数据结构之二叉树 Python实现

2023-05-16

树是一种非线性的数据结构。树,它是若干结点的集合,是由唯一的根和若个棵互不相交的子树组成的。其中,每一棵子树又是一棵树,也是由唯一的根结点和若干棵互不相交的子树组成的。由此可知,树的定义是递归的,即在树的定义中又用到了树的定义。要注意的是,树的结点数目可以为0,当为0时,这棵树称为一棵空树,这是一种特殊情况。

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树的基本术语

  • 结点:A、B、C等都是结点,结点不仅包含数据元素,而且包含指向子树的分支。例如,A结点不仅包含数据元素A,而且包含3个指向子树的指针。
  • 结点的度:结点拥有的子树个数或者分支的个数。例如,A结点有3棵子树,所以A结点的度为3。
  • 树的度:树中各结点度的最大值。如例子中结点度最大为3(A、D结点),最小为0(F、G、I、J 、K、L、M结点),所以树的度为3。
  • 叶子结点:又叫作终端结点,指度为0的结点,如F、G,I、J、K、L、M结点都是叶子结点
  • 非终端结点:又叫作分支结点,指度不为0的结点,如A、B、C、D、E,H结点都是非终端结点。除了根结点之外的非终端结点,也叫作内部结点,如B、C、D、E、H结点都是内部结点。
  • 孩子:结点的子树的根,如A结点的孩子为B、C、D。
  • 双亲:与孩子的定义对应,如B,C、D结点的双亲都是A
  • 兄弟:同一个双亲的孩子之间互为兄弟。如B、C、D互为兄弟,因为它们都是A结点的孩子。
  • 祖先:从根到某结点的路径上的所有结点,都是这个结点的祖先。如K的祖先是A,B,E,因为从A到K的路径为A-B-E-K。
  • 子孙:以某结点为根的子树中的所有结点,都是该结点的子孙。如D的子孙为H、I、J、M。
  • 层次:从根开始,根为第一层,根的孩子为第二层,根的孩子的孩子为第三层,以此类推。
  • 树的高度(或者深度),树中结点的最大层次——如例子中的树共有4层,所以高度为4。
  • 结点的深度和高度:
    1)结点的深度是从根结到该结点路径上的结点个数。
    2)从某结点往下走可能到达多个叶子结点,对应了多条通往这些叶子结点的路径,其中最长的那条路径的长度即为该结点在树中的高度,如结点D的高度为3、就是从D到M的路径长度
    3)根结点的高度为树的高度,如结点A,其高度为4,是从A到K(L,M)这条路径的长度,也是整棵树的高度。
  • 堂兄弟:双亲在同一层的结点互为堂兄弟。如G和H互为堂兄弟,因为G的双亲是C,H的双亲是D。C和D在同一层上,注意和兄弟的概念的区分。
  • 有序树:树中结点的子树从左到右是有次序的,不能交换,这样的树叫作有序树。
  • 无序树:树中结点的子树没有顺序,可以任意交换,这样的树叫作无序树。
  • 丰满树:丰满树即理想平衡树,要求除最底层外,其他层都是满的。
  • 森林:若干棵互丕相交的树的集合。例于中如果把根A去掉,剩下的3棵子树互不相交,它们组成一个森林。

树的存储结构

  • 顺序存储——适用于满二叉树或完全二叉树
  • 链式存储

树的性质

1)总结点数等于总分支数加1。
2) m m m叉树第i层上最多有 m i − 1 m^{i-1} mi1个结点 ( i ≥ 1 ) (i\geq1) i1
3)高为 h h h m m m叉树至多有 ( m h − 1 ) / ( m − 1 ) (m^{h}-1)/(m-1) (mh1)/(m1)个结点,即满 m m m叉树前 h h h层有 ( m h − 1 ) / ( m − 1 ) (m^{h}-1)/(m-1) (mh1)/(m1)个结点。
4)具有 n n n个结点“ m m m叉树最小高度”或“完全 m m m叉树的高度”为 ⌈ log ⁡ m [ n ( m − 1 ) + 1 ] ⌉ \lceil {\log_m{[n(m-1)+1]}}\rceil logm[n(m1)+1]

二叉树的定义

1)每个结点最多只有两个子树,即二叉树中结点的度只能为0,1,2。
2)子树有左右顺序之分,不能颠倒。
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  • 满二叉树:在一棵二叉树中,如果所有的分支结点都有左孩子和右孩子结点,并且叶子结点都集中在二叉树的最下一层,则这样的二义树称为满二叉树。
  • 完全二叉树:对满二叉树进行编号,约定编号从1开始,从上到下,自左至右进行。如果对一个深度为k,有n个结点的二叉树进行编号后,各结点的编号与深度为k的满二叉树中相同位置上的结点的编号均相同,那么这棵二叉树就是一棵完全二叉树。

