DFS算法-求集合的所有子集
1. 题目来源
牛客网，集合的所有子集(一)
https://www.nowcoder.com/practice/c333d551eb6243e0b4d92e37a06fbfc9
2. 普通方法
1. 思路
数学上排列组合中的组合，从N个元素的集合中拿出M(0≤ M ≤ N)个元素的可能数，标记为
。M从0开始遍历到N，就是所求的所有子集合。这里要结果不是数，而且取的元素集合。
这里具体在做的就是用遍历索引的方式取出想要的集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取0个数，那么所有可能就是{}。1个集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取1个数，那么所有可能就是{{1}, {2}, {3}, {4}, {5}}。5个集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取2个数，那么所有可能就是{{1, 2}, {1, 3}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 3}, {2, 4}, {2, 5}, {3, 4}, {3, 5}, {4, 5}}。10个集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取3个数，那么所有可能就是{{1, 2, 3}, {1, 2, 4}, {1, 2, 5}, {1, 3, 4}, {1, 3, 5}, {1, 4, 5}, {2, 3, 4}, {2, 3, 5}, {2, 4, 5}, {3, 4, 5}}。10个集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取4个数，那么所有可能就是{{1, 2, 3, 4}, {1, 2, 3, 5}, {1, 2, 4, 5}, {1, 3, 4, 5}, {2, 3, 4, 5}}。5个集合
- 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取5个数，那么所有可能就是{{1, 2, 3, 4, 5}}。1个集合
2. 代码
import java.util.ArrayList;
/**
* @className SolutionTest
* @description
* @author liwei
* @date 2022/9/8 15:29
* @version V1.0
**/
public class SolutionTest {
public static void main(String[] args) {
int[] ints = {5, 4, 3, 2, 1};
System.out.println(subsets(ints));
}
public static ArrayList<ArrayList<Integer>> subsets(int[] ints) {
// 插入排序，升序排列
for (int i = 0, length = ints.length; i < length - 1; i++) {
int tmpValue = ints[i];
int tmpIndex = i;
for (int j = i + 1; j < ints.length; j++) {
if (tmpValue > ints[j]) {
tmpValue = ints[j];
tmpIndex = j;
}
}
if (i != tmpIndex) {
ints[tmpIndex] = ints[i];
ints[i] = tmpValue;
}
}
ArrayList<ArrayList<Integer>> lists = new ArrayList<>();
// 循环，需要从数组中取i个数，然后取出i个数的所有可能。
// 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取1个数，那么所有可能就是{{1}, {2}, {3}, {4}, {5}}
// 比如数组为{1, 2, 3, 4, 5}，要取2个数，那么所有可能就是{{1, 2}, {1, 3}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 3}, {2, 4}, {2, 5}, {3, 4}, {3, 5}, {4, 5}}
for (int number = 0; number <= ints.length; number++) {
lists.addAll(subsets(ints, number));
}
return lists;
}
/**
* 取多少个元素的子集集合
*
* @param ints
* 数组
* @param number
* 要取的元素个数
* @return java.util.ArrayList<java.util.ArrayList < java.lang.Integer>>
* @author liwei
* @date 2022/8/10 20:22
*/
public static ArrayList<ArrayList<Integer>> subsets(int[] ints, int number) {
ArrayList<ArrayList<Integer>> lists = new ArrayList<>();
// 特殊处理，如果需要的个数为0，那么直接添加一个空集合，然后返回
