详解回溯算法原理与使用方法

回溯算法是一种探索所有可能解决方案的算法,它尝试找到所有可能的解决方案。回溯算法通常用来解决那些:具有多个解决方案的问题,例如数独、八皇后等问题;解决方案个数极大的问题,如旅行商问题等。

回溯算法的基本流程:
1. 定义状态和状态之间的转移
2. 定义问题的解
3. 使用递归来遍历所有状态空间
4. 剪枝策略

使用回溯算法需要关注以下几点:
1. 状态如何定义:状态是问题的抽象,它用来表示一个问题的变化过程,如数独问题每一个格子是否填有数字就是一个状态。
2. 状态之间的转移:状态之间的转移指的是在某个状态下,如何构造出下一个状态。
3. 问题的解的定义:问题的解是指状态转移到某一状态下,达到了问题的最终目标。
4. 回溯:回溯就是在搜索状态的过程中,当搜索到一定深度后,发现后面的状态无法达到问题的目标,这时回溯到上一层状态,重新尝试其他可能的状态,在所有可能的状态尝试完后,如果还未找到解决方案,则回溯到上上一层状态,重新开始搜索直到找到问题的解。

以下两个示例可以进一步了解回溯算法的具体应用:

  1. 八皇后问题

在一个 8*8 的棋盘上放置 8 个皇后,使得任意两个皇后之间都不能在同一行、同一列、同一对角线上。如何放置 8 个皇后?

首先需要定义状态,这里定义为一个数组,表示每一行皇后所在的列数。然后需要定义状态之间的转移,即在第 i 行放置第 j 列的皇后,如果不满足条件则需要回溯。定义问题的解,则是所有列都填满后,表示找到了合法的解。

代码如下:

def queens(n: int):
    res = []
    path = [-1] * n

    def backtrack(row: int):
        if row == n:
            res.append(path[:])
            return
        for col in range(n):
            if check(row, col):
                path[row] = col
                backtrack(row + 1)
                path[row] = -1

    def check(row: int, col: int) -> bool:
        for i in range(row):
            if path[i] == col or abs(path[i] - col) == row - i:
                return False
        return True

    backtrack(0)
    return res
  1. 组合总和问题

给定一个无重复元素的数组 candidates 和一个目标数 target ,找出 candidates 中所有可以使数字和为 target 的组合。

定义状态为当前数组的下标 i,状态之间的转移为对每个数进行选或不选操作,问题解的定义则是数组中数的和为 target。

代码如下:

def combination_sum(candidates, target):
    res = []
    path = []

    def backtrack(start, cur_sum):
        if cur_sum == target:
            res.append(path[:])
            return
        if cur_sum > target:
            return
        for i in range(start, len(candidates)):
            path.append(candidates[i])
            backtrack(i, cur_sum + candidates[i])
            path.pop()

    backtrack(0, 0)
    return res

以上是回溯算法的基本流程和应用实例,希望可以帮助理解回溯算法。