Бинарное дерево. Основные определения и понятия. Бинарный поиск по дереву. Формирование бинарного дерева этим методом
Бинарное (двоичное) дерево (binary tree) – древовидная структура данных, в которой каждый узел имеет не более двух потомков (детей). Бинарное дерево [др. источник] – это упорядоченное дерево, каждая вершина которого имеет не более двух поддеревьев, причем для каждого узла выполняется правило: в левом поддереве содержатся только ключи, имеющие значения, меньшие, чем значение данного узла, а в правом поддереве содержатся только ключи, имеющие значения, большие, чем значение данного узла. Бинарное дерево является рекурсивной структурой, поскольку каждое его поддерево само является бинарным деревом и, следовательно, каждый его узел в свою очередь является корнем дерева. Узел дерева, не имеющий потомков, называется листом. То есть двоичное дерево либо является пустым, либо состоит из данных и двух поддеревьев (каждое из которых может быть пустым). Очевидным, но важным для понимания фактом является то, что каждое поддерево в свою очередь тоже является деревом. К
- Двоичное дерево состоит из узлов (вершин) — записей вида (data, left, right), где data — некоторые данные привязанные к узлу, left и right — ссылки на потомков.
- Данные (data) обладают ключом (key) на котором определена операция сравнения «меньше«. В конкретных реализациях это может быть пара (key, value).
- Для любого узла X выполняются свойства дерева поиска:
key[left[X]] < key[X] ≤ key[right[X]], т. е. ключи данных родительского узла больше ключей данных левого сына и нестрого меньше ключей данных правого. Основные операции в двоичном дереве поиска: FIND(K) — поиск узла, в котором хранится пара (key, value) с key = K. INSERT(K,V) — добавление в дерево пары (key, value) = (K, V). REMOVE(K) — удаление узла, в котором хранится пара (key, value) с key = K.
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Источник
Высота и глубина бинарного дерева
Эта статья направлена на то, чтобы провести различие между двумя свойствами бинарных деревьев, называемыми высотой и глубиной. В соответствии с терминологией бинарного дерева ниже приведены определения высоты и глубины бинарного дерева.
Высота. Высота бинарного дерева — это количество ребер на самом длинном пути от корневого узла до самого дальнего конечного узла.
Глубина. Глубина бинарного дерева — это количество узлов на самом длинном пути от корневого узла до самого дальнего конечного узла.
Несколько терминов бинарного дерева
Пустое дерево имеет высоту -1
Дерево только с одним узлом (корневым узлом) имеет высоту 0.
Давайте рассмотрим несколько примеров бинарного дерева, чтобы прояснить разницу.
Давайте посчитаем высоту Дерева 1, Дерева 2, Дерева 3 и Дерева 4
Дерево 1: мы отслеживаем узлы 50–70–60–55, что дает 3 ребра между узлами, следовательно, высота равна 3
Дерево 2: мы отслеживаем узлы 15–20–25, что дает 2 ребра между узлами, следовательно, высота равна 2
Дерево 3: мы отслеживаем узлы 14–15–18–21–25–45, что дает 5 ребер между узлами, следовательно, высота равна 5
Дерево 4: мы отслеживаем узлы 12–14–18–16, что дает 3 ребра между узлами, следовательно, высота равна 3
Давайте посчитаем глубину дерева 1, дерева 2, дерева 3 и дерева 4
Дерево 1: мы считаем узлы 50–70–60–55, что дает 4 узла, следовательно, глубина равна 4.
Дерево 2: мы отслеживаем узлы 15–20–25, что дает 3 узла, следовательно, глубина равна 3
Дерево 3: мы отслеживаем узлы 14–15–18–21–25–45, что дает 6 узлов, следовательно, глубина равна 6
Дерево 4: мы отслеживаем узлы 12–14–18–16, что дает 4 узла, следовательно, глубина равна 4
Давайте посмотрим на приведенный ниже фрагмент кода для определения высоты и глубины двоичного дерева.
