如何使用全排列、組合、子集

本篇內(nèi)容介紹了“如何使用全排列、組合、子集”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

求全排列？

全排列即：n個(gè)元素取n個(gè)元素(所有元素)的所有排列組合情況。

求組合？

組合即：n個(gè)元素取m個(gè)元素的所有組合情況(非排列)。

求子集？

子集即：n個(gè)元素的所有子集(所有可能的組合情況)。

總的來說全排列數(shù)值個(gè)數(shù)是所有元素，不同的是排列順序；而組合是選取固定個(gè)數(shù)的組合情況(不看排列)；子集是對(duì)組合拓展，所有可能的組合情況(同不考慮排列)。

當(dāng)然，這三種問題，有相似之處又略有所不同，我們接觸到的全排列可能更多，所以你可以把組合和子集問題認(rèn)為是全排列的拓展變形。且問題可能會(huì)遇到待處理字符是否有重復(fù)的情況。采取不同的策略去去重也是相當(dāng)關(guān)鍵和重要的！在各個(gè)問題的具體求解上方法可能不少，在全排列上最流行的就是鄰里互換法和回溯法，而其他的組合和子集問題是經(jīng)典回溯問題。而本篇最重要和基礎(chǔ)的就是要掌握這兩種方法實(shí)現(xiàn)的無重復(fù)全排列，其他的都是基于這個(gè)進(jìn)行變換和拓展。

全排列問題

全排列，元素總數(shù)為最大，不同是排列的順序。

無重復(fù)序列的全排列

這個(gè)問題剛好在力扣46題是原題的，大家學(xué)完可以去a試試。

問題描述：

給定一個(gè) 沒有重復(fù) 數(shù)字的序列，返回其所有可能的全排列。

示例：

輸入: [1,2,3]
輸出:
[
  [1,2,3],
  [1,3,2],
  [2,1,3],
  [2,3,1],
  [3,1,2],
  [3,2,1]
]

回溯法實(shí)現(xiàn)無重復(fù)全排列

回溯算法用來解決搜索問題，而全排列剛好也是一種搜索問題，先回顧一下什么是回溯算法：

回溯算法實(shí)際上一個(gè)類似枚舉的搜索嘗試過程，主要是在搜索嘗試過程中尋找問題的解，當(dāng)發(fā)現(xiàn)已不滿足求解條件時(shí)，就“回溯”返回，嘗試別的路徑.

而全排列剛好可以使用試探的方法去枚舉所有中可能性。一個(gè)長度為n的序列或者集合。它的所有排列組合的可能性共有n！種。具體的試探策略如下：

1. 從待選集合中選取第一個(gè)元素(共有n種情況)，并標(biāo)記該元素已經(jīng)被使用不能再使用。

2. 在步驟1的基礎(chǔ)上進(jìn)行遞歸到下一層，從剩余n-1個(gè)元素中按照1的方法找到一個(gè)元素并標(biāo)記，繼續(xù)向下遞歸。

3. 當(dāng)所有元素被標(biāo)記后，順序收集被標(biāo)記的元素存儲(chǔ)到結(jié)果中，當(dāng)前層遞歸結(jié)束，回到上一層(同時(shí)將當(dāng)前層標(biāo)記的元素清除標(biāo)記)。這樣一直執(zhí)行到最后。

回溯的流程如果從偽代碼流程大致為這樣：

遞歸函數(shù)：
  如果集合所有元素被標(biāo)記：
      將臨時(shí)儲(chǔ)存添加到結(jié)果集中
  否則：
      從集合中未標(biāo)記的元素中選取一個(gè)存儲(chǔ)到臨時(shí)集合中
      標(biāo)記該元素被使用
      下一層遞歸函數(shù)
      (這層遞歸結(jié)束)標(biāo)記該元素未被使用

如果用序列 1 2 3 4來表示這么回溯的一個(gè)過程，可以用這張圖來顯示：

用代碼來實(shí)現(xiàn)思路也是比較多的，需要一個(gè)List去存儲(chǔ)臨時(shí)結(jié)果是很有必要的，但是對(duì)于原集合我們標(biāo)記也有兩種處理思路，第一種是使用List存儲(chǔ)集合，使用過就移除然后遞歸下一層，遞歸完畢后再添加到原來位置。另一種思路就是使用固定數(shù)組存儲(chǔ)，使用過對(duì)應(yīng)位置使用一個(gè)boolean數(shù)組對(duì)應(yīng)位置標(biāo)記一下，遞歸結(jié)束后再還原。因?yàn)長ist頻繁查找插入刪除效率一般比較低，所以我們一般使用一個(gè)boolean數(shù)組去標(biāo)記該位置元素是否被使用。

