五大常用算法之回溯法详解及经典例题

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五大常用算法之回溯法详解及经典例题

2024-07-13 02:01| 来源: 网络整理| 查看: 265

一. 回溯法 – 深度优先搜素                       

 

1. 简单概述

 

       回溯法思路的简单描述是:把问题的解空间转化成了图或者树的结构表示,然后使用深度优先搜索策略进行遍历,遍历的过程中记录和寻找所有可行解或者最优解。

基本思想类同于:

 

图的深度优先搜索二叉树的后序遍历

 

      【

         分支限界法:广度优先搜索

         思想类同于:图的广度优先遍历

                                二叉树的层序遍历

      】

2. 详细描述

        详细的描述则为:

        回溯法按深度优先策略搜索问题的解空间树。首先从根节点出发搜索解空间树,当算法搜索至解空间树的某一节点时,先利用剪枝函数判断该节点是否可行(即能得到问题的解)。如果不可行,则跳过对该节点为根的子树的搜索,逐层向其祖先节点回溯;否则,进入该子树,继续按深度优先策略搜索。

        回溯法的基本行为是搜索,搜索过程使用剪枝函数来为了避免无效的搜索。剪枝函数包括两类:1. 使用约束函数,剪去不满足约束条件的路径;2.使用限界函数,剪去不能得到最优解的路径。

        问题的关键在于如何定义问题的解空间,转化成树(即解空间树)。解空间树分为两种:子集树和排列树。两种在算法结构和思路上大体相同。

3. 回溯法应用

       当问题是要求满足某种性质(约束条件)的所有解或最优解时,往往使用回溯法。

       它有“通用解题法”之美誉。

二. 回溯法实现 - 递归和递推(迭代)                               

        回溯法的实现方法有两种:递归和递推(也称迭代)。一般来说,一个问题两种方法都可以实现,只是在算法效率和设计复杂度上有区别。       【类比于图深度遍历的递归实现和非递归(递推)实现】

1. 递归

        思路简单,设计容易,但效率低,其设计范式如下:

 

[cpp] view plain copy

//针对N叉树的递归回溯方法  void backtrack (int t)  {      if (t>n) output(x); //叶子节点,输出结果,x是可行解      else         for i = 1 to k//当前节点的所有子节点          {              x[t]=value(i); //每个子节点的值赋值给x              //满足约束条件和限界条件            if (constraint(t)&&bound(t))                   backtrack(t+1);  //递归下一层          }  }  

 

2. 递推

      算法设计相对复杂,但效率高。

 

 

[cpp] view plain copy

//针对N叉树的迭代回溯方法  void iterativeBacktrack ()  {      int t=1;      while (t>0) {          if(ExistSubNode(t)) //当前节点的存在子节点          {              for i = 1 to k  //遍历当前节点的所有子节点              {                  x[t]=value(i);//每个子节点的值赋值给x                  if (constraint(t)&&bound(t))//满足约束条件和限界条件                   {                      //solution表示在节点t处得到了一个解                      if (solution(t)) output(x);//得到问题的一个可行解,输出                      else t++;//没有得到解,继续向下搜索                  }              }          }          else //不存在子节点,返回上一层          {              t--;          }      }  }  

 

三. 子集树和排列树                                                         1. 子集树

       所给的问题是从n个元素的集合S中找出满足某种性质的子集时,相应的解空间成为子集树。 如0-1背包问题,从所给重量、价值不同的物品中挑选几个物品放入背包,使得在满足背包不超重的情况下,背包内物品价值最大。它的解空间就是一个典型的子集树。

 

       回溯法搜索子集树的算法范式如下:

 

[cpp] view plain copy

void backtrack (int t)  {    if (t>n) output(x);      else        for (int i=0;in) output(x);      else        for (int i=t;iN-1)       {          //如果找到了一个更优的解          if(CurValue>BestValue)          {              //保存更优的值和解              BestValue = CurValue;              for(int i=0;i


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