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@ -2,7 +2,7 @@
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「回溯算法 Backtracking Algorithm」是一种通过穷举来解决问题的方法,它的核心思想是从一个初始状态出发,暴力搜索所有可能的解决方案,当遇到正确的解则将其记录,直到找到解或者尝试了所有可能的选择都无法找到解为止。
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「回溯算法 Backtracking Algorithm」是一种通过穷举来解决问题的方法,它的核心思想是从一个初始状态出发,暴力搜索所有可能的解决方案,当遇到正确的解则将其记录,直到找到解或者尝试了所有可能的选择都无法找到解为止。
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回溯算法通常采用「深度优先搜索」来遍历解空间。在二叉树章节中,我们提到前序、中序和后序遍历都属于深度优先搜索。下面,我们从二叉树的前序遍历入手,逐步了解回溯算法的工作原理。
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回溯算法通常采用「深度优先搜索」来遍历解空间。在二叉树章节中,我们提到前序、中序和后序遍历都属于深度优先搜索。下面,我们将从前序遍历入手,逐步了解回溯算法的工作原理。
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!!! question "例题一"
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!!! question "例题一"
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@ -277,14 +277,14 @@
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为了更清晰地分析算法问题,我们总结一下回溯算法中常用术语的含义,并对照例题三给出对应示例。
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为了更清晰地分析算法问题,我们总结一下回溯算法中常用术语的含义,并对照例题三给出对应示例。
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| 名词 | 定义 | 例题三 |
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| 名词 | 定义 | 例题三 |
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| 解 Solution | 解是满足问题特定条件的答案。回溯算法的目标是找到一个或多个满足条件的解 | 根节点到节点 $7$ 的所有路径,且路径中不包含值为 $3$ 的节点 |
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| 解 Solution | 解是满足问题特定条件的答案。回溯算法的目标是找到一个或多个满足条件的解 | 根节点到节点 $7$ 的所有路径,且路径中不包含值为 $3$ 的节点 |
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| 状态 State | 状态表示问题在某一时刻的情况,包括已经做出的选择 | 当前已访问的节点路径,即 `path` 节点列表 |
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| 状态 State | 状态表示问题在某一时刻的情况,包括已经做出的选择 | 当前已访问的节点路径,即 `path` 节点列表 |
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| 约束条件 Constraint | 约束条件是问题中限制解的可行性的条件,通常用于剪枝 | 要求路径中不能包含值为 $3$ 的节点 |
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| 约束条件 Constraint | 约束条件是问题中限制解的可行性的条件,通常用于剪枝 | 要求路径中不能包含值为 $3$ 的节点 |
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| 尝试 Attempt | 尝试是在搜索过程中,根据当前状态和可用选择来探索解空间的过程。尝试包括做出选择,更新状态,检查是否为解 | 递归访问左(右)子节点,将节点添加进 `path` ,判断节点的值是否为 $7$ |
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| 尝试 Attempt | 尝试是在搜索过程中,根据当前状态和可用选择来探索解空间的过程。尝试包括做出选择,更新状态,检查是否为解 | 递归访问左(右)子节点,将节点添加进 `path` ,判断节点的值是否为 $7$ |
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| 回退 Backtracking | 回退指在搜索中遇到到不满足约束条件或无法继续搜索的状态时,撤销前面做出的选择,回到上一个状态 | 当越过叶结点、结束结点访问、遇到值为 $3$ 的节点时终止搜索,函数返回 |
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| 回退 Backtracking | 回退指在搜索中遇到到不满足约束条件或无法继续搜索的状态时,撤销前面做出的选择,回到上一个状态 | 当越过叶结点、结束结点访问、遇到值为 $3$ 的节点时终止搜索,函数返回 |
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| 剪枝 Pruning | 剪枝是根据问题特性和约束条件避免无意义的搜索路径的方法,可提高搜索效率 | 当遇到值为 $3$ 的节点时,则终止继续搜索 |
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| 剪枝 Pruning | 剪枝是根据问题特性和约束条件避免无意义的搜索路径的方法,可提高搜索效率 | 当遇到值为 $3$ 的节点时,则终止继续搜索 |
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!!! tip
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@ -748,4 +748,15 @@
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- 旅行商问题:在一个图中,从一个点出发,访问所有其他点恰好一次后返回起点,求最短路径。
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- 旅行商问题:在一个图中,从一个点出发,访问所有其他点恰好一次后返回起点,求最短路径。
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- 最大团问题:给定一个无向图,找到最大的完全子图,即子图中的任意两个顶点之间都有边相连。
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- 最大团问题:给定一个无向图,找到最大的完全子图,即子图中的任意两个顶点之间都有边相连。
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在接下来的章节中,我们将一起攻克几个经典的回溯算法问题。
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请注意,回溯算法通常不是解决组合优化问题的最优方法。0-1 背包问题通常使用动态规划解决;旅行商是一个 NP-Hard 问题,常用解决方法有遗传算法和蚁群算法等;最大团问题是图轮中的一个经典 NP-Hard 问题,通常用贪心算法等启发式算法来解决。
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## 优势与局限性
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回溯算法本质上是一种深度优先搜索算法,它尝试所有可能的解决方案直到找到满足条件的解。这种方法的优势在于它能够找到所有可能的解决方案,而且在合理的剪枝操作下,具有很高的效率。
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然而,在处理大规模或者复杂问题时,**回溯算法的运行效率可能难以接受**。这是因为在最坏的情况下,回溯算法需要遍历解空间的所有可能解。例如,求解 $n$ 皇后问题的时间复杂度可以达到 $O(n!)$ 。回溯算法的空间复杂度也可能较高。因为在每一次递归调用时,都需要保存当前的状态(例如选择路径、用于剪枝的辅助变量等),对于深度很大的递归,空间需求可能会变得非常大。
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即便如此,**回溯算法仍然是某些搜索问题和约束满足问题的最佳解决方案**。对于这些问题,由于我们无法预测哪些选择可生成有效的解,因此我们必须对所有可能的选择进行遍历。在这种情况下,**关键是如何进行效率优化**:
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- 上文介绍过的剪枝是一种常用的优化方法。它可以避免搜索那些肯定不会产生有效解的路径,从而节省时间和空间。
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- 另一个常用的优化方法是加入「启发式搜索 Heuristic Search」策略,它在搜索过程中引入一些策略或者估计值,从而优先搜索最有可能产生有效解的路径。
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