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【LeetCode 热题 100】78. 子集——（解法二）回溯+选哪个

news 2025/7/26 9:53:00

Problem: 78. 子集
题目：给你一个整数数组 nums ，数组中的元素互不相同。返回该数组所有可能的子集（幂集）。
解集不能包含重复的子集。你可以按任意顺序返回解集。

文章目录

整体思路
完整代码
时空复杂度
- 时间复杂度：O(N * 2^N)
- 空间复杂度：O(N)

整体思路

这段代码同样旨在解决 “子集 (Subsets)” 问题，即找出给定数组的所有可能子集。与上一个“选或不选”的实现方式不同，此版本的回溯法思路可以理解为 构建组合 的模型。

算法的整体思路可以分解为以下步骤：

决策模型：构建组合
- 该算法将生成子集的过程，看作是从原数组 nums 中挑选 0 个、1 个、2 个……直到 n 个元素来组成不同长度的子集。
- 它定义了一个 dfs(i, ...) 函数，其核心任务是：从 nums 数组的第 i 个元素开始，向后选择元素，加入到当前正在构建的子集 path 中。
递归与回溯的核心逻辑：
- dfs 函数被调用时，首先要做的一件事是 将当前 path 的状态加入结果集。
  - ans.add(new ArrayList<>(path))：这意味着，无论是空集（第一次调用时）、只含一个元素的子集、还是包含多个元素的子集，只要进入 dfs 函数，path 的当前状态就是一个合法的子集。这与“选或不选”模型只在叶子节点收集结果的方式不同。
- 接下来，通过一个 for 循环来做选择。这个循环从当前位置 i 开始，而不是从 0 开始。
  - for (int j = i; j < nums.length; j++): 这个循环的作用是，在当前层级的决策中，我们可以选择 nums[i], nums[i+1], nums[i+2] 等等中的任意一个，作为下一个要加入 path 的元素。
- 选择 (Choose)：path.add(nums[j])。将选中的元素 nums[j] 加入路径。
- 探索 (Explore)：dfs(j + 1, nums, ...)。做出选择后，递归地进入下一层。注意，下一层的搜索起点是 j + 1，而不是 i + 1。这确保了我们不会重复选择同一个元素，并且生成的子集中的元素顺序是按照原数组的顺序来的（例如，不会出现 [3, 1] 这样的组合，只会是 [1, 3]）。
- 撤销选择 (Unchoose / Backtrack)：path.removeLast()。当对 j + 1 的探索返回后，撤销刚才的选择，将 nums[j] 从 path 中移除。这样，在下一次 for 循环中，就可以尝试选择 nums[j+1] 作为当前层级的选择了。
递归的启动
- 初始调用是 dfs(0, ...)，这意味着第一次我们可以在 nums[0...n-1] 中任意选择一个元素作为子集的第一个元素。

通过这种方式，DFS的每一条路径都代表了子集的构建过程，并且在进入每个递归节点时都收集一次结果，从而不重不漏地生成了所有子集。

完整代码

class Solution {/*** 计算给定数组的所有子集（幂集）。* (组合模型的回溯实现)* @param nums 不含重复元素的整数数组* @return 包含所有子集的列表*/public List<List<Integer>> subsets(int[] nums) {// ans: 最终的结果列表，用于存储所有子集List<List<Integer>> ans = new ArrayList<>();// path: 用于存储当前正在构建的单个子集路径List<Integer> path = new ArrayList<>();// 从索引 0 开始进行深度优先搜索dfs(0, nums, ans, path);return ans;}/*** 深度优先搜索（回溯）辅助函数。* @param i 当前选择的起点索引。表示在这一层，我们可以从 nums[i] 开始向后选择元素。* @param nums 原始输入数组* @param ans 结果列表* @param path 当前构建的子集*/private void dfs(int i, int[] nums, List<List<Integer>> ans, List<Integer> path) {// 关键步骤：在每个递归节点，都将当前 path 的一个深拷贝加入结果集。// 这代表了以当前 path 为前缀的所有子集中的一个。// 第一次调用时，path为空，加入的是空集。ans.add(new ArrayList<>(path));// 从当前起点 i 开始，向后遍历，尝试将每个元素加入 pathfor (int j = i; j < nums.length; j++) {// 选择 (Choose): 将 nums[j] 加入当前子集path.add(nums[j]);// 探索 (Explore): 递归地去构建更长的子集。// 注意：下一层的起点是 j + 1，确保每个元素只用一次，且组合不重复。dfs(j + 1, nums, ans, path);// 撤销选择 (Unchoose / Backtrack): 将刚刚加入的 nums[j] 移除，// 恢复到上一层状态，以便 for 循环可以尝试下一个 j。path.remove(path.size() - 1); // removeLast() is more efficient if path is a LinkedList}}
}

时空复杂度

时间复杂度：O(N * 2^N)

子集数量：此算法同样会生成 2^N 个子集。
构建每个子集的成本：
- 该算法的DFS树结构与前一个版本不同，但最终生成的子集数量和总的计算量级是相同的。
- 在每次 dfs 调用时（总共有 2^N 次调用），都会执行一次 ans.add(new ArrayList<>(path))。
- path 的长度从 0 到 N 不等。所有 path 的总长度加起来，可以证明是 O(N * 2^N)。
- 因此，所有复制操作的总时间消耗是 O(N * 2^N)。

综合分析：
尽管实现方式不同，但解决问题的根本计算量没有改变。总时间复杂度仍然是 O(N * 2^N)。

空间复杂度：O(N)

主要存储开销：我们分析的是额外辅助空间，不包括存储最终结果的 ans 列表。
- List<Integer> path: 用于存储当前路径。path 的最大长度为 N。空间复杂度为 O(N)。
- 递归调用栈：dfs 函数的最大递归深度为 N (当构建包含所有 N 个元素的子集时，路径为 0 -> 1 -> ... -> N-1)。因此，递归栈所占用的空间为 O(N)。