二叉树笔记

2023-05-16

二叉树

二叉搜索(排序、查找)树

二叉查找树(Binary Search Tree),(又:二叉搜索树,二叉排序树)它或者是一棵空树,或者是具有下列性质的二叉树: 若它的左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值; 若它的右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值; 它的左、右子树也分别为二叉排序树。二叉搜索树作为一种经典的数据结构,它既有链表的快速插入与删除操作的特点,又有数组快速查找的优势;所以应用十分广泛,例如在文件系统和数据库系统一般会采用这种数据结构进行高效率的排序与检索操作。

二叉搜索树是能够高效地进行如下操作的数据结构。
1.插入一个数值
2.查询是否包含某个数值
3.删除某个数值 [3]

不论哪一种操作,所花的时间都和树的高度成正比。因此,如果共有n个元素,那么平均每次操作需要O(logn)的时间

二叉排序树的操作主要有:
1.查找:递归查找是否存在key。
2.插入:原树中不存在key,插入key返回true,否则返回false。
3.构造:循环的插入操作。
4.删除:(1)叶子节点:直接删除,不影响原树。
(2)仅仅有左或右子树的节点:节点删除后,将它的左子树或右子树整个移动到删除节点的位置就可以,子承父业。
(3)既有左又有右子树的节点:找到须要删除的节点p的直接前驱或者直接后继s,用s来替换节点p,然后再删除节点s。

平衡二叉树

又被称为AVL树(有别于AVL算法),且具有以下性质:它是一 棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1,并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。这个方案很好的解决了二叉查找树退化成链表的问题,把插入,查找,删除的时间复杂度最好情况和最坏情况都维持在O(logN)。但是频繁旋转会使插入和删除牺牲掉O(logN)左右的时间,不过相对二叉查找树来说,时间上稳定了很多。

平衡二叉树大部分操作和二叉查找树类似,主要不同在于插入删除的时候平衡二叉树的平衡可能被改变,并且只有从那些插入点到根结点的路径上的结点的平衡性可能被改变,因为只有这些结点的子树可能变化。

二叉堆

二叉堆是一种特殊的堆,二叉堆是完全二元树(二叉树)或者是近似完全二元树(二叉树)。二叉堆有两种:最大堆和最小堆。最大堆:父结点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值;最小堆:父结点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值。

插入节点

在数组的最末尾插入新节点。然后自下而上调整子节点与父节点(称作up-heap或bubble-up, percolate-up, sift-up, trickle up, heapify-up, cascade-up操作):比较当前节点与父节点,不满足堆性质则交换。从而使得当前子树满足二叉堆的性质。时间复杂度为O(logn)。

删除根节点

删除根节点用于堆排序。 [2]
对于最大堆,删除根节点就是删除最大值;对于最小堆,是删除最小值。然后,把堆存储的最后那个节点移到填在根节点处。再从上而下调整父节点与它的子节点:对于最大堆,父节点如果小于具有最大值的子节点,则交换二者。这一操作称作down-heap或bubble-down, percolate-down, sift-down, trickle down, heapify-down, cascade-down,extract-min/max等。直至当前节点与它的子节点满足堆性质为止。

构造二叉堆

一个直观办法是从单节点的二叉堆开始,每次插入一个节点。其时间复杂度为。
最优算法是从一个节点元素任意放置的二叉树开始,自底向上对每一个子树执行删除根节点时的Max-Heapify算法(这是对最大堆而言)使得当前子树成为一个二叉堆。具体而言,假设高度为h的子树均已完成二叉堆化,那么对于高度为h+1的子树,把其根节点沿着最大子节点的分枝做调整,最多需要h步完成二叉堆化。可以证明,这个算法的时间复杂度为O(n)。

打印二叉树

广度优先打印

主要考察点:队列的使用(简单)

  1. 特例处理: 当树的根节点为空,则直接返回空列表 [] ;
  2. 初始化: 打印结果列表 res = [] ,包含根节点的队列 queue = [root] ;
  3. BFS 循环: 当队列 queue 为空时跳出;
  4. 出队: 队首元素出队,记为 node;
  5. 打印: 将 node.val 添加至列表 tmp 尾部;
  6. 添加子节点: 若 node 的左(右)子节点不为空,则将左(右)子节点加入队列 queue ;
  7. 返回值: 返回打印结果列表 res 即可

之字形打印

主要考察点:双端队列的使用(中等)
因为奇数层的打印顺序是从左到右,偶数层的打印顺序是从右到左,可以利用STL容器deque中
push_back(),push_front(),front(),back(),pop(),pop_front()来实现
注意点:

  1. 设置一个判断奇偶层的标志位
  2. 设置一个保存每一层打印值的vector,同时也说明应该一层一层的处理
  3. 当为奇数层时,为从左到右打印,前取后放,注意放的顺序为先左节点,后右节点(因为下面一层要从右到左打印,此时应为逆序);
  4. 当为偶数层时,后取前放,放的顺序为先右再左,因为取的顺序为反的,根据负负得正可以知道,放的顺序应该为反的。
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