Динамические структуры данных: бинарные деревья
Аннотация: В лекции рассматриваются определения, свойства и виды деревьев, элементы, характеристики и способы объявления деревьев в программах, основные операции над элементами деревьев, понятие и виды обходов деревьев, приводятся примеры реализации основных операций над бинарными деревьями в виде рекурсивных функций.
Цель лекции: изучить понятие, формирование, особенности доступа к данным и работы с памятью в бинарных деревьях, научиться решать задачи с использованием рекурсивных функций и алгоритмов обхода бинарных деревьев в языке C++.
Дерево является одним из важнейших и интересных частных случаев графа. Древовидная модель оказывается довольно эффективной для представления динамических данных с целью быстрого поиска информации .
Деревья являются одними из наиболее широко распространенных структур данных в информатике и программировании, которые представляют собой иерархические структуры в виде набора связанных узлов.
Дерево – это структура данных , представляющая собой совокупность элементов и отношений, образующих иерархическую структуру этих элементов ( рис. 31.1). Каждый элемент дерева называется вершиной (узлом) дерева. Вершины дерева соединены направленными дугами, которые называют ветвями дерева. Начальный узел дерева называют корнем дерева, ему соответствует нулевой уровень. Листьями дерева называют вершины, в которые входит одна ветвь и не выходит ни одной ветви.
Каждое дерево обладает следующими свойствами:
- существует узел, в который не входит ни одной дуги (корень);
- в каждую вершину, кроме корня, входит одна дуга.
Деревья особенно часто используют на практике при изображении различных иерархий. Например, популярны генеалогические деревья.
Все вершины, в которые входят ветви, исходящие из одной общей вершины, называются потомками, а сама вершина – предком. Для каждого предка может быть выделено несколько. Уровень потомка на единицу превосходит уровень его предка. Корень дерева не имеет предка, а листья дерева не имеют потомков.
Высота (глубина) дерева определяется количеством уровней, на которых располагаются его вершины. Высота пустого дерева равна нулю, высота дерева из одного корня – единице. На первом уровне дерева может быть только одна вершина – корень дерева , на втором – потомки корня дерева, на третьем – потомки потомков корня дерева и т.д.
Поддерево – часть древообразной структуры данных, которая может быть представлена в виде отдельного дерева.
Степенью вершины в дереве называется количество дуг, которое из нее выходит. Степень дерева равна максимальной степени вершины, входящей в дерево . При этом листьями в дереве являются вершины, имеющие степень нуль. По величине степени дерева различают два типа деревьев:
Упорядоченное дерево – это дерево , у которого ветви, исходящие из каждой вершины, упорядочены по определенному критерию.
Деревья являются рекурсивными структурами, так как каждое поддерево также является деревом. Таким образом, дерево можно определить как рекурсивную структуру, в которой каждый элемент является:
Действия с рекурсивными структурами удобнее всего описываются с помощью рекурсивных алгоритмов.
Списочное представление деревьев основано на элементах, соответствующих вершинам дерева. Каждый элемент имеет поле данных и два поля указателей: указатель на начало списка потомков вершины и указатель на следующий элемент в списке потомков текущего уровня. При таком способе представления дерева обязательно следует сохранять указатель на вершину, являющуюся корнем дерева .
Для того, чтобы выполнить определенную операцию над всеми вершинами дерева необходимо все его вершины просмотреть. Такая задача называется обходом дерева.
Обход дерева – это упорядоченная последовательность вершин дерева, в которой каждая вершина встречается только один раз.
При обходе все вершины дерева должны посещаться в определенном порядке. Существует несколько способов обхода всех вершин дерева. Выделим три наиболее часто используемых способа обхода дерева ( рис. 31.2):
Существует большое многообразие древовидных структур данных. Выделим самые распространенные из них: бинарные (двоичные) деревья, красно-черные деревья, В-деревья, АВЛ-деревья , матричные деревья, смешанные деревья и т.д.
Бинарные деревья
Бинарные деревья являются деревьями со степенью не более двух.
