Python - 深夜数据结构与算法之 Recursion
目录
8.Ser-And-Deset-Binary-Tree [297]
一.引言
前面介绍了树和图，其中很多都用到了递归的方式，本文我们介绍泛型递归以及树的递归，加深对二者的印象。
二.递归的简介
1.Recursion 递归
递归的基本含义是我们通过构建一个函数体，不断自身调用直到停止，其本质上也是循环的一种，用我们小时候的说法叫：
注意虽然递归是循环且不断调用，但是一定要有退出条件，这里使用抽象的返回 1，视实际情况而定。
2.Factorial 阶乘
以阶乘计算为例，递归的实现其实是系统在内部构建一个栈，先进后出，最后一步一步调用出来，这里给出递归树的形式我们称为人肉递归，即自己模拟整个递归过程，用来更直观的理解递归。
3.Template 模版
◆ terminator - 终止条件，避免死循环，调用递归时一定要想好停止或者退出的边界条件
◆ process - 处理逻辑，每层递归的处理逻辑
◆ drill donw - 向下钻，很形象，其实就是到更深的一层继续探索，n -> n+1
◆ reverse state - 一些情况下需要保持该层的状态，此时需要再递归结束后进行恢复
Tips:
学过数学归纳法的同学应该比较熟悉递归，数学归纳法的步骤我们先初始化 f(1)、f(2)，然后推广到 f(n)，最后再证明 f(n+1) 也 ok 就 ok 了，递归也相似，我们需要把可拆解的重复问题进行归纳，然后推广到 f(x) 的通式上。?
三.经典算法实战
1.Generate-Parentheses [22]
括号生成:?https://leetcode-cn.com/problems/generate-parentheses/
◆ 题目分析?
首先可以使用暴力法，共 2n 个字符，每次只能出 '(' 或者 ')'，把所有结果的括号验证一下是否可用，即可。还有一种可以递归，观察上面的 n=3 的情况，对于有效的括号而言，其一定满足num-左括号 = num-右括号 and 最左边一定是 '('，所以我们可以从 0 -> n 递归生成并判断合法性。
◆ 逐步生成
class Solution(object):
def generateParenthesis(self, n):
"""
:type n: int
:rtype: List[str]
"""
# 保存结果
result = []
self.generate(0, 0, n, "", result)
return result
def generate(self, left, right, n, s, result):
if left == n and right == n:
result.append(s)
# 保证最左边一定是 '('
if left < n:
self.generate(left + 1, right, n, s + "(", result)
# right 不够就补充
if right < left:
self.generate(left, right + 1, n, s + ")", result)从左括号开始，后面遍历全部情况，并通过边界条件对生成进行过滤，避免无效的生成。这里主要还是明确递归四要素:
terminator - len(left) = len(right) && s.start_with('(')
process - s + '('? || s + ')'
drill donw - left + 1 || right + 1
recerse state - 没有全局变量改动，所以无需操作
2.Climbing-Stairs [70]
爬楼梯问题:?https://leetcode-cn.com/problems/climbing-stairs/
◆ 题目分析?
我们尝试使用数学归纳法的思想，因为一次只能走 1 or 2 步，所以 f(1) = 1、f(2) = 2、往后类推，对于 f(n) 的情况，其有两种方式到达，一种是 f(n-1) 走 1 步，还有事 f(n-2) 走两步，所以:
f(n) = f(n-1) + f(n-2)
即走到 n 有几种方法，就等于走到 n-1 和 n-2 方法的和，同理，走到 n-1 是走到 n-2 和 n-3 的方法的和，依次类推。退出条件，退出条件就是到达 1 or 2 即可。
◆ 递归实现
class Solution(object):
def climbStairs(self, n):
"""
:type n: int
:rtype: int
"""
# 终止条件
if n <= 2:
return n
# 下一层
return self.climbStairs(n-1) + self.climbStairs(n-2)这里我们根据递归的模版，直接套即可得到上述代码，边界条件的 1->1、2->2 我们合在一起。不过时间超出限制了，我们每次扩展 n-1、n-2 两个分叉，共 n 次，所以时间复杂度是 2^^n，还是有点高，但是能够匹配模版就说明我们递归的思想逐渐熟悉。
◆ 滑动数组
class Solution(object):
def climbStairs(self, n):
"""
:type n: int
:rtype: int
"""
if n <= 2:
return n
a, b, c = 1, 2, 3
# 滑动数组
for i in range(3, n):
a, b, c = b, c, b+c
return c熟悉 Fib 即斐波那契数列的同学可以看出 f(n) = f(n-1) + f(n-2) 其实是其对应通式，我们可以通过滑动数组的方式，不断向前推进求解，只需要 o(n) 的时间复杂的和常数的空间复杂度。?