具體實(shí)現(xiàn)的代碼為：

List<List<Integer>> list;public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
   
   
   list=new ArrayList<List<Integer>>();//最終的結(jié)果List<Integer> team=new ArrayList<Integer>();//回溯過程收集元素boolean jud[]=new boolean[nums.length];//用來標(biāo)記dfs(jud, nums, team, 0);return list;}private  void dfs(boolean[] jud, int[] nums, List<Integer> team, int index) {
   
   
   int len = nums.length;if (index == len)// 停止{
   
   
   list.add(new ArrayList<Integer>(team));} elsefor (int i = 0; i < len; i++) {
   
   
   if (jud[i]) //當(dāng)前數(shù)字被用過 當(dāng)前即不可用continue;team.add(nums[i]);jud[i]=true;//標(biāo)記該元素被使用dfs(jud, nums, team, index + 1);jud[i] = false;// 還原team.remove(index);//將結(jié)果移除臨時(shí)集合}}

修改一下輸出的結(jié)果和上面思維導(dǎo)圖也是一致的：

鄰里互換法實(shí)現(xiàn)無重復(fù)全排列

回溯的測(cè)試是試探性填充，是對(duì)每個(gè)位置進(jìn)行單獨(dú)考慮賦值。而鄰里互換的方法雖然是也是遞歸實(shí)現(xiàn)的，但是他是一種基于交換的策略和思路。而理解起來也是非常簡(jiǎn)單，鄰里互換的思路是從左向右進(jìn)行考慮。

因?yàn)樾蛄惺菦]有重復(fù)的，我們開始將數(shù)組分成兩個(gè)部分：暫時(shí)確定部分和未確定部分。開始的時(shí)候均是未確定部分，我們需要妥善處理的就是未確定部分。在未確定部分的序列中，我們需要讓后面未確定的每一位都有機(jī)會(huì)處在未確定的首位，所以未確定部分的第一個(gè)元素就要和每一個(gè)依次進(jìn)行交換(包括自己)，交換完成之后再向下進(jìn)行遞歸求解其他的可能性，求解完畢之后要交換回來(還原)再和后面的進(jìn)行交換。這樣當(dāng)遞歸進(jìn)行到最后一層的時(shí)候就將數(shù)組的值添加到結(jié)果集中。如果不理解可以參考下圖進(jìn)行理解：

實(shí)現(xiàn)代碼為：

class Solution {
   
   
    public List<List<Integer>> permute(int[] nums) {
   
   
   
		List<List<Integer>>list=new ArrayList<List<Integer>>();arrange(nums,0,nums.length-1,list);return list;
	 }private void arrange(int[] nums, int start, int end, List<List<Integer>> list) {
   
   
   
		  if(start==end)//到最后一個(gè) 添加到結(jié)果中
		  {
   
   
   
			  List<Integer>list2=new ArrayList<Integer>();
			  for(int a:nums)
			  {
   
   
   
				  list2.add(a);
			  }
			  list.add(list2);
		  }
		  for(int i=start;i<=end;i++)//未確定部分開始交換
		  {
   
   
   
			  swap(nums,i,start);
			  arrange(nums, start+1, end, list);
			  swap(nums, i, start);//還原
		  }}private void swap(int[] nums, int i, int j) {
   
   
   int team=nums[i];
		nums[i]=nums[j];
		nums[j]=team;}}

那么鄰里互換和回溯求解的全排列有什么區(qū)別呢?首先回溯法求得的全排列如果這個(gè)序列有序得到的結(jié)果是字典序的，因?yàn)槠洳呗允翘畛?，先小后大有序，而鄰里互換沒有這個(gè)特征。其次鄰里互換在這種情況下的效率要高于回溯算法的，雖然量級(jí)差不多但是回溯算法需要維護(hù)一個(gè)集合頻繁增刪等占用一定的資源。

