Высота дерева дискретная математика

Лекция № 14. Деревья

1. Основные определения

Дерево – связный граф без циклов. Лес (или ациклический граф) – неограф без циклов. Компонентами леса являются деревья. Теорема 14.1.Для неографаGсnвершинами без петель следующие условия эквивалентны:

1. G– дерево;
2. G– связной граф, содержащийn– 1 ребро;
3. G– ациклический граф, содержащийn– 1 ребро;
4. Любые две несовпадающие вершины графаGсоединяет единственная цепь;
5. G– ациклический граф, такой, что если в него добавить одно ребро, то в нем появится ровно один цикл.

Теорема 14.2.НеографGявляется лесом тогда и только тогда, когда коранг графаv(G)=0. Висячая вершина в дереве – вершина степени 1. Висячие вершины называются листьями, все остальные – внутреннимивершинами. Если в дереве особо выделена одна вершина, называемая корнем, то такое дерево называется корневым, иначе – свободным. Корневое дерево можно считать орграфом с ориентацией дуг из корня или в корень. Очевидно, что для любой вершины корневого дерева, кроме корня, . Для корня, для листьев. Вершины дерева, удаленные на расстояние k (в числе дуг) от корня, образуют k-й ярус (уровень) дерева. Наибольшее значение k называется высотой дерева. Если из какой-либо вершины корневого дерева выходят дуги, то вершины на концах этих дуг называют сыновьями (в английской литературе – дочери (daughter)).

1. Центроид дерева

Ветвь к вершине v дерева – это максимальный подграф, содержащий v в качестве висячей вершины. Вес вершиныk – наибольший размер ее ветвей. Центроид (или центр масс) дерева C – множество вершин с наименьшим весом: C = v| c(v) = >. Вес любого листа дерева равен размеру дерева. Высота дерева с корнем, расположенным в центроиде, не больше наименьшего веса его вершин. Свободное дерево порядка n с двумя центроидами имеет четное количество вершин, а вес каждого центроида равен n/2. Теорема 14.3 (Жордана).Каждое дерево имеет центроид, состоящий из одной или двух смежных вершин.Пример 14.1. Найти наименьший вес вершин дерева, изображенного на рис. 14.1, и его центроид. Рис. 14.1 Решение. Очевидно, что вес каждой висячей вершины дерева порядка n равен n – 1. Висячие вершины не могут составить центроид дерева, поэтому исключим из рассмотрения вершины 1, 2, 4, 6, 12, 13 и 16. Для всех остальных вершин найдем их вес, вычисляя длину (размер) их ветвей. Число ветвей вершины равно ее степени. Вершины 3, 5 и 8 имеют по две ветви, размеры которых равны 1 и 14. К вершине 7 подходят четыре ветви размером 1, 2, 2 и 10. Таким образом, ее вес . Аналогично вычисляются веса других вершин:,,. Минимальный вес вершин равен 8, следовательно, центроид дерева образуют две вершины с таким весом: 11 и 15.

1. Десятичная кодировка

Деревья представляют собой важный вид графов. С помощью деревьев описываются базы данных, деревья моделируют алгоритмы и программы, их используют в электротехнике, химии. Одной из актуальных задач в эпоху компьютерных и телекоммуникационных сетей является задача сжатия информации. Сюда входит и кодировка деревьев. Компактная запись дерева, полностью описывающая его структуру, может существенно упростить как передачу информации о дереве, так и работу с ним. Существует множество способов кодировки деревьев. Рассмотрим одну из простейших кодировок помеченных деревьев с выделенным корнем – десятичную. Кодируя дерево, придерживаемся следующих правил.

1. Кодировка начинается с корня и заканчивается в корне.
2. Каждый шаг на одну дугу от корня кодируется единицей.
3. В узле выбираем направление на вершину с меньшим номером.
4. Достигнув листа, идем назад, кодируя каждый шаг нулем.
5. При движении назад в узле всегда выбираем направление на непройденную вершину с меньшим номером.