if (number <= 0) {
lists.add(new ArrayList<>());
return lists;
}
int length = ints.length;
// 特殊处理，如果需要的个数大于等于数组元素个数，那么直接添加一个所有元素的集合，然后返回
if (length <= number) {
ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
for (int i1 : ints) {
arrayList.add(i1);
}
lists.add(arrayList);
return lists;
}
// 用于存储取数组元素的下标。例如数组为[6,7,8,9]，要取2个数，那么这里的indexs数组长度就为2，下面初始化索引为最开始索引，indexs=[0,1]
int[] indexs = new int[number];
// 初始化索引
for (int j = 0; j < number; j++) {
indexs[j] = j;
}
// 循环，索引数组的第一个值索引+个数>数组个数，就跳出循环
while (indexs[0] + number <= length) {
// 最后一个索引循环，比如最初indexs=[0,1]，数组元素个数为4，那么这里循环，indexs=[0,1]、indexs=[0,2]、indexs=[0,3]，跳出循环indexs=[0,4]
for (int k = indexs[number - 1]; k < length; k++) {
ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
// 通过下标取数组中元素
for (int index : indexs) {
arrayList.add(ints[index]);
}
lists.add(arrayList);
// 最后一个索引往后移动
indexs[number - 1]++;
}
// 上面索引数组中最后一个值已经到了最后，这里是把倒数第二个值+1，如果倒数第二也到了最后，那么再往前找，直到第一个。
// 1、例如数组为[5,6,7,8,9]，要取得元素个数为3，索引数组初始化为indexs=[0,1,2]，经过上面最后一个索引循环变成indexs=[0,1,5]，这里循环得作用就是把索引数组变成indexs=[0,2,3]
// 2、如果经过上面最后一个索引循环变成indexs=[0,4,5]，这里循环得作用就是把索引数组变成indexs=[1,2,3]
for (int l = number - 2; l >= 0; l--) {
// 索引数组只修改一次就跳出循环
if (indexs[l] < indexs[l + 1] - 1) {
indexs[l]++;
for (int m = l + 1; m < number; m++) {
indexs[m] = indexs[m - 1] + 1;
}
break;
}
}
}
return lists;
}
}
3. 运行结果
[[], [1], [2], [3], [4], [5], [1, 2], [1, 3], [1, 4], [1, 5], [2, 3], [2, 4], [2, 5], [3, 4], [3, 5], [4, 5], [1, 2, 3], [1, 2, 4], [1, 2, 5], [1, 3, 4], [1, 3, 5], [1, 4, 5], [2, 3, 4], [2, 3, 5], [2, 4, 5], [3, 4, 5], [1, 2, 3, 4], [1, 2, 3, 5], [1, 2, 4, 5], [1, 3, 4, 5], [2, 3, 4, 5], [1, 2, 3, 4, 5]]
3. DFS算法
Depth-First Search深度优先搜索算法
1. 概念
在深度优先搜索中，对于最新发现的顶点，如果它还有以此为顶点而未探测到的边，就沿此边继续探测下去，当顶点v的所有边都已被探寻过后，搜索将回溯到发现顶点v有起始点的那些边。
这一过程一直进行到已发现从源顶点可达的所有顶点为止。如果还存在未被发现的顶点，则选择其中一个作为源顶点，并重复上述过程。
整个过程反复进行，直到所有的顶点都被发现时为止。
比如数组{1,2,3,4,5}所有子集合，这里不包括空集合
2. 解题思路
如下图，探索和回溯，探索是实线箭头表示，回溯是虚线箭头表示。其中虚线箭头指向中间表示这个节点还有其他子节点没有探索完，虚线箭头指向右边便是这个节点已经探索完成。
在这里我们从最右开始，就会发现里面的递归。数组{1,2,3,4,5}的所有子集合划分为几部分：
- 含有元素1的所有集合。【发现在下面第2、3、4、5基础上加上空集合，然后每个集合都加上元素1，就是此时要求的所有集合】
【{1}, {1, 2}, {1, 2, 3}, {1, 2, 3, 4}, {1, 2, 3, 4, 5}, {1, 2, 3, 5}, {1, 2, 4}, {1, 2, 4, 5}, {1, 2, 5}, {1, 3}, {1, 3, 4}, {1, 3, 4, 5}, {1, 3, 5}, {1, 4}, {1, 4, 5}, {1, 5}】，16个集合
- 含有元素2且不包含元素1的所有集合。【发现在下面第3、4、5基础上加上空集合，然后每个集合都加上元素2，就是此时要求的所有集合】
【{2}, {2, 3}, {2, 3, 4}, {2, 3, 4, 5}, {2, 3, 5}, {2, 4}, {2, 4, 5}, {2, 5}】，8个集合