Предположим, мы построили деревья от 1 до 4.
public class HeightDepthBST < Node root; int height (Node node) < if (node == null) return 0; else if (node.left == null && node.right == null) return 0; return 1 + Math.max (height(node.left), height(node.right)); > int depth (Node node) < if (node == null) return 0; int left = depth (node.left); int right = depth (node.right); return (left > right) ? left+1 : right+1; > public static void main(String[] args) < HeightDepthBST a = new HeightDepthBST(); a.root = a.createBST(); System.out.println("Height "+height(a.root)); System.out.println("Depth "+depth(a.root)); > Node createBST() < // Tree 4 in above root = null; root = add (root, 12); root = add (root, 6); root = add (root, 5); root = add (root, 8); root = add (root, 7); root = add (root, 9); root = add (root, 14); root = add (root, 18); root = add (root, 16); return root; > Node add (Node node, int data) < if (null == node) return new Node (data); else if (data < node.data) node.left = add (node.left, data); else if (data > node.data) node.right = add (node.right, data); return node; > > class Node < int data; Node left, right; Node (int data) < this.data=data; > > Временная сложность кода height() и depth() составляет O(N).
Вывод
В этой статье мы проследили 2 важных свойства бинарного дерева, а именно высоту и глубину. Мы посетили код, чтобы вычислить их. Мы также увидели, в чем разница между ними с точки зрения дерева.
Источник
Деревья поиска
Дерево — одна из наиболее распространенных структур данных в программировании.
Деревья состоят из набора вершин (узлов, нод) и ориентированных рёбер (ссылок) между ними. Вершины связаны таким образом, что от какой-то одной вершины, называемой корневой (вершина 8 на рисунке), можно дойти до всех остальных единственным способом.
- Родитель вершины $v$ — вершина, из которой есть прямая ссылка в $v$.
- Дети (дочерние элементы, сын, дочь) вершины $v$ — вершины, в которые из $v$ есть прямая ссылка.
- Предки — родители родителей, их родители, и так далее.
- Потомки — дети детей, их дети, и так далее.
- Лист (терминальная вершина) — вершина, не имеющая детей.
- Поддерево — вершина дерева вместе со всеми её потомками.
- Степень вершины — количество её детей.
- Глубина вершины — расстояние от корня до неё.
- Высота дерева — максимальная из глубин всех вершин.
Деревья чаще всего представляются в памяти как динамически создаваемые структуры с явными указателями на своих детей, либо как элементы массива связанные отношениями, неявно определёнными их позициями в массиве.
Деревья также используются в контексте графов.
Бинарные деревья поиска
Бинарное дерево поиска (англ. binary search tree, BST) — дерево, для которого выполняются следующие свойства:
- У каждой вершины не более двух детей.
- Все вершины обладают ключами, на которых определена операция сравнения (например, целые числа или строки).
- У всех вершин левого поддерева вершины $v$ ключи не больше, чем ключ $v$.
- У всех вершин правого поддерева вершины $v$ ключи больше, чем ключ $v$.
- Оба поддерева — левое и правое — являются двоичными деревьями поиска.
Более общим понятием являются обычные (не бинарные) деревья поиска — в них количество детей может быть больше двух, и при этом в «более левых» поддеревьях ключи должны быть меньше, чем «более правых». Пока что мы сконцентрируемся только на двоичных, потому что они проще.
Чаще всего бинарные деревья поиска хранят в виде структур — по одной на каждую вершину — в которых записаны ссылки (возможно, пустые) на правого и левого сына, ключ и, возможно, какие-то дополнительные данные.
Как можно понять по названию, основное преимущество бинарных деревьев поиска в том, что в них можно легко производить поиск элементов:
Эта функция — как и многие другие основные, например, вставка или удаление элементов — работает в худшем случае за высоту дерева. Высота бинарного дерева в худшем случае может быть $O(n)$ («бамбук»), поэтому в эффективных реализациях поддерживаются некоторые инварианты, гарантирующую среднюю глубину вершины $O(\log n)$ и соответствующую стоимость основных операций. Такие деревья называются сбалансированными.
Источник