Бинарное (двоичное) дерево – это динамическая структура данных , представляющее собой дерево , в котором каждая вершина имеет не более двух потомков ( рис. 31.3). Таким образом, бинарное дерево состоит из элементов, каждый из которых содержит информационное поле и не более двух ссылок на различные бинарные поддеревья. На каждый элемент дерева имеется ровно одна ссылка .
Каждая вершина бинарного дерева является структурой, состоящей из четырех видов полей. Содержимым этих полей будут соответственно:
- информационное поле (ключ вершины);
- служебное поле (их может быть несколько или ни одного);
- указатель на левое поддерево ;
- указатель на правое поддерево .
По степени вершин бинарные деревья делятся на ( рис. 31.4):
- строгие – вершины дерева имеют степень ноль (у листьев) или два (у узлов);
- нестрогие – вершины дерева имеют степень ноль (у листьев), один или два (у узлов).
В общем случае у бинарного дерева на k -м уровне может быть до 2 k-1 вершин. Бинарное дерево называется полным, если оно содержит только полностью заполненные уровни. В противном случае оно является неполным.
Дерево называется сбалансированным, если длины всех путей от корня к внешним вершинам равны между собой. Дерево называется почти сбалансированным, если длины всевозможных путей от корня к внешним вершинам отличаются не более, чем на единицу.
Бинарное дерево может представлять собой пустое множество . Бинарное дерево может выродиться в список ( рис. 31.5).
Структура дерева отражается во входном потоке данных так: каждой вводимой пустой связи соответствует условный символ, например, ‘*’ (звездочка). При этом сначала описываются левые потомки, затем, правые. Для структуры бинарного дерева , представленного на следующем рисунке 6, входной поток имеет вид: ABD*G***CE**FH**J** .
Бинарные деревья могут применяться для поиска данных в специально построенных деревьях ( базы данных ), сортировки данных, вычислений арифметических выражений , кодирования (метод Хаффмана) и т.д.
Источник
3.3. Бинарные деревья
3.3.1. Определение. Представления бинарных деревьев
Бинарное (двоичное) дерево — особый вид дерева, в котором каждый узел имеет не более двух поддеревьев, причем в случае одного поддерева следует различать левое и правое поддерево. При изображении бинарных деревьев левого и правого сына различают по наклону соединительной линии (влево или вправо). На рис.3.4 показаны два различных бинарных дерева. Интересно отметить, что если рассматривать данные структуры как обычные упорядоченные деревья, то они являются полностью идентичными (в упорядоченном дереве единственный сын всегда первый, т. е. левый потомок). Это говорит о том, что бинарные деревья не являются частным случаем упорядоченого дерева, а представляют собой особый вид деревьев.
Рис.3.5. Два различных бинарных дерева
Приведем формальное рекурсивное определение бинарного дерева [8].
Бинарное дерево — конечное множество узлов, которое является пустым или состоит из корня и двух непересекающихся бинарных деревьев, которые называются левым и правым поддеревьями данного корня.
Обратим внимание на то, что бинарное дерево может быть пустым, в отличие от обычного дерева, которое всегда содержит хотя бы один узел (однако лес может быть пустым).
Бинарное дерево может быть представлено и в форме скобочного выражения. Аналогично обычному корневому дереву, для бинарного дерева также возможен различный порядок перечисления узлов в скобочном представлении. Например, левое скобочное представление непустого бинарного дерева рекурсивно определяется так:
Иногда при записи левое и правое поддерево разделяют запятыми, но чаще пробелом.
Левое или правое поддерево или оба вместе (для листьев) могут быть пустыми, при этом для пустых деревьев часто используется специальное обозначение . Чтобы сократить запись, в ней разрешается опустить правое поддерево, если оно пустое, а для листьев опустить оба пустых поддерева (но нельзя опускать пустое левое поддерево, иначе по такой записи нельзя будет правильно восстановить изображение бинарного дерева!). Так, деревьям, изображенным на рис.3.5, соответствуют различные левые скобочные записи в сокращенной форме:
Бинарные деревья, у которых все узлы, кроме листьев, имеют сторого по два сына, называются строго бинарными. Деревья, изображенные на рис. 3.5, не являются строго бинарными.