- 含有元素3且不包含元素1和元素2的所有集合。【发现在下面第4、5基础上加上空集合，然后每个集合都加上元素3，就是此时要求的所有集合】
【{3}, {3, 4}, {3, 4, 5}, {3, 5}】，4个集合
- 含有元素4且不包含元素1、元素2和元素3的所有集合。【发现在下面第5基础上加上空集合，然后每个集合都加上元素4，就是此时要求的所有集合】
【{4}, {4, 5}】，2个集合
- 含有元素5且不包含元素1、元素2、元素3和元素4的所有集合。【此时只有一个元素5，那么就只有一个集合，集合里面就一个元素5】
【{5}】，1个集合
3. 代码
import java.util.ArrayList;
/**
* @className FDSTest
* @description FDS算法在求集合的所有子集合，包括空集合时的应用
* @author liwei
* @date 2022/9/8 15:29
* @version V1.0
**/
public class FDSTest {
public static void main(String[] args) {
int[] ints = {5, 4, 3, 2, 1};
System.out.println(subsets(ints));
}
/**
* @description 求数组的所有子集合，包括空数组。按要求升序排序数组
* @author liwei
* @date 2022/9/9 11:45
* @param ints
* 数组
* @return java.util.ArrayList<java.util.ArrayList<java.lang.Integer>>
**/
public static ArrayList<ArrayList<Integer>> subsets(int[] ints) {
// 插入排序，升序排列
for (int i = 0, length = ints.length; i < length - 1; i++) {
int tmpValue = ints[i];
int tmpIndex = i;
for (int j = i + 1; j < ints.length; j++) {
if (tmpValue > ints[j]) {
tmpValue = ints[j];
tmpIndex = j;
}
}
if (i != tmpIndex) {
ints[tmpIndex] = ints[i];
ints[i] = tmpValue;
}
}
// 调用FDS
return subsetsFDS(ints);
}
/**
* @description FDS算法求解数组的所有子集合，包括空数组，内含递归
* @author liwei
* @date 2022/9/9 11:47
* @param ints
* 数组
* @return java.util.ArrayList<java.util.ArrayList<java.lang.Integer>>
**/
public static ArrayList<ArrayList<Integer>> subsetsFDS(int[] ints) {
ArrayList<ArrayList<Integer>> arrayList = new ArrayList<>();
if (null == ints || ints.length <= 0) {
// 递归到最后没有元素的话返回空集合
arrayList.add(new ArrayList<>());
return arrayList;
}
// 取第一个元素
int one = ints[0];
// 定义取完第一个元素后剩余数组长度
int[] twoArray = new int[ints.length - 1];
for (int i = 1; i < ints.length; i++) {
twoArray[i - 1] = ints[i];
}
// 递归，取出第一个元素后，递归得到不包含第一个元素的所有子集合
ArrayList<ArrayList<Integer>> listArrayList = subsetsFDS(twoArray);
for (ArrayList<Integer> integers : listArrayList) {
// 把集合复制一份保存到返回集合中
arrayList.add(new ArrayList<>(integers));
// 在集合第一位置添加第一个元素，然后保存到返回集合中
integers.add(0, one);
arrayList.add(integers);
}
return arrayList;
}
}
4. 运行结果
[[], [1], [2], [1, 2], [3], [1, 3], [2, 3], [1, 2, 3], [4], [1, 4], [2, 4], [1, 2, 4], [3, 4], [1, 3, 4], [2, 3, 4], [1, 2, 3, 4], [5], [1, 5], [2, 5], [1, 2, 5], [3, 5], [1, 3, 5], [2, 3, 5], [1, 2, 3, 5], [4, 5], [1, 4, 5], [2, 4, 5], [1, 2, 4, 5], [3, 4, 5], [1, 3, 4, 5], [2, 3, 4, 5], [1, 2, 3, 4, 5]]
4. 对比
- 普通方法的优势：如果是指定取M个数，如上面例子我们只取出只有2个元素的所有集合；
- DFS算法的优势：这里只是这个算法的一种体现，最重要的是算法思想。例如求2点间最短距离；