Кодировка в такой форме получается достаточно компактной, однако она не несет в себе информации о номерах вершин дерева. Существуют аналогичные кодировки, где вместо единиц в таком же порядке проставляются номера или названия вершин. Есть деревья, для которых несложно вывести формулу десятичной кодировки. Рассмотрим, например, графы-звезды , являющиеся полными двудольными графами, одна из долей которых состоит из одной вершины. Другое обозначение звезд –. На рис. 14.2 показаны звезды, а также приведены их двоичные и десятичные кодировки. Корень дерева располагается в центральной вершине звезды. Легко получить общую формулу: . (14.1) Рис. 14.2 Если корень поместить в любой из висячих вершин, то код такого дерева будет выражаться большим числом. Более того, существует зависимость. Аналогично рассматриваются и цепи (рис. 14.3). Цепи обозначаются как. Рис. 14.3 В звездах только два варианта расположения корня с различными десятичными кодировками. В цепи же число вариантов кодировок в зависимости от положения корня растет с увеличением n. Рассмотрим самый простой вариант, расположив корень в концевой вершине (листе). Для получим двоичную кодировку 10 и десятичную 2, для– 1100 и 12, для– 111000 и 56, для– 11110000 и 240. Общая формула для десятичной кодировки цепи с корнем в концевой вершине имеет вид . (14.2) Пример 14.2. Записать десятичный код дерева, изображенного на рис. 14.4, с корнем в вершине 3. Рис. 14.4 Решение. На основании правила кодировки, двигаясь по дереву, проставим в код единицы и нули. При движении из корня 3 к вершине 7 проходим четыре ребра. В код записываем четыре единицы: 1111. Возвращаясь от вершины 7 к вершине 2 (до ближайшей развилки), проходим три ребра. Записываем в код три нуля: 000. От вершины 2 к 5 и далее к 8 (меньший номер): 11; от 8 назад к 5 и от 5 к 9: 01; от 9 к корню 3: 000. И, наконец, от 3 к 6 и обратно: 10. В итоге, собирая все вместе, получим двоичный код дерева: 1 111 000 110 100 010. Разбивая число на тройки, переводим полученное двоичное представление в восьмеричное. Получаем . Затем переводим это число в десятичное:.

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

Источник

Тема 3.7 Деревья

Определение: Деревом называется связный, ориентированный граф без петель и кратных ребер, не содержащий в себе циклов, удовлетворяющий следующим условиям:

1. имеется в точности один узел, называемый корнем, в который не входит ни одно ребро,
2. В каждый узел, кроме корня, входит ровно одно ребро,
3. Из корня к каждому узлу идет путь ( который, как легко показать единственный).

Деревья являются простейшим видом связных графов. Любое дерево с n вершинами содержит n-1 ребер. Число различных деревьев, которые можно построить на n вершинах равно Определение Дерево с одной выделенной вершиной называется корневым деревом. Определение Ориентированный граф, состоящий из нескольких деревьев, называется лесом. Определение: Пусть G=(Х, Г) – граф, являющийся лесом. Если дуга (v,w) принадлежит Г, то v называется отцом узла w, а w – сыном узла v. Определение: Если есть путь из v в w, то v называется предком узла w, а w – потомком узла v. Определение: Узел без потомков называется листом. Определение: Узел v и его потомки вместе образуют поддерево леса G, и узел v называется корнем этого поддерева. Определение:Глубина узла v в дереве – это длина пути из корня в v. Определение:Высота узла в дереве – это длина самого длинного пути из этого узла в какой-нибудь лист. Определение:Высотой дерева называется высота его корня. Пример Глубина узла b, в данном примере, = 1, а его высота = 2. Высота дерева = 3. Определение:Упорядоченным деревом называется дерево, в котором множество сыновей каждого узла упорядоченно. При изображении упорядоченного дерева, как правило, считается, что множество сыновей каждого узла упорядоченно слева направо. Определение:Бинарным деревом называется такое упорядоченное дерево, что

1. Каждый сын произвольного узла идентифицируется либо как левый сын, либо как правый сын.
2. Каждый узел имеет не более одного левого и не более одного правого сына.