3.3.2. Математические свойства бинарных деревьев
Бинарные деревья, как абстрактные математические объекты, обладают рядом интересных свойств, которые могут пригодиться при анализе различных алгоритмов, поэтому остановимся подробнее на этом вопросе.
На любом уровне n бинарное дерево может содержать от 1 до 2 n узлов. Число узлов, приходящееся на уровень, является показателем плотности дерева. На рис. 3.6 дерево А содержит 8 узлов при высоте 3, в то время как дерево B содержит 5 узлов при высоте 4.
Последний случай является особой формой, называемой вырожденным (degenerate) деревом, у которого есть единственный лист (e) и каждый внутренний узел имеет только одного сына. Вырожденное дерево можно считать аналогом линейного связного списка, его высота равна количеству узлов без единицы. Это максимально возможное значение для высоты бинарного дерева. В большинстве алгоритмов, использующих бинарные деревья, вырожденное дерево — наихудший случай при оценке производительности.
Рис.3.6. Бинарные деревья различной плотности
Наоборот, деревья с большой плотностью очень важны в качестве структур данных, так как они содержат пропорционально больше элементов вблизи корня, т.е. с более короткими путями от корня.
Наивысшей степенью плотности обладают полные бинарные деревья, которые имеют 2 k узов на каждом уровне k.
Рис.3.7. Полное и почти полное бинарные деревья
На рис. 3.7, а показано полное бинарное дерево высоты два. Обратим внимание на такие факты.
На нулевом уровне имеется 2 0 узлов, на первом — 2 1 , на втором — 2 2 и т.д. На первых k-1 уровнях количество узлов составляет
1 + 2 + 4 + . + 2 k-1 = 2 k -1
На уровне k количество узлов 2 k , т. е. ровно на один больше.
Из этого следует, что в полном бинарном дереве количество внутренних узлов на единицу меньше количества листьев. Зная количество листьев, легко определить и высоту h полного бинарного дерева:
h=log 2 n, где n — количество листьев
h= log 2 (N+1)-1, где N —количество узлов полного бинарного дерева.
Для полного бинарного дерева приведенные формулы дают точное значение, сответствующее минимальному значению высоты при таком количестве узлов. Если количество узлов дерева такое, что невозможно построить полное бинарное дерево, для получения бинарного дерева минимально возможной высоты необходимо заполнять все уровни дерева, кроме последнего, максимально возможным количеством узлов. Если оставшиеся узлы располагать на последнем уровне по порядку, начиная слева, то полученное таким образом бинарное дерево называют почти полным. На рис. 3.7, б изображено пости полное бинарное дерево.
Полные и почти полные бинарные деревья обладают еще одним интересным свойством — если их узлы нумеровать, начиная с единицы, сверху вниз и слева направо, то левому сыну всегда будет соответствовать код, в два раза больше кода его родителя, а правому сыну — код, на единицу больший, чем код код левого сына (рис.3.8). Номер корня всегда равен 1, его левый потомок получает номер 2, правый — номер 3. Левый потомок узла 2 получит номер 4, а правый — 5, левый потомок узла 3 получит номер 6, правый — 7 и т.д. Такая схема нумерации используется при представлении деревьев с помощью массивов. К этой теме мы еще вернемся.
Рис.3.8. Нумерация узлов полного или почти полного бинарного дерева
По такой схеме можно нумеровать и узлы бинарных деревьев, которые не являются почти полными, поскольку в этом случае гарантируется уникальность каждого номера, если в процессе работы к дереву добавляются новые листья. Используя такой способ нумерации, можно реализовать древовидную структуру на основе массива. Такая реализация будет приведена в главе 4.
После анализа основных свойств бинарных деревьев можно снова вернуться к упорядоченным деревьям и лесам и проанализировать соответствие между этими структурами и бинарным деревом.
Источник