回溯法经典练习：组合总和的深度解析与实战

回溯法经典练习：组合总和的深度解析与实战

引言

在算法世界里，回溯法（Backtracking）是解决 组合、排列、子集 等问题的神器。而 “组合总和”（Combination Sum） 问题，更是回溯算法中的经典代表，几乎是算法面试中的常客。

今天，我就带大家从 直觉理解 到 代码实战，深入解析回溯法如何求解 组合总和，并给出代码详解，带你彻底吃透这个问题！

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1. 题目解析

🔹 题目描述

给定一个 无重复元素 的正整数数组 candidates，以及一个目标值 target，找到所有可以使数字和为 target 的 唯一组合。

要求：

• 同一个数字可以被无限次使用，但组合的顺序不影响结果（即 {2,2,3} 和 {3,2,2} 视为相同组合）。
• 结果集不能包含重复的组合。

示例：

输入: candidates = [2,3,6,7], target = 7
输出: [[2,2,3],[7]]
解释: 2+2+3 = 7, 7 = 7，因此答案是 [[2,2,3],[7]]

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2. 直觉思考

这个问题的求解方式，可以类比 爬楼梯：

• 每次选择一个数（例如 2 或 3 或 6 或 7）。
• 判断当前累加和是否等于目标值 target。
• 如果超过 target，则不合法，剪枝回溯。
• 如果刚好等于 target，就加入结果集。

看到 “所有组合”、“无序”、“可以重复选择” 这些关键词，回溯法就是最佳选择！

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3. 回溯算法核心框架

回溯法的核心思路是 “递归 + 回溯 + 剪枝”，通常分为以下几个步骤：

1. 终止条件：当当前路径的总和等于 target，将其加入结果集。
2. 选择操作：从 candidates 里选择一个数，尝试加入当前路径。
3. 递归调用：累加该数后，继续探索下一个可能的组合。
4. 回溯撤销选择：探索完该路径后，撤销最后一个选择，回溯到上一步继续尝试其他数。

回溯法的框架：

def backtrack(路径, 选择列表):
    if 满足结束条件:
        记录结果
        return
    for 选择 in 选择列表:
        做选择
        backtrack(路径, 选择列表)  # 递归
        撤销选择  # 回溯

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4. 代码实战

🔹 Python 代码

from typing import List

def combinationSum(candidates: List[int], target: int) -> List[List[int]]:
    res = []  # 结果集

    def backtrack(start, path, total):
        # 递归终止条件：找到一个满足条件的组合
        if total == target:
            res.append(path[:])  # 注意要拷贝 path
            return
        # 遍历候选数组
        for i in range(start, len(candidates)):
            num = candidates[i]
            # 剪枝：如果 total + num 超过 target，则不再继续
            if total + num > target:
                continue
            # 选择当前数字，递归
            path.append(num)
            backtrack(i, path, total + num)  # 这里 `i` 而不是 `i+1`，因为允许重复选择
            path.pop()  # 回溯，撤销选择

    # 从索引 0 开始搜索
    backtrack(0, [], 0)
    return res

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5. 代码详解

🔸 递归逻辑

• backtrack(start, path, total)
  • start：控制递归深度，避免重复选择前面的数。
  • path：记录当前的组合路径。
  • total：当前路径的累加和。

🔸 关键点

1. 循环遍历 candidates：
   • 从 start 位置开始，避免重复使用已选过的数。
   • 允许重复选择 candidates[i]，所以 backtrack(i, ...) 而不是 backtrack(i+1, ...)。
2. 剪枝优化：
   • 当 total + num > target 时，提前终止递归，避免不必要的计算。
3. 回溯撤销选择：
   • 递归完一个分支后，撤销 path.append(num) 的选择，继续尝试其他数。

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6. 测试代码

candidates = [2, 3, 6, 7]
target = 7
print(combinationSum(candidates, target))

输出结果：

[[2, 2, 3], [7]]

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7. 复杂度分析

假设 candidates 长度为 N，目标值 target：

• 最坏情况下，回溯的搜索树是一个 N 叉树，高度为 target/min(candidates)。
• 时间复杂度 近似为 O(2^N)（指数级）。
• 空间复杂度 近似 O(N)（递归栈空间 + 结果集存储）。

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8. 进阶优化

🔹 剪枝优化

在搜索前 先对 candidates 排序，一旦发现 total + num > target，就可以提前停止当前分支，减少不必要的递归：

candidates.sort()  # 先排序，提高剪枝效率

🔹 记忆化搜索

如果 candidates 很多，可以用 字典（哈希表） 存储 target 计算结果，避免重复计算。

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9. 结语

回溯法是组合问题的利器，而 “组合总和” 这个问题，是典型的 递归 + 剪枝 题目，掌握它，你就能轻松应对类似的算法题。

🔹 复习总结

1. 回溯三步走：选择 -> 递归 -> 回溯。
2. 通过 start 参数避免重复，i 位置不变以允许重复选取数字。
3. 剪枝优化：如果 total + num > target，则立即跳过。
4. 理解递归树的结构，有助于更好地 Debug。