有重復(fù)序列的全排列

有重復(fù)對(duì)應(yīng)的是力扣第47題 ，題目描述為：

給定一個(gè)可包含重復(fù)數(shù)字的序列 nums ，按任意順序 返回所有不重復(fù)的全排列。

示例 1：

輸入：nums = [1,1,2]
輸出：
[[1,1,2],
 [1,2,1],
 [2,1,1]]

示例 2：

輸入：nums = [1,2,3]
輸出：[[1,2,3],[1,3,2],[2,1,3],[2,3,1],[3,1,2],[3,2,1]]

提示：

1 <= nums.length <= 8
-10 <= nums[i] <= 10

這個(gè)和上面不重復(fù)的全排列略有不同，這個(gè)輸入數(shù)組中可能包含重復(fù)的序列，我們?cè)趺礃硬扇『线m的策略去重復(fù)才是至關(guān)重要的。我們同樣針對(duì)回溯和鄰里互換兩種方法進(jìn)行分析。

回溯剪枝法
因?yàn)榛厮萃暾谋戎苯舆f歸慢，所以剛開始并沒有考慮使用回溯算法，但是這里用回溯剪枝相比遞歸鄰里互換方法更好一些，對(duì)于不使用哈希去重的方法，首先進(jìn)行排序預(yù)處理是沒有懸念的，而回溯法去重的關(guān)鍵就是避免相同的數(shù)字因?yàn)橄鄬?duì)次序問題造成重復(fù)，所以在這里相同數(shù)字在使用上相對(duì)位置必須不變，而具體剪枝條的規(guī)則如下：

• 先對(duì)序列進(jìn)行排序

• 試探性將數(shù)據(jù)放到當(dāng)前位置

• 如果當(dāng)前位置數(shù)字已經(jīng)被使用，那么不可使用

• 如果當(dāng)前數(shù)字和前一個(gè)相等但是前一個(gè)沒有被使用，那么當(dāng)前不能使用，需要使用前一個(gè)數(shù)字。

思路很簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來也很簡(jiǎn)單：

List<List<Integer>> list;public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
   
   
   
	list=new ArrayList<List<Integer>>();
	List<Integer> team=new ArrayList<Integer>();boolean jud[]=new boolean[nums.length];
	Arrays.sort(nums);dfs(jud, nums, team, 0);return list;}private  void dfs(boolean[] jud, int[] nums, List<Integer> team, int index) {
   
   
   // TODO Auto-generated method stubint len = nums.length;if (index == len)// 停止{
   
   
   
		list.add(new ArrayList<Integer>(team));} elsefor (int i = 0; i < len; i++) {
   
   
   if (jud[i]||(i>0&&nums[i]==nums[i-1]&&!jud[i-1])) //當(dāng)前數(shù)字被用過 或者前一個(gè)相等的還沒用，當(dāng)前即不可用continue;
			  team.add(nums[i]);
			  jud[i]=true;
			  dfs(jud, nums, team, index + 1);jud[i] = false;// 還原team.remove(index);}}

鄰里互換法

我們?cè)趫?zhí)行遞歸全排列的時(shí)候，主要考的是要把重復(fù)的情況搞下去，鄰里互換又要怎么去重呢？

使用HashSet這種方式這里就不討論啦，我們?cè)谶M(jìn)行交換swap的時(shí)候從前往后，前面的確定之后就不會(huì)在動(dòng)，所以我們要慎重考慮和誰交換。比如1 1 2 3第一個(gè)數(shù)有三種情況而不是四種情況(兩個(gè)1 1 2 3為一個(gè)結(jié)果)：

1 1 2 3 // 0 0位置交換
2 1 1 3 // 0 2位置交換
3 1 2 1 // 0 3位置交換

另外比如3 1 1序列,3和自己交換，和后面兩個(gè)1只能和其中一個(gè)進(jìn)行交換，我們這里可以約定和第一個(gè)出現(xiàn)的進(jìn)行交換，我們看一個(gè)圖解部分過程：

所以，當(dāng)我們從一個(gè)index開始的時(shí)候要記住以下的規(guī)則：同一個(gè)數(shù)只交換一次(包括值等于自己的數(shù))。在判斷后面值是否出現(xiàn)的時(shí)候，你可以遍歷，也可以使用hashSet().當(dāng)然這種方法的痛點(diǎn)就是判斷后面出現(xiàn)的數(shù)字效率較低。所以在可能重復(fù)的情況這種方法效率一般般。