3.Is-Valid-BST [98]
有效二叉搜索树:?https://leetcode-cn.com/problems/validate-binary-search-tree
◆ 题目分析
二叉搜索树有效的定义在图中已经给出，左边的比 root 小，右边的比 root 大，根据中序遍历 '左根右' 遍历二叉搜索树即可得到一个有序的数组，我们只需判断 pre 节点的值是否小于当前的值即可。
◆ 中序遍历 - 递归
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
pre = -999999999999999
def isValidBST(self, root):
# 停止条件
if root is None:
return True
# 遍历左子树
if not self.isValidBST(root.left):
return False
# 上一个值大于等于下一个则为异常
if root.val <= self.pre:
return False
self.pre = root.val
# 遍历右子树
return self.isValidBST(root.right)参考递归的中序遍历写法，在 val 值处进行递增顺序的判断。
◆ 中序遍历 - 栈
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
def isValidBST(self, root):
"""
:type root: TreeNode
:rtype: bool
"""
stack = []
cur = root
pre = None
while cur or stack:
if cur:
stack.append(cur)
cur = cur.left
else:
cur = stack.pop()
# 在中序遍历的基础上添加了顺序的判断
if pre and cur.val <= pre.val:
return False
pre = cur
cur = cur.right
return True中序遍历的模版，只是在 process val 的位置由 append or print 变成了比较是否有序。
4.Max-Depth [104]
二叉树最大深度:?https://leetcode-cn.com/problems/maximum-depth-of-binary-tree
◆ 题目分析
采用 DFS 递归遍历左右子树，每 DFS 一层就为层数增加1，最后统计 max(左，右) 即可得到最深的深度。
◆ 递归实现
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
def maxDepth(self, root):
"""
:type root: TreeNode
:rtype: int
"""
# 停止条件
if not root:
return 0
else:
# 向下出发
left_h = self.maxDepth(root.left)
right_h = self.maxDepth(root.right)
# +1: 根节点
return max(left_h, right_h) + 1?向下遍历，遍历时返回自己位置左右子树较高的层数并加上自己所在层的 1。
5.Construct-Binary-Tree [105]
重建二叉树:?https://leetcode.cn/problems/construct-binary-tree-from-preorder-and-inorder-traversal
◆ 题目分析
pre -> 根左右 in -> 左根右，根据这个逻辑，我们可以从 preorder 确定全局的 root 节点，根据 root 节点的位置，我们在中序遍历中可以获取其左子树和右子树的长度，对于左右子树而言，其前序和中序遍历的长度是一样的，所以可以向下递归，对左右子树分别寻找 root。
◆ 递归遍历
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
def buildTree(self, preorder, inorder):
"""
:type preorder: List[int]
:type inorder: List[int]
:rtype: TreeNode
"""
# 根据 pre 可以获得根节点
if not preorder and not inorder:
return None
# pre -> 根左右 in -> 左根右
root = TreeNode(preorder[0])
# 获取根节点位置
mid_index = inorder.index(root.val)
root.left = self.buildTree(preorder[1: mid_index + 1], inorder[: mid_index])
root.right = self.buildTree(preorder[mid_index + 1:], inorder[mid_index + 1:])
return root
大家可以结合上面的思路和 GIF 图理解递归的意图。?
