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[数据结构与算法]第19周 算法思想 搜索(BFS&DFS)

BFS

最短单词路径(输出所有路径)

把对节点的BFS转换为对路径的DFS,依然可以用层次遍历的思路解决,有两点需要注意

  • 从队列的pop出一个路径时需要把它的长度和最短路径长度做比较
  • 对visited节点的更新需要在整个层次遍历完之后进行
class Solution {
public:    
    vector<vector<string>> findLadders(string beginWord, string endWord, vector<string>& wordList) {
        queue<vector<string>> q;
        vector<vector<string>> ans;
        unordered_set<string> wordSet;
        unordered_set<string> visitedSet;
        
        for(string word: wordList)
            wordSet.insert(word);
        
        q.push({beginWord});
        
        int shortest  = 1005;
        
        while(!q.empty()){
            vector<string> visited;
            
            int size = q.size();
                        
            while(size--){
                vector<string> curr = q.front();
                q.pop();
            
                if(curr.back() == endWord){
                    if(curr.size() < shortest){  // 清除非最短路径
                        for(int i = 0;i < ans.size(); i++)
                            ans[i].clear();
                        ans.clear();                    
                        ans.push_back(curr);
                        shortest = curr.size();
                    }
                    else if(curr.size() == shortest){
                        ans.push_back(curr);
                    }
                }

                if(curr.size() > shortest)
                    continue;

                string last = curr.back();

                for(int i = 0;i < last.size(); i++){
                    string tmp = last;
                    for(char c: "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"){
                        tmp[i] = c;
                        if(c != last[i] && wordSet.find(tmp) != wordSet.end() && (visitedSet.find(tmp) == visitedSet.end() || tmp == endWord)){
                            vector<string> curr_tmp = curr;
                            curr_tmp.push_back(tmp);
                            q.push(curr_tmp);
                            visited.push_back(tmp);                            
                        }
                    }    
                }
            }
            
            for(auto s: visited)
               visitedSet.insert(s);
            
        }
        
        return ans;
        
        
    }
};

到离得最近的0的距离

typedef pair<int,int> P;
class Solution {
public:
    vector<vector<int>> updateMatrix(vector<vector<int>>& mat) {
        int n = mat.size();
        int m = mat[0].size();
        
        queue<P> q;
        
        vector<vector<int>> ans;
        for(int i = 0;i < n; i++){
            vector<int> tmp(m, 99999);
            ans.push_back(tmp);
        }
        
        for(int i = 0;i < n; i++){
            for(int j = 0;j < m; j++){
                if(mat[i][j] == 0){
                    ans[i][j] = 0;
                    q.push({i,j});
                }
            }
        }
        
        int dx[] = {0,0,1,-1};
        int dy[] = {1,-1,0,0};
        
        while(!q.empty()){
            P u = q.front();
            q.pop();
            
            int x = u.first, y = u.second;
            for(int i = 0;i < 4; i++){
                int nx = x + dx[i];
                int ny = y + dy[i];
                if(nx >= 0 && nx < n && ny >= 0 && ny < m && ans[nx][ny] > ans[x][y] + 1){
                    ans[nx][ny] = ans[x][y] + 1;
                    q.push({nx, ny});
                }
            }
        }
        return ans;     
    }
};

DFS

查找最大的连通面积

class Solution {
public:
    int m, n, curr;
    int dx[4] = {0,0,1,-1};
    int dy[4] = {1,-1,0,0};
    
    void dfs(vector<vector<int>>& grid, int x, int y){
        grid[x][y] = 0;
        curr += 1;
        for(int i = 0;i < 4; i++){
            int nx = x + dx[i];
            int ny = y + dy[i];
            if(nx >= 0 && nx < n && ny >= 0 && ny < m && grid[nx][ny] == 1){
                dfs(grid, nx, ny);
            }
        }
    }
    
    int maxAreaOfIsland(vector<vector<int>>& grid) {
        n = grid.size();
        m = grid[0].size();
        
        int ans = 0;
        
        for(int i = 0;i < n; i++){
            for(int j = 0;j < m; j++){
                if(grid[i][j] == 1){
                    curr = 0;
                    dfs(grid, i, j);
                    if(curr > ans)
                        ans = curr;
                }
            }
        }
        
        return ans;
        
    }
};

