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DAY 19
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狗是人類的好夥伴,阿狗(Algorithm)也是工程師的好夥伴系列 第 19

Day19. 樹結構的基礎回朔算法(Backtracking)

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樹的結構差不多告一個段落,再來就資料結構的順序上,會進入圖的單元,也就是樹結構的進階。
圖的結構裡有兩種主要遍歷模式,分別是深度優先搜尋(DFS)和廣度優先搜尋(BFS),在樹的這幾篇裡面,其實我們已經用樹的概念帶過了簡單版的遍歷模式。
DFS 相關的是前中後序,BFS 相關的是層級遍歷。

在進入圖之前,想針對 DFS 再多講一個概念:回朔算法。
回朔算法指的是題目給予結構,我們須選用結構中的幾個節點並回傳選擇的項目,讓回傳的項目符合題目要求。
樹結構也會有這種題目,以二元樹為例,每一次往子節點的分歧,都是一種選擇,這邊要選擇左子樹、還是右子樹,還是在這邊終止。
回朔算法的題目大多會用遞迴處理,如我們練習前中後序遍歷一樣,先決定終止條件、對單一節點的處理,差異在往左右選擇時多了採用選擇的概念,還有視題目會有撤銷選擇的概念。

今天讓我們用這篇來看一下回朔的題目,以及他的結構跟之前的前中後序相似之處。

Path Sum

給定一棵樹和一個目標數,要求我們判斷有沒有任一條從根節點到葉節點,節點總和正好為目標數,有則回傳是,沒有回傳否。
寫成遞迴,函式的定義會是給根節點,給目標值,找有沒有從這個點到葉正好等於目標值的可能,有則回傳是。
可以想見,每當我們走到某個節點,表示我們採計了那個節點、選擇走了這個節點,也就是目標值可以被扣去該節點的值,然後再繼續往下走,問題就可以被簡化成重複步驟,減那個節點、如果減完正好等於零,節點本身也是葉節點,則題目要求的組合存在。
只要左右子樹發展下去,有任一合法組合存在,則回傳是(題目只問有沒有存在)。
照這樣的概念,我們的遞迴寫出來會是像這樣:

public class Solution {
    public bool HasPathSum(TreeNode root, int targetSum) {
        if(root == null){
            return false;
        }   
        if(root.val == targetSum && root.left == null && root.right == null){
            return true;
        }        
        return HasPathSum(root.left, targetSum - root.val) || HasPathSum(root.right, targetSum - root.val);
    }
}

這題是比較簡單的回朔,甚至還沒帶到回朔的概念,只帶到了選擇、累進的看法。
累進的對象就是路徑加總,只是我們用目標扣去當前節點這個行為作為選擇,剛好傳值的時候,不會影響其他呼叫,所以不用做撤銷(把節點值加回去),讓這題變的比較單純。
下題讓我們看看類似的題目,就會帶到回朔中的撤銷怎麼加到題目裡。

Path Sum II

給定一個二元樹的根節點,以及一個目標值,回傳所有從根節點到葉子節點,節點值加總等於目標值的組合。

「所有組合」與「從根到葉子」就讓我們知道我們必須來遍歷整棵樹才能得到答案,我們可以先決定怎麼遍歷。
以這題而言,前中後序的遍歷方式其實都可以。
終止條件是當碰到的點為空,則結束處理。
我們新定義一個遍歷樹的函式,除了傳入樹結構、目標樹以外,還要多傳入一個已做選擇(list)。
每當我們遍歷到一個不為空的節點,把該節點的值加入已做選擇列表中,表示現在這個路徑裡是有這個點的。
回退的時候,把最後一個加入選擇列表的點移除,表示我們往後走了一步。
這些是大概邏輯,如果看懂了,可以嘗試寫寫看;不太清楚的話,我們先看程式碼怎麼處理。

public class Solution {
    public List<IList<int>> Result;
    public IList<IList<int>> PathSum(TreeNode root, int targetSum) {
        Result = new List<IList<int>>();
        Traverse(root, targetSum, new List<int>());
        return Result;
    }

    public void Traverse(TreeNode root, int sum, List<int> list){
        if(root == null){
            return;
        }
        list.Add(root.val);
        if(root.val == sum && root.left == null && root.right == null){
            Result.Add(new List<int>(list));
            list.RemoveAt(list.Count - 1);
            return;
        }
        Traverse(root.left, sum - root.val, list);
        Traverse(root.right, sum - root.val, list);
        list.RemoveAt(list.Count - 1);
        return;
    }
}

這題我的寫法是用前序遍歷,相較本來的前序遍歷,多的就是這個選擇列表,跟撤銷選擇。
最後把完成的選擇加入的時候,要注意語言類型,關於傳參考跟傳值,避免傳入參考,結果該參考在後續被修改。
像我這邊 C# 用 new List<int>(list) 來用 list 重新複製一個值一樣但斷開參考連結,避免後續我修改 list 的時候存在 Result 裡的元素也被修改。

這樣做選擇->確認選擇結果->符合條件加入解答->撤銷選擇的流程,我們會在回朔算法相關的題目中一再看到。
這兩個練習範例是回朔中最基本的概念且跟樹結構相關,更複雜一點的回朔,讓我們在進入圖的資料結構後再拉一篇來討論。


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