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递归------深度优先搜索

news 来源：原创 2025/7/28 0:02:36

深度优先搜索（Depth-First Search，简称DFS）是一种用于遍历或搜索树或图的算法。它从一个顶点开始，尽可能深地搜索树的分支。深度优先搜索沿着一条路径深入，直到无法继续为止，然后回溯并尝试其他路径。这种搜索策略可以系统地探索一个图的所有顶点和边。

深度优先搜索的主要特点包括：

  1. 递归实现：深度优先搜索通常使用递归实现，其中每个节点会递归地访问其所有未访问过的邻居节点。

  2. 栈的使用：在非递归实现中，可以使用栈（后进先出的数据结构）来模拟递归过程。

  3. 路径探索：深度优先搜索会沿着一条路径深入探索，直到到达一个没有未访问邻居的节点，然后回溯。

  4. 回溯：当搜索到达一个死胡同（即没有更多的节点可以访问）时，算法会回溯到上一个节点，并尝试另一条路径。

  5. 图的遍历：在图的遍历中，深度优先搜索可以用来检测环，或者确定图是否是连通的。

  6. 时间复杂度：对于有V个顶点和E条边的图，深度优先搜索的时间复杂度通常是O(V+E)。

  7. 应用场景：深度优先搜索常用于解决迷宫问题、路径寻找、拓扑排序、检测图中的环等问题。

深度优先搜索的伪代码如下：

DFS(graph, vertex, visited):visited[vertex] = truefor each neighbor of vertex:if visited[neighbor] == false:DFS(graph, neighbor, visited)

在实际应用中，深度优先搜索可以用于各种图和树结构的问题，是计算机科学中一个非常重要的算法

滑雪场
 
 

image.png


 

题目描述

这是一道经典的二维矩阵搜索问题。题目描述了一个滑雪场景：

  • 给定一个二维矩阵，每个位置表示滑雪场的海拔高度

  • 滑雪者可以从任意位置开始滑雪

  • 滑雪者只能从高处往低处滑

  • 每次可以向上下左右四个方向滑动

  • 要求找出最长的滑雪路径长度

示例说明

以代码中的测试用例为例：

test_heights = [[1,  2,  3,  4,  5],[16, 17, 18, 19, 6],[15, 24, 25, 20, 7],[14, 23, 22, 21, 8],[13, 12, 11, 10, 9]
]

在这个例子中：

  • 最长的滑雪路径长度是25

  • 一条可能的最长路径是：25 → 24 → 23 → 22 → 21 → 20 → 19 → 18 → 17 → 16 → 15 → 14 → 13 → 12 → 11 → 10 → 9 → 8 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1

问题特点

  • 路径特性：

  • 路径必须是严格下降的（每一步都必须比上一步的高度低）

  • 路径长度包含起点和终点

  • 搜索特性：

  • 需要尝试从每个点出发

  • 每个点都可能是最长路径的起点

  • 具有重叠子问题的特点

  • 解题难点：

  • 如何避免重复计算

  • 如何处理边界情况

  • 如何高效地搜索所有可能的路径

解题思路

  • 使用DFS：

  • 采用深度优先搜索遍历所有可能的路径

  • 从每个点开始尝试四个方向的滑行

  • 记忆化优化：

  • 使用memo数组记录已经计算过的结果

  • 避免重复计算相同的子问题

  • 边界处理：

  • 检查数组边界

  • 检查高度条件

  • 处理无效输入

实现代码

def longestSkiPath(heights):if not heights or not heights[0]:return 0rows = len(heights)cols = len(heights[0])# 记忆化数组，memo[i][j] 表示从点(i,j)开始能滑行的最长路径长度memo = [[-1] * cols for _ in range(rows)]# 四个方向：上、下、左、右directions = [(-1, 0), (1, 0), (0, -1), (0, 1)]def dfs(row, col):# 如果已经计算过，直接返回if memo[row][col] != -1:return memo[row][col]# 初始长度为1（当前点）max_length = 1# 尝试四个方向for dx, dy in directions:new_row, new_col = row + dx, col + dy# 检查新位置是否有效且高度更低if (0 <= new_row < rows and 0 <= new_col < cols and heights[new_row][new_col] < heights[row][col]):# 递归计算从新位置开始的最长路径current_length = 1 + dfs(new_row, new_col)max_length = max(max_length, current_length)# 记录结果memo[row][col] = max_lengthreturn max_length# 从每个点开始尝试，找到最长路径result = 0for i in range(rows):for j in range(cols):result = max(result, dfs(i, j))return result# 测试代码
if __name__ == "__main__":# 测试用例test_heights = [[1, 2, 3, 4, 5],[16, 17, 18, 19, 6],[15, 24, 25, 20, 7],[14, 23, 22, 21, 8],[13, 12, 11, 10, 9]]print(longestSkiPath(test_heights))  # 应该输出 25

从点(2,2)（值为25）开始的搜索过程：

  • 检查四周：

  • 上：18 < 25 ✓

  • 下：22 < 25 ✓

  • 左：24 < 25 ✓

  • 右：20 < 25 ✓

  • 递归搜索每个可行方向，并选择最长的路径：

  • 从18继续搜索

  • 从22继续搜索

  • 从24继续搜索

  • 从20继续搜索

  • 使用记忆化数组（memo）避免重复计算：

  • 当某个点被计算过后，其结果会被存储在memo中

  • 下次遇到相同的点时直接返回存储的结果

5. 时间复杂度

  • 没有记忆化：O(4^(mn))，因为每个点都可能往4个方向扩展

  • 使用记忆化后：O(mn)，因为每个点最多被计算一次

    6. 空间复杂度

  • O(mn)，主要是记忆化数组的空间

这个算法通过记忆化搜索有效地避免了重复计算，大大提高了效率。对于示例输入，最终会找到长度为25的最长路径。
 

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视频参考:https://www.bilibili.com/video/BV1VkBCYmExt 解释 off-by-one 错误 从演讲者的视角&#xff1a;对代码问题的剖析与修复过程 问题的起因 演讲者提到&#xff0c;他可能无意中在代码中造成了一个错误&#xff0c;这与“调试时间标记索引”有关。他发现了一个逻辑问题…...

编程日记 2025/7/26 20:47:20