数据结构与算法之深入解析“组合总和III”的求解思路与算法示例

Posted 2022-02-05 Serendipity·y

一、题目要求

• 找出所有相加之和为 n 的 k 个数的组合，组合中只允许含有 1 - 9 的正整数，并且每种组合中不存在重复的数字。
• 说明：
• • 所有数字都是正整数。
• • 解集不能包含重复的组合。
• 示例 1:

输入: k = 3, n = 7
输出: [[1,2,4]]

• 示例 2:

输入: k = 3, n = 9
输出: [[1,2,6], [1,3,5], [2,3,4]]

二、求解算法

① 回溯+剪枝

• 本题就是在 [1,2,3,4,5,6,7,8,9] 这个集合中找到和为 n 的 k 个数的组合，相对于 【数据结构与算法】之N个数中有K个数可能的组合算法 ，无非就是多了一个限制，要找到和为 n 的 k 个数的组合，而整个集合已经是固定 [1,…,9]，理解了N个数中有K个数可能的组合算法之后本题就比较简单了。
• k 相当于了树的深度，9（因为整个集合就是9个数）就是树的宽度。例如 k = 2，n = 4 的话，就是在集合[1,2,3,4,5,6,7,8,9] 中求 k（个数） = 2，n（和） = 4 的组合。
• 选取过程如下图所示，可以看出，只有最后取到集合（1，3）和为 4 符合条件：

• 回溯三部曲：
• • 确定递归函数参数：
• • • 和 【数据结构与算法】之N个数中有K个数可能的组合算法 一样，依然需要一维数组 path 来存放符合条件的结果，二维数组 result 来存放结果集，这里依然定义 path 和 result 为全局变量，至于为什么取名为 path？从上面树形结构中，可以看出，结果其实就是一条根节点到叶子节点的路径。

vector<vector<int>> result; // 存放结果集
vector<int> path; 			// 符合条件的结果

• • • 接下来还需要如下参数：
• • • • targetSum（int）目标和，也就是题目中的 n；
• • • • k（int）就是题目中要求 k 个数的集合；
• • • • sum（int）为已经收集的元素的总和，也就是 path 里元素的总和；
• • • • startIndex（int）为下一层 for 循环搜索的起始位置。
• • • 所以代码如下：

vector<vector<int>> result;
vector<int> path;
void backtracking(int targetSum, int k, int sum, int startIndex)

• • • 其实这里 sum 这个参数也可以省略，每次 targetSum 减去选取的元素数值，然后判断如果 targetSum 为 0，说明收集到符合条件的结果，这里为了直观便于理解，还是加一个 sum 参数。还要强调一下，回溯法中递归函数参数很难一次性确定下来，一般先写逻辑，需要啥参数，再填什么参数。
• • 确定终止条件：
• • • k 其实就已经限制树的深度，因为就取 k 个元素，树再往下深了没有意义，所以如果 path.size() 和 k 相等，就终止；
• • • 如果此时 path 里收集到的元素和（sum） 和 targetSum（就是题目描述的 n）相同，就用 result 收集当前的结果。
• • • 所以终止代码如下：

if (path.size() == k) 
    if (sum == targetSum) result.push_back(path);
    return; // 如果path.size() == k 但sum != targetSum 直接返回

• • 单层搜索过程：
• • • 和【数据结构与算法】之N个数中有K个数可能的组合算法 区别之一就是集合固定的就是 9 个数 [1,…,9]，所以 for 循环固定 i<=9：

• • • 处理过程就是 path 收集每次选取的元素，相当于树型结构里的边，sum 来统计 path 里元素的总和：

for (int i = startIndex; i <= 9; i++) 
    sum += i;
    path.push_back(i);
    backtracking(targetSum, k, sum, i + 1); // 注意i+1调整startIndex
    sum -= i; 		 // 回溯
    path.pop_back(); // 回溯

• • 别忘了处理过程和回溯过程是一一对应的，处理有加，回溯就要有减，因此 C++ 示例如下：

class Solution 
private:
    vector<vector<int>> result; // 存放结果集
    vector<int> path; // 符合条件的结果
    // targetSum：目标和，也就是题目中的n。
    // k：题目中要求k个数的集合。
    // sum：已经收集的元素的总和，也就是path里元素的总和。
    // startIndex：下一层for循环搜索的起始位置。
    void backtracking(int targetSum, int k, int sum, int startIndex) 
        if (path.size() == k) 
            if (sum == targetSum) result.push_back(path);
            return; // 如果path.size() == k 但sum != targetSum 直接返回
        
        for (int i = startIndex; i <= 9; i++) 
            sum += i; 		   // 处理
            path.push_back(i); // 处理
            backtracking(targetSum, k, sum, i + 1); // 注意i+1调整startIndex
            sum -= i; 		 // 回溯
            path.pop_back(); // 回溯
        
    

public:
    vector<vector<int>> combinationSum3(int k, int n) 
        result.clear(); // 可以不加
        path.clear();   // 可以不加
        backtracking(n, k, 0, 1);
        return result;
    
;

• C 示例：

int *path;
int pathTop;
int **result;
int resultTop;

void backTrack(int k,int n,int sum ,int startIndex)
    if(pathTop==k)
        if(n == sum)
            int *temp = malloc(sizeof(int)*k);
            for(int i =0;i<k;i++)
                temp[i] = path[i];
            
            result[resultTop++] = temp;
        
        return ;
    
    for(int j=startIndex;j<=9-(k-pathTop)+1;j++)
        sum = sum + j;
        path[pathTop++] = j;
        backTrack(k,n,sum,j+1);
        sum = sum -j;
        pathTop--;
    

int** combinationSum3(int k, int n, int* returnSize, int** returnColumnSizes)
    pathTop = resultTop = 0;
    path = malloc(sizeof(int) *k);
    result = malloc(sizeof(int*) *100);
    backTrack(k,n,0,1);
    *returnSize = resultTop;
    *returnColumnSizes = malloc(sizeof(int*) * resultTop);
    for(int i=0 ; i<resultTop ; i++)
        (*returnColumnSizes)[i] = k;
    
    return result;