6.Min-Depth [111]
二叉树最小深度:?https://leetcode.cn/problems/minimum-depth-of-binary-tree/description/
◆ 题目分析
采用 DFS 递归遍历左右子树，每 DFS 一层就为层数增加1，最后统计 min(左，右) 即可得到最小的深度，和上面 Max Depth 是反着来的。但是这里求最小路径时，需要注意边际条件 max depth 有一点差别，当一边为空，一边有叶子节点时，min 的判断方法需要修改，参考下图，左边深度 0，右边深度 4，如果采用 min(0, 4) + 1 则最小为 1，但是题目要求根节点到最近的叶节点，所以我们要 if 把一边 root == None 的情况排除掉。
◆ 递归实现
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
def minDepth(self, root):
"""
:type root: TreeNode
:rtype: int
"""
# 无根 -> 0
if not root:
return 0
# 无孩 -> 1
if not root.left and not root.right:
return 1
# 向下递归
left_height = self.minDepth(root.left)
right_height = self.minDepth(root.right)
# 当一边为空一边不为空时，min(h,r) 会返回1，但此时 root 存在叶节点，所以 l+r+1
# 因为如果有一个为空 其返回为0，不会影响最终结果
if not root.left or not root.right:
return left_height + right_height + 1
return min(right_height, left_height) + 1
按照题解思路实现即可。?
7.Invert-Tree [226]
反转二叉树:?https://leetcode-cn.com/problems/invert-binary-tree/description/?
◆ 题目分析
交换左右子树，对于 root 交换其左右，继续向下对 left 交换左右，对 right 交换左右 ... 典型的递归题目。
◆ 左右递归
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
# self.val = val
# self.left = left
# self.right = right
class Solution(object):
def invertTree(self, root):
"""
:type root: TreeNode
:rtype: TreeNode
"""
# 停止条件
if not root:
return None
# 处理 左右交换
root.left, root.right = root.right, root.left
# 向下出发
self.invertTree(root.left)
self.invertTree(root.right)
# 无全局变量修改
return root再啰嗦一遍递归四步法: 停止条件 + 处理 + 下一层 + 恢复状态。
8.Ser-And-Deset-Binary-Tree [297]
BT 序列化与反序列化:?https://leetcode-cn.com/problems/serialize-and-deserialize-binary-tree/?
◆ 题目分析
这个题目整体来说不麻烦，但是很绕，而且很容易和官方要求的返回内容不一致。我们编码阶段可以通过 BFS 层序遍历将结果生成为符号分割的字符串，或者存到 [] 再使用 ','.jion。解码时只需要根据节点对应关系依次还原 Node 即可，需要注意 python 中如果节点为 None，需要返回特定的字符串标识并在解码时识别，下面示例采用 "null"。
◆ BFS 层序遍历
class Codec:
def serialize(self, root):
"""Encodes a tree to a single string.
:type root: TreeNode
:rtype: str
"""
if not root:
return ""
queue = collections.deque([root])
res = []
while queue:
node = queue.popleft()
if node:
res.append(str(node.val))
queue.append(node.left)
queue.append(node.right)
else:
res.append('None')
return '[' + ','.join(res) + ']'
def deserialize(self, data):
"""Decodes your encoded data to tree.
:type data: str
:rtype: TreeNode
"""
if not data:
return []
dataList = data[1:-1].split(',')
root = TreeNode(int(dataList[0]))
queue = collections.deque([root])
i = 1
while queue:
node = queue.popleft()
if dataList[i] != 'None':
node.left = TreeNode(int(dataList[i]))
queue.append(node.left)
i += 1
if dataList[i] != 'None':
node.right = TreeNode(int(dataList[i]))
queue.append(node.right)
i += 1
return root
这里使用 index += 1 和 queue 配合分别决定下一个 node 该匹配给谁。这里博主自己实现了一版通过父亲索引寻找对应节点的方法，本地可以验证但乐扣总是少 None，也懒得纠结了，放在这里有兴趣的同学可以看看，主要思想是通过 parent = int((i - 1) / 2) 的父亲节点计算公式和 choose = ["l", "r"] 决定当前节点该放左还是右。
class Codec:
def bfs(self, root):
result = []
if root is None:
return
my_queue = [root]
while my_queue:
# 返回列表第一个节点的数据
node = my_queue.pop(0)
result.append(node.val)
if node.left is not None:
my_queue.append(node.left)
if node.right is not None:
my_queue.append(node.right)
return result
def serialize(self, root):
"""Encodes a tree to a single string.