二叉树性质

1)总结点数等于总分支数加1。
2)二叉树第 i i i 层上最多有 2 i − 1 2^{i-1} 2i1个结点(i>=1)。
3)高为 h h h 的二叉树至多有 2 h − 1 2^{h}-1 2h1个结点,即满二叉树前 h h h 层有 2 h − 1 2^{h}-1 2h1个结点。
4)具有 n n n 个结点“二叉树最小高度”或“完全二叉树的高度”为 ⌈ log ⁡ 2 ( n + 1 ) ⌉ \lceil {\log_2{(n+1)}}\rceil log2(n+1)
5)有 n n n 个结点的完全二叉树,对各结点从上到下,从左到右依次编号为(1~n),则第 i i i 号结点:
父节点 ⌊ i / 2 ⌋ \lfloor i/2\rfloor i/2,左孩子 2 i 2i 2i,右孩子 2 i + 1 2i+1 2i+1,所在层次 ⌈ log ⁡ 2 ( i + 1 ) ⌉ \lceil {\log_2{(i+1)}}\rceil log2(i+1)
若从零开始编号,则第 i i i 号结点:父节点 ⌊ ( i − 1 ) / 2 ⌋ \lfloor (i-1)/2\rfloor (i1)/2,左孩子 2 i + 1 2i+1 2i+1,右孩子 2 i + 2 2i+2 2i+2,所在层次 ⌈ log ⁡ 2 ( i + 2 ) ⌉ \lceil {\log_2{(i+2)}}\rceil log2(i+2)

二叉树代码实现

二叉树节点结构定义

class TreeNode():
    def __init__(self,data,left=None,right=None):
        self.data = data
        self.left = left
        self.right = right

二叉树的插入(建立)

下面的代码以节点插入的方式,建立了一棵如图所示的二叉树
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class TreeNode():
    def __init__(self,data,left=None,right=None):
        self.data = data
        self.left = left
        self.right = right

    def insertLeft(self,newNode):
        if self.left == None:
            self.left = TreeNode(newNode)
        else :
            return False

    def insertRight(self,newNode):
        if self.right == None:
            self.right = TreeNode(newNode)
        else :
            return False

    def moverightchild(self):
        return self.right

    def moveleftchild(self):
        return self.left

    def getRightchild(self):
        if self.right != None:
            return self.right.data
        else:
            return None

    def getLeftchild(self):
        if self.left != None:
            return self.left.data
        else:
            return None

    def getrootvalue(self):
        return self.data

r = TreeNode('a')
r.insertLeft('b')
r.insertRight('g')
k = r.moveleftchild()
k.insertLeft('c')
k.insertRight('d')
m = k.moverightchild()
m.insertLeft('e')
m.insertRight('f')
w = r.moverightchild()
w.insertLeft('h')

print(r.getrootvalue())
print(r.getLeftchild())
print(r.getRightchild())
print(k.getrootvalue())
print(k.getLeftchild())
print(k.getRightchild())
print(m.getrootvalue())
print(m.getLeftchild())
print(m.getRightchild())
print(w.getrootvalue())
print(w.getLeftchild())
print(w.getRightchild())

二叉树的遍历

先序遍历

递归方式:

def preOrderTravel(p):
    if p != None:
        print(p.data) #visit p
        preOrderTravel(p.left)
        preOrderTravel(p.right)

以上面建立的二叉树为例,先序遍历,查看结果

print("pre order is:")
preOrderTravel(r)
pre order is:
a
b
c
d
e
f
g
h

中序遍历

递归方式:

def inOrderTravel(p):
    if p != None:
        inOrderTravel(p.left)
        print(p.data)  # visit p
        inOrderTravel(p.right)

同样以上面建立的二叉树为例,中序遍历,查看结果

print("in order is:")
inOrderTravel(r)
in order is:
c
b
e
d
f
a
h
g

后序遍历

递归方式

def postOrderTravel(p):
    if p != None:
        postOrderTravel(p.left)
        postOrderTravel(p.right)
        print(p.data)  # visit p

同样以上面建立的二叉树为例,后序遍历,查看结果

print("post order is:")
postOrderTravel(r)
post order is:
c
e
f
d
b
h
g
a

层次遍历

def levelTravel(p):
    queue = []
    if p != None:
        queue.append(p)
        while queue:
            node = queue.pop(0)
            print(node.data)
            if node.left != None:
                queue.append(node.left)
            if node.right != None:
                queue.append(node.right)

同样以上面建立的二叉树为例,层次遍历,查看结果

print('level order is:')
levelTravel(r)
level order is:
a
b
g
c
d
h
e
f
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