• 然后剪枝操作其实是很容易想到，如下图所示：

• 已选元素总和如果已经大于n（图中数值为4）了，那么往后遍历就没有意义了，直接剪掉。那么剪枝的地方一定是在递归终止的地方剪，剪枝代码如下：

if (sum > targetSum)  // 剪枝操作
    return;

• 最后的 C++示例如下：

class Solution 
private:
    vector<vector<int>> result; // 存放结果集
    vector<int> path; // 符合条件的结果
    void backtracking(int targetSum, int k, int sum, int startIndex) 
        if (sum > targetSum)  // 剪枝操作
            return; // 如果path.size() == k 但sum != targetSum 直接返回
        
        if (path.size() == k) 
            if (sum == targetSum) result.push_back(path);
            return;
        
        for (int i = startIndex; i <= 9 - (k - path.size()) + 1; i++)  // 剪枝
            sum += i; // 处理
            path.push_back(i); // 处理
            backtracking(targetSum, k, sum, i + 1); // 注意i+1调整startIndex
            sum -= i; // 回溯
            path.pop_back(); // 回溯
        
    

public:
    vector<vector<int>> combinationSum3(int k, int n) 
        result.clear(); // 可以不加
        path.clear();   // 可以不加
        backtracking(n, k, 0, 1);
        return result;
    
;

• Java 示例：

class Solution 
	List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();
	LinkedList<Integer> path = new LinkedList<>();

	public List<List<Integer>> combinationSum3(int k, int n) 
		backTracking(n, k, 1, 0);
		return result;
	

	private void backTracking(int targetSum, int k, int startIndex, int sum) 
		// 减枝
		if (sum > targetSum) 
			return;
		

		if (path.size() == k) 
			if (sum == targetSum) result.add(new ArrayList<>(path));
			return;
		
		
		// 减枝 9 - (k - path.size()) + 1
		for (int i = startIndex; i <= 9 - (k - path.size()) + 1; i++) 
			path.add(i);
			sum += i;
			backTracking(targetSum, k, i + 1, sum);
			// 回溯
			path.removeLast();
			// 回溯
			sum -= i;
		
	

② 二进制（子集）枚举

• 组合中只允许含有 1−9 的正整数，并且每种组合中不存在重复的数字，意味着这个组合中最多包含
  9 个数字，我们可以把原问题转化成集合 S=1,2,3,4,5,6,7,8,9，要找出 S 的当中满足如下条件的子集：
• • 大小为 k；
• • 集合中元素的和为 n。
• 因此可以用子集枚举的方法来解决本题，即原序列中有 9 个数，每个数都有两种状态，「被选择到子集中」和「不被选择到子集中」，所以状态的总数为 2⁹。用一个 9 位二进制数 mask 来记录当前所有位置的状态，从第到高第 i 位为 0 表示 i 不被选择到子集中，为 1 表示 i 被选择到子集中。当按顺序枚举 [0, 2⁹−1] 中的所有整数的时候，就可以不重不漏地把每个状态枚举到，对于一个状态 mask，可以用位运算的方法得到对应的子集序列，然后再判断是否满足上面的两个条件，如果满足，就记录答案。
• 如何通过位运算来得到 mask 各个位置的信息？对于第 i 个位置，可以判断 (1 << i) & mask 是否为 0，如果不为 0 则说明 i 在子集当中。当然，这里要注意的是，一个 9 位二进制数 i 的范围是 [0,8]，而可选择的数字是 [1,9]，所以需要做一个映射，最简单的办法就是当我们知道 i 位置不为 0 的时候将 i+1 加入子集。
• 当然，子集枚举也可以用递归实现。
• C++ 示例：

class Solution 
public:
    vector<int> temp;
    vector<vector<int>> ans;

    bool check(int mask, int k, int n) 
        temp.clear();
        for (int i = 0; i < 9; ++i) 
            if ((1 << i) & mask) 
                temp.push_back(i + 1);
            
        
        return temp.size() == k && accumulate(temp.begin(), temp.end(), 0) == n; 
    

    vector<vector<int>> combinationSum3(int k, int n) 
        for (int mask = 0; mask < (1 << 9); ++mask) 
            if (check(mask, k, n)) 
                ans.emplace_back(temp);
            
        
        return ans;
    
;

• Java 示例：

class Solution 
    List<Integer> temp = new ArrayList<Integer>();
    List<List<Integer>> ans = new ArrayList<List<Integer>>();

    public List<List<Integer>> combinationSum3(int k, int n) 
        for (int mask = 0; mask < (1 << 9); ++mask) 
            if (check(mask, k, n)) 
                ans.add(new ArrayList<Integer>(temp));
            
        
        return ans;
    

    public boolean check(int mask, int k, int n) 
        temp.clear();
        for (int i = 0; i < 9; ++i) 
            if (((1 << i) & mask) != 0) 
                temp.add(i + 1);
            
        
        if (temp.size() != k) 
            return false;
        
        int sum = 0;
        for (int num : temp) 
            sum += num;
        
        return sum == n;
    

• 复杂度分析：
• • 时间复杂度：O(M×2^M)，其中 M 为集合的大小，本题中 M 固定为 9，一共有 2^M 个状态，每个状态需要 O(M+k)=O(M) 的判断 （k≤M），故时间复杂度为 O(M×2^M)；
• • 空间复杂度：O(M)，即 temp 的空间代价。