:type root: TreeNode
:rtype: str
"""
result = []
if not root:
return ""
queue = [root]
# BFS 遍历二叉树
while queue:
node = queue.pop(0)
result.append(str(node.val))
if node.left:
queue.append(node.left)
if node.right:
queue.append(node.right)
return ",".join(result)
def deserialize(self, data):
"""Decodes your encoded data to tree.
:type data: str
:rtype: TreeNode
"""
if not data:
return
tree = data.split(",")
root = TreeNode(int(tree[0]))
result = [root]
choose = ["l", "r"]
for i in range(1, len(tree)):
parent = int((i - 1) / 2)
c = choose[(i-1) % 2]
if tree[i] != "None":
cur_tree = TreeNode(int(tree[i]))
else:
cur_tree = TreeNode(None)
if c == "l":
result[parent].left = cur_tree
result.append(cur_tree)
if c == "r":
result[parent].right = cur_tree
result.append(cur_tree)
return result[0]
9.Low-Common-Ancestor [236]
二叉树最近公共祖先:?https://leetcode.cn/problems/lowest-common-ancestor-of-a-binary-tree
◆ 题目分析
根据题目要求，p、q 公共祖先共有如上三种情况，考虑通过递归对二叉树进行前序遍历，当遇到节点 p?或 q?时返回。从底至顶回溯，当节点 p,q 在节点 root?的异侧时，节点 root?即为最近公共祖先，则向上返回 root?。
◆ DFS 遍历
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, x):
# self.val = x
# self.left = None
# self.right = None
class Solution(object):
def lowestCommonAncestor(self, root, p, q):
"""
:type root: TreeNode
:type p: TreeNode
:type q: TreeNode
:rtype: TreeNode
"""
# 退出条件: 顶节点没有祖先了，最高就这么高了
if root == None or root == p or root == q:
return root
# 分别到左右子树找 p、q 的 root
left = self.lowestCommonAncestor(root.left, p, q)
right = self.lowestCommonAncestor(root.right, p, q)
# 左边没找到，右边找
if not left:
return right
# 右边没找到，左边找
if not right:
return left
return root此题比较绕，推荐大家看大佬的图文题解:?DFS 清晰图解。?
◆ 分头寻找
# Definition for a binary tree node.
# class TreeNode(object):
# def __init__(self, x):
# self.val = x
# self.left = None
# self.right = None
class Solution(object):
def lowestCommonAncestor(self, root, p, q):
"""
:type root: TreeNode
:type p: TreeNode
:type q: TreeNode
:rtype: TreeNode
"""
record = {root: None}
stack = [root]
while stack:
node = stack.pop()
if node.left:
record[node.left] = node
stack.append(node.left)
if node.right:
record[node.right] = node
stack.append(node.right)
# p、q 都找都就可以退出了
if p in record and q in record:
break
# 把 p 的父亲节点都标记
while p:
parent = record[p]
record[p] = True
p = parent
# 从 q 向上找，第一个为 True 的即为公共祖先
while record[q] is not True:
q = record[q]
return q?先通过遍历子树并记录的方法将 p 和 q 的全部父亲节点记录下来，随后标记 p 或者 q 的节点父亲为 True，然后从另一个节点的父亲自下而上寻找，第一个为 True 的就是公共的了。
四.总结
上面介绍了递归以及大量树的题目，因为树的结构与遍历天生比较适合递归实现，上面的题思路都很巧妙，属于看了忘、忘了看、几天不看全忘的状态，还是要多多练习多多巩固。
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