具體實(shí)現(xiàn)的代碼為：

public List<List<Integer>> permuteUnique(int[] nums) {
   
   
   
		 List<List<Integer>> list=new ArrayList<List<Integer>>();
		 arrange(nums, 0, nums.length-1, list);
		 return list;
	 }private void arrange(int[] nums, int start, int end, List<List<Integer>> list) {
   
   
   
	  if(start==end)
	  {
   
   
   
		  List<Integer>list2=new ArrayList<Integer>();
		  for(int a:nums)
		  {
   
   
   
			  list2.add(a);
		  }
		  list.add(list2);
	  }
	  Set<Integer>set=new HashSet<Integer>();	  
	  for(int i=start;i<=end;i++)
	  {
   
   
   
		  if(set.contains(nums[i]))
			  continue; set.add(nums[i]);			 
		  swap(nums,i,start);
		  arrange(nums, start+1, end, list);
		  swap(nums, i, start);
	  }}private void swap(int[] nums, int i, int j) {
   
   
   int team=nums[i];
	nums[i]=nums[j];
	nums[j]=team;}

組合問題

組合問題可以認(rèn)為是全排列的變種，問題描述（力扣77題）:

給定兩個(gè)整數(shù) n 和 k，返回 1 … n 中所有可能的 k 個(gè)數(shù)的組合。

示例:

輸入: n = 4, k = 2
輸出:
[
  [2,4],
  [3,4],
  [2,3],
  [1,2],
  [1,3],
  [1,4],
]

分析：

這個(gè)問題經(jīng)典回溯問題。組合需要記住只看元素而不看元素的順序，比如a b和b a是同一個(gè)組合。要避免這樣的重復(fù)是核心，而避免這樣的重復(fù)，需要借助一個(gè)int類型保存當(dāng)前選擇元素的位置，下次只能遍歷選取下標(biāo)位置后面的數(shù)字，而k個(gè)數(shù)，可以通過一個(gè)數(shù)字類型來記錄回溯到當(dāng)前層處理數(shù)字的個(gè)數(shù)來控制。

具體實(shí)現(xiàn)也很容易，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)數(shù)組儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)數(shù)字，用boolean數(shù)組判斷對(duì)應(yīng)位置數(shù)字是否使用，這里就不用List存儲(chǔ)數(shù)字了，最后通過判斷boolean數(shù)組將數(shù)值添加到結(jié)果中也是可行的。實(shí)現(xiàn)代碼為：

class Solution {
   
   
    
	public List<List<Integer>> combine(int n, int k) {
   
   
   
		List<List<Integer>> valueList=new ArrayList<List<Integer>>();//結(jié)果int num[]=new int[n];//數(shù)組存儲(chǔ)1-nboolean jud[]=new boolean[n];//用于判斷是否使用for(int i=0;i<n;i++){
   
   
   
			num[i]=i+1;}
	
		List<Integer>team=new ArrayList<Integer>();dfs(num,-1,k,valueList,jud,n);return valueList;}private void dfs(int[] num,int index, int count,List<List<Integer>> valueList,boolean jud[],int n) {
   
   
   if(count==0)//k個(gè)元素滿{
   
   
   
			List<Integer>list=new ArrayList<Integer>();for(int i=0;i<n;i++){
   
   
   if (jud[i]) {
   
   
   
					list.add(i+1);}}
			valueList.add(list);}else {
   
   
   for(int i=index+1;i<n;i++)//只能在index后遍歷 回溯向下{
   
   
   
				jud[i]=true;dfs(num, i, count-1, valueList,jud,n);
				jud[i]=false;//還原}}}}

子集

子集問題和組合有些相似。這里講解數(shù)組中無重復(fù)和有重復(fù)的兩種情況。

無重復(fù)數(shù)組子集

問題描述(力扣78題)：

給你一個(gè)整數(shù)數(shù)組 nums ，數(shù)組中的元素 互不相同 。返回該數(shù)組所有可能的子集（冪集）。

解集 不能 包含重復(fù)的子集。你可以按 任意順序 返回解集。

示例 1：

輸入：nums = [1,2,3]
輸出：[[],[1],[2],[1,2],[3],[1,3],[2,3],[1,2,3]]

