题的解空间,它至少包含问题的一个(最优)解。

2 、确定易于搜索的解空间结构,使得能用回溯法方便地搜索整个解空间 。

3 、以深度优先的方式搜索解空间,并且在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。

解题模板:

def func(args):
    if 终止条件:
        # 终止逻辑块
        return
    # 当前层逻辑
    # 进一步, 调用func(args)
    # (如果有需要)恢复当前状态

举例:

n皇后

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。

img

上图为 8 皇后问题的一种解法。

给定一个整数 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明确的 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。

上图为 8 皇后问题的一种解法。

给定一个整数 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明确的 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:

输入:4
输出:[
[".Q..", // 解法 1
"...Q",
"Q...",
"..Q."],

["..Q.", // 解法 2
"Q...",
"...Q",
".Q.."]
]
解释: 4 皇后问题存在两个不同的解法。

提示:

皇后彼此不能相互攻击,也就是说:任何两个皇后都不能处于同一条横行、纵行或斜线上。

class Solution:
    def solveNQueens(self, n: int) -> List[List[str]]:
        def generateBoard():
            board = list()
            for i in range(n):
                row[queens[i]] = "Q"
                board.append("".join(row))
                row[queens[i]] = "."
            return board

        def backtrack(row: int):
            if row == n:
                board = generateBoard()
                solutions.append(board)
            else:
                for i in range(n):
                    if i in columns or row - i in diagonal1 or row + i in diagonal2:
                        continue
                    queens[row] = i
                    columns.add(i)
                    diagonal1.add(row - i)
                    diagonal2.add(row + i)
                    
                    backtrack(row + 1)
                    columns.remove(i)
                    diagonal1.remove(row - i)
                    diagonal2.remove(row + i)
                    
        solutions = list()
        queens = [-1] * n
        columns = set()
        diagonal1 = set()
        diagonal2 = set()
        row = ["."] * n
        backtrack(0)
        return solutions

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