填充封闭区域

从边界上的“缺口”开始DFS,剩下没有遍历到的”缺口“就是被包围的。

class Solution {
public:
    int dx[4] = {0,0,1,-1};
    int dy[4] = {1,-1,0,0};
    int n, m;
    
    void dfs(vector<vector<char>>& board, int x, int y){
        board[x][y] = 'Z';
        for(int i = 0;i < 4; i++){
            int nx = x + dx[i];
            int ny = y + dy[i];
            if(nx >= 0 && nx < n && ny >= 0 && ny < m && board[nx][ny] == 'O')
                dfs(board, nx, ny);
        }
    }
    
    void solve(vector<vector<char>>& board) {
        n = board.size();
        m = board[0].size();
        
        for(int i = 0;i < n; i++){
            if(board[i][0] == 'O')
                dfs(board, i, 0);
            if(board[i][m-1] == 'O')
                dfs(board, i, m-1);
        }
        for(int i = 0;i < m; i++){
            if(board[0][i] == 'O')
                dfs(board, 0, i);
            if(board[n-1][i] == 'O')
                dfs(board, n-1, i);
        }
        
        for(int i = 0;i < n; i++){
            for(int j = 0;j < m; j++){
                if(board[i][j] == 'Z')
                    board[i][j] = 'O';
                else if(board[i][j] == 'O')
                    board[i][j] = 'X';
            }
        }
        
    }
};

括号生成

三种方法

  • 动态规划法:求解包含n对括号的字符串时,如果包好0到n-1对括号的解都知道,那就可以直接得到n对括号的解。设想n对括号的解集包括两部分,一部分是可以拆为两部分的,就是左边是完整的k对括号,右边是完整的n-k对括号,另一部分是不可以拆分的,也就是最外层有一对括号,括号里面是n-1对括号。为了避免生成过程中产生重复,所以用set记录生成的所有括号。
  • 暴力法:这道题一开始想到的就是动态规划法,后来才知道可以DFS,直接写DFS感觉优点理解不了,所以就实现了下暴力法方便自己理解。暴力法就是生成有左右括号组成的长度为2n的字符串,然后再挑选其中的合法字符串。合法的定义就是:(的数量要一直大于等于)的数量,并且遍历完成后左右括号的数量相等且都为n。
  • DFS:在搜索的过程中就判断是否合法,left,right变量记录已经用掉的左右括号数量,left==0 && right == 0表明用完了则curr就是答案,否则只有在left<=right的时候也就是用掉的左括号多于右括号的时候才继续后续的添加。
class Solution {
public:
    // 动态规划的思想,求解子问题的解,用子问题解决原问题
    vector<string> generateParenthesis_dp(int n) 
    {
        unordered_set<string> ans[n+1];
        for(int i = 1;i <= n; i++)
        {
            if(i == 1)
                ans[i].insert("()");
            else{
                for(auto it : ans[i-1])
                   ans[i].insert("("+it+")");
                
                for(int j = 1;j <= i-1; j++){
                    for(auto& it1 : ans[j]){
                        for(auto& it2 : ans[i-j])
                            ans[i].insert(it1+it2);
                    }
                }
            }
        }
        
        vector<string> ans_v;
        for(auto it : ans[n])
            ans_v.push_back(it);

        return ans_v;
    }
    
    // 暴力解法,生成所有字符串然后挑合法的
    vector<string> generateParenthesis_BruteForce(int n){
        vector<string> all, ans;
        dfs_BruteForce("", n * 2, all);
        cout << all.size() << endl;
        for(int i = 0;i < all.size(); i++){
            // cout << all[i] << endl;
            if(valid(all[i]))
                ans.push_back(all[i]);
        }
        return ans;
    }
    
    void dfs_BruteForce(string curr, int k, vector<string>& all){
        if(k == 1){
            all.push_back(curr+"(");
            all.push_back(curr+")");
        }
        else{
            dfs_BruteForce(curr+"(", k-1, all);
            dfs_BruteForce(curr+")", k-1, all);
        }
    }
    
    bool valid(string& s){
        int left = 0, right = 0;
        for(int i = 0;i < s.size(); i++){
            if(s[i] == '(')
                left += 1;
            else if(s[i] == ')')
                right += 1;
            if(left < right)
                return false;
        }
        return left == right && left == s.size() / 2;
    }
    
    // DFS,在暴力求解的基础上对搜索的目标进行剪枝
    vector<string> generateParenthesis(int n){
        vector<string> ans;
        
        dfs("", n, n, ans);
        
        return ans;
    }
    
    void dfs(string curr, int left, int right, vector<string>& ans){
        if(left == 0 && right == 0)
            ans.push_back(curr);
        
        if(left <= right && right > 0)
            dfs(curr + ")", left, right-1, ans);
        
        if(left <= right && left > 0)
            dfs(curr + "(", left-1, right, ans);
    }
    
};
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