示例 2：

輸入：nums = [0]
輸出：[[],[0]]

提示：

1 <= nums.length <= 10
-10 <= nums[i] <= 10
nums 中的所有元素 互不相同

子集和上面的組合有些相似，當(dāng)然我們不需要判斷有多少個(gè)，只需要按照組合回溯的策略遞歸進(jìn)行到最后，每進(jìn)行的一次遞歸函數(shù)都是一種情況都要加入到結(jié)果中(因?yàn)椴扇〉牟呗圆粫?huì)有重復(fù)的情況)。

實(shí)現(xiàn)的代碼為：

class Solution {
   
   
   
   public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {
   
   
   
		List<List<Integer>> valueList=new ArrayList<List<Integer>>();boolean jud[]=new boolean[nums.length];
		List<Integer>team=new ArrayList<Integer>();dfs(nums,-1,valueList,jud);return valueList;}private void dfs(int[] num,int index,List<List<Integer>> valueList,boolean jud[]) {
   
   
   {
   
   
   //每進(jìn)行遞歸函數(shù)都要加入到結(jié)果中
			List<Integer>list=new ArrayList<Integer>();for(int i=0;i<num.length;i++){
   
   
   if (jud[i]) {
   
   
   
					list.add(num[i]);}}
			valueList.add(list);}{
   
   
   for(int i=index+1;i<num.length;i++){
   
   
   
				jud[i]=true;dfs(num, i, valueList,jud);
				jud[i]=false;}}}}

有重復(fù)數(shù)組子集

題目描述(力扣90題)：

給定一個(gè)可能包含重復(fù)元素的整數(shù)數(shù)組 nums，返回該數(shù)組所有可能的子集（冪集）。

說明：解集不能包含重復(fù)的子集。

示例:

輸入: [1,2,2]
輸出:
[
  [2],
  [1],
  [1,2,2],
  [2,2],
  [1,2],
  []
]

和上面無重復(fù)數(shù)組求子集不同的是這里面可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的元素。我們需要在結(jié)果中過濾掉重復(fù)的元素。

首先，子集問題無疑是使用回溯法求得結(jié)果，首先分析如果序列沒有重復(fù)的情況，我們會(huì)借助一個(gè)boolean[]數(shù)組標(biāo)記使用過的元素和index表示當(dāng)前的下標(biāo)，在進(jìn)行回溯的時(shí)候我們只向后進(jìn)行遞歸并且將枚舉到的那個(gè)元素boolean[index]置為true(回來的時(shí)候復(fù)原)。每次遞歸收集boolean[]數(shù)組中true的元素為其中一個(gè)子集。

而有重復(fù)元素的處理上，和前面全排列的處理很相似，首先進(jìn)行排序，然后在進(jìn)行遞歸處理的時(shí)候遇到相同元素只允許從第一位連續(xù)使用而不允許跳著使用，所以在遞歸向下時(shí)候需要判斷是否滿足條件(第一個(gè)元素或和前一個(gè)不同或和前一個(gè)同且前一個(gè)已使用)，具體可以參考這張圖：

實(shí)現(xiàn)代碼為：

class Solution {
   
   
   
  public List<List<Integer>> subsetsWithDup(int[] nums) {
   
   
   Arrays.sort(nums);boolean jud[]=new boolean[nums.length];List<List<Integer>> valueList=new ArrayList<List<Integer>>();dfs(nums,-1,valueList,jud);return valueList;
  }private void dfs(int[] nums, int index, List<List<Integer>> valueList, boolean[] jud)   {
   
   
   // TODO Auto-generated method stub
		List<Integer>list=new ArrayList<Integer>();for(int i=0;i<nums.length;i++){
   
   
   if (jud[i]) {
   
   
   
			   list.add(nums[i]);}}
		valueList.add(list);for(int i=index+1;i<nums.length;i++){
   
   
   //第一個(gè)元素 或 當(dāng)前元素不和前面相同  或者相同且前面被使用了可以繼續(xù)進(jìn)行if((i==0)||(nums[i]!=nums[i-1])||(i>0&&jud[i-1]&&nums[i]==nums[i-1])){
   
   
   
				jud[i]=true;dfs(nums, i, valueList,jud);
				jud[i]=false;}}}}

“如何使用全排列、組合、子集”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！