括号生成

题目要求:

给出 n 代表生成括号的对数,请你写出一个函数,使其能够生成所有可能的并且有效的括号组合。

例如,给出 = 3,生成结果为:

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

思路:

因为题目给出了一个整数n,要求生成所有可能有效的括号组合,所以考虑递归的不断去找各种可能。

递归的话我们首先考虑它的退出条件:

定义两个变量start和end分别代表左括号剩余个数和右括号剩余个数

首先让start和end分别等于n,每加一个括号就减一操作,直到start和end等于0,然后将该字符串加入list中,最后遍历即可

考虑特殊条件:

因为题目告诉有效组合为"( )",就是左括号有相应的右括号去对应它,所以当出现剩余左括号个数大于剩余右括号个数时,直接return

代码:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class TestDemo01 {

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		List <String>lists=generateParenthesis(3);
		for(String list:lists)
		{
			System.out.println(list);
		}
	}
public static List<String> generateParenthesis(int n) {
       List list=new ArrayList(); 
       digui(n,n,list,"");
       return list;
    }
public static void digui(int start,int end,List list,String s)
{
	if(start>end)
	{
		return;
	}
	if(start>0)
	{
		digui(start-1,end,list,s+"(");
	}
	if(end>0)
	{
		digui(start,end-1,list,s+")");
	}
	if(start==0&&end==0)
	{
		list.add(s);
		return;
	}
}
}

 

### 括号生成问题的时间复杂度分析 括号生成问题是典型的组合枚举类问题,其目标是在给定整数 `n` 的情况下,生成所有可能的有效括号序列。有效括号序列是指左括号和右括号的数量相等,并且任何前缀中的左括号数量都不小于右括号数量。 #### 时间复杂度的理论基础 在解决此类问题时,通常采用 **回溯法** 或 **动态规划** 来实现。无论是哪种方法,都需要遍历所有的合法括号排列情况。因此,时间复杂度主要取决于有效的括号排列总数,即卡特兰数 \( C_n \)[^1]。 卡特兰数 \( C_n \) 表达式如下: \[ C_n = \frac{1}{n+1} {2n \choose n} \] 其中,\( {2n \choose n} \) 是二项式系数,表示从 \( 2n \) 中选取 \( n \) 的方式数目。随着 \( n \) 增加,卡特兰数的增长速度非常快,具体增长率为指数级 \( O(4^n / (n^{3/2})) \)[^2]。 #### 回溯法的时间复杂度 对于基于回溯的方法,在最坏的情况下会尝试构建每一个长度为 \( 2n \) 的字符串并验证其合法性。然而,通过剪枝操作可以显著减少不必要的分支探索。尽管如此,总的路径数仍然接近于卡特兰数 \( C_n \),因为每一条合法路径都会被完全展开一次[^4]。 每次递归调用涉及常量级别的工作(判断剩余左右括号数量以及追加字符到当前字符串上)。因此,总的操作次数大致等于所有合法括号序列乘以其平均长度 \( 2n \): \[ T(n) ≈ C_n × 2n = O(\frac{(4^n)}{\sqrt{n}}) \] 这表明即使经过优化后的回溯算法仍具有较高的渐近复杂度。 #### 动态规划的时间复杂度 如果使用动态规划来求解此问题,则状态转移方程的设计至关重要。假设我们定义 dp[i][j] 表示当已放置 i 对完整的括号对并且还有 j 个未匹配的左括号待闭合时的状态集合大小。那么整个 DP 过程实际上对应着一个 DAG 图形上的节点访问过程[^3]。 在这种情形下,实际计算所需步数同样受到上述提到过的卡特兰数约束影响;但由于避免重复子问题求解的缘故,理论上可能会稍微优于单纯依靠暴力搜索的方式完成任务所需的资源消耗水平。 综上所述,无论采取何种策略解决问题,最终得出结论均为: **括号生成问题的时间复杂度大约为 \( O(C_n) \), 即约等于 \( O(4^n/\sqrt{n}) \)** [^1]. ```python def generateParenthesis(n): result = [] def backtrack(s='', left=0, right=0): if len(s) == 2 * n: result.append(s) return if left < n: backtrack(s+'(', left+1, right) if right < left: backtrack(s+')', left, right+1) backtrack() return result ```
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