每周算法:生成有效的括号组合

leetcode 算法题第22道,难度为medium,对指定数量的括号进行排列组合,列举出其中有效的结果。对括号的处理通常出现在表达式分析中,这道题目是了解括号表达式特性的很好切入点。

Description

Given n pairs of parentheses, write a function to generate all combinations of well-formed parentheses.
For example, given n = 3, a solution set is:

[
  "((()))",
  "(()())",
  "(())()",
  "()(())",
  "()()()"
]

来源:leetcode 22 generate parentheses

Solution

Approach 1 DP

这是我想到的方法,按照DP解法的思想,将 n 分解为 (1 和 n-1 )、(2 和 n-2 )以及( in-i ),再将分解后的两部分进行前后组合。这样,解决 n 的情况需要依赖于 n-1 的情况,依此递推,最终需要解决的问题得以简化为只有一个括号的情况。

下面是DP解法的实现:

vector<string> generateParenthesis(int n) {
    vector<vector<string>> dp;
    dp.reserve(n+1);

    dp.push_back(vector<string>());
    dp.push_back(vector<string>({"()"}));

    for (int i=2; i<n+1; ++i) {
	set<string> s;
	for (int j=1; j<=i-j; ++j) {
	    for (size_t m=0; m<dp[j].size(); ++m) {
		for (size_t n=0; n<dp[i-j].size(); ++n) {
		    s.insert(dp[j][m] + dp[i-j][n]);
		    s.insert(dp[i-j][n] + dp[j][m]);

		    if (j == 1) {
			s.insert('(' + dp[i-j][n] + ')');
		    }
		}
	    }
	}
	dp.push_back(vector<string>(s.begin(), s.end()));
    }
    return dp[n];
}

下面是DP解法的递归实现:

vector<string> generateParenthesis(int n) {
    if (n == 1) {
	return vector<string>({"()"});
    }
    else if (n <= 0) {
	return vector<string>();
    }

    set<string> ans;
    for (int j=1; j<=n-j; ++j) {
	vector<string> pre1 = generateParenthesis(n-j);
	vector<string> pre2 = generateParenthesis(j);
	for (size_t i=0; i<pre1.size(); ++i) {
	    for (size_t j=0; j<pre2.size(); ++j) {
		ans.insert(pre1[i] + pre2[j]);
		ans.insert(pre2[j] + pre1[i]);
	    }
	    if (j==1) {
		ans.insert('(' + pre1[i] + ')');
	    }
	}
    }
    return vector<string>(ans.begin(), ans.end());
}

这种解法由于涉及到结果的二次组合,所以会出现重复的情况。为了过滤掉重复的组合,我使用 std::set 作为中间存储结构,这必定也使得解法的时间复杂度变高。

Approach 2 Brute Force

大部分的算法题都能够使用暴力解法,这道题也不例外。下面的代码截取自leetcode的solution解析,使用java编写。

class Solution {
    public List<String> generateParenthesis(int n) {
	List<String> combinations = new ArrayList();
	generateAll(new char[2 * n], 0, combinations);
	return combinations;
    }

    public void generateAll(char[] current, int pos, List<String> result) {
	if (pos == current.length) {
	    if (valid(current))
		result.add(new String(current));
	} else {
	    current[pos] = '(';
	    generateAll(current, pos+1, result);
	    current[pos] = ')';
	    generateAll(current, pos+1, result);
	}
    }

    public boolean valid(char[] current) {
	int balance = 0;
	for (char c: current) {
	    if (c == '(') balance++;
	    else balance--;
	    if (balance < 0) return false;
	}
	return (balance == 0);
    }
}

其中判断括号是否是有效的算法也是值得学习的。另外,对于生成所有的可能组合,这让我回想起之前的一道使用BFS题目,于是我使用C++实现了出来。

void generateAllPossible(vector<string>& all, int n) {
    list<string> bfs;
    bfs.push_back("");
    while (bfs.size() != 0) {
	string frt = bfs.front();
	bfs.pop_front();
	if (frt.size() == n*2) {
	    all.push_back(frt);
	    continue;
	}
	bfs.push_back(frt + '(');
	bfs.push_back(frt + ')');
    }
}

该算法的时间复杂度为O(22n * n),字符串长度为2n,所以就有 22n 种可能,对每一种情况进行验证的时间复杂度为O(n)。空间复杂度为O(22n * n)。

Approach 3 Backtracking

针对上一种算法,如果将左右括号的数量记录下来,就能够在追加新的括号的时候加以判断,保证每个追加加的括号都是合理的。

class Solution {
    public List<String> generateParenthesis(int n) {
	List<String> ans = new ArrayList();
	backtrack(ans, "", 0, 0, n);
	return ans;
    }

    public void backtrack(List<String> ans, String cur, int open, int close, int max){
	if (str.length() == max * 2) {
	    ans.add(cur);
	    return;
	}
	if (open < max)
	    backtrack(ans, cur+"(", open+1, close, max);
	if (close < open)
	    backtrack(ans, cur+")", open, close+1, max);
    }
}

时间复杂度和时间复杂度均为O(4n / sqrt(n)),这个算法的时杂度分析与结果的数量有关,结果的数量是n阶Catalan numbers序列,具体可以参考 这里

Approach 4 Closure Number

这个解法也来自于leetcode的solution解析,它在形式上与我的 approach 1 十分相似,但是这里的组合方式能够保证不包含重复的结果,这个规律找的更加有技巧性。

class Solution {
    public List<String> generateParenthesis(int n) {
	List<String> ans = new ArrayList();
	if (n == 0) {
	    ans.add("");
	}
	else {
	    for (int c = 0; c < n; ++c)
		for (String left: generateParenthesis(c))
		    for (String right: generateParenthesis(n-1-c))
			ans.add("(" + left + ")" + right);
	}
	return ans;
    }
}

这个算法也不会产生多余的结果,所以分析过程与 approach 3 相同。

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