Обратите внимание, что бинарное дерево не является частным случаем дерева, это совершенно иное, хотя и тесно связанное понятие. Например: Указанные бинарные деревья различны между собой ( в первом случае корень имеет пустое правое поддерево, а во втором левое поддерево пусто), хотя как деревья они изоморфны, и мы можем рассматривать их как одно дерево. Определение: Бинарное дерево называется полным, если для некоторого целого числа K каждый узел, глубины меньшей k имеет как левого, так и правого сына, и каждый узел глубины k является листом. Полное дерево глубины k имеет узлов. Очень часто используются алгоритмы, которые проходят дерево (посещают каждый его узел) в некотором порядке. Известно несколько способов сделать это. Мы рассмотрим три широко известных способа: прохождение дерева в прямом порядке, обратном порядке и внутреннем. Будем считать, что Т – дерево с корнем r и сыновьями при k >=0. При k = 0 это дерево состоит из единственного узла r.

Прохождение дерева т в прямом порядке определяется следующим алгоритмом:

1. Посетить корень r
2. Посетить слева на право поддеревья с корнями v1 . . . vk в указанной последовательности.

Пример Прохождение дерева Т в обратном порядке определяется следующим алгоритмом: Посетить в обратном порядке поддеревья с корнями v1 . . . vk в указанной последовательности. Посетить корень r Пример Прохождение дерева Т во внутреннем порядке определяется следующим алгоритмом: Посетить во внутреннем порядке левое поддерево корня (если оно существует). Посетить корень Посетить во внутреннем порядке правое поддерево корня (если оно существует). Пример Прежде чем дать описание одного из этих алгоритмов на некотором формальном языке программирования, поговорим о способах задания и хранения деревьев и бинарных деревьев. Очень многие объекты представимы в виде деревьев. Например: сложная нумерация глав лекций – типичный информационный объект, сохраняемый и обрабатываемый в виде дерева. 1. Теория графов 1.1. Основные определения теории графа 1.2. Операции над графами 1.2.1. Одноместные операции 1.2.2. Двуместные операции 1.3. Отношения 1.3.1. Отношение порядка 1.3.2. Отношение эквивалентности

1. Числовые характеристики графа

1.5. Понятие обхода графа 1.5.1. Эйлеров цикл 1.5.2. Гамильтонов цикл

1. Изоморфизм графов
2. Понятие дерева
3. Бинарные деревья
4. Алгоритмы нумерации узлов графа
   1. Нумерация в прямом порядке
   2. Нумерация в обратном порядке
   3. Нумерация во внутреннем порядке

Подобная система нумерации часто называется десятичной системой обозначения Дьюи. Введем интуитивное понятие линейного списка. Мы еще не раз будем говорить об этом способе представления и хранения информации. Одним из распространенных способов хранения деревьев является массив списков. Это одномерный массив, размерностиn – количество узлов дерева. Каждый элемент этого массива – это упорядоченный или неупорядоченный список сыновей этого отца. Например Бинарные деревья, как правило, хранятся посредством двух массивов ЛЕВЫЙСЫН и ПРАВЫЙСЫН, где номер элемента массива – это номер узла, а значение этого элемента – номер левого или правого узла – сына. Если элемент — сын отсутствует, то значение равно 0. Пример Теперь опишем алгоритм нумерации узлов двоичного дерева в соответствии с внутренним порядком. Для этого будем пользоваться неким подобием языка программирования, специально предназначенного для прозрачного и понятного описания алгоритмов. Вход: Двоичное дерево, представленное массивами ЛЕВЫЙСЫН и ПРАВЫЙСЫН. Выход: Массив, называемый НОМЕР, такой, что НОМЕР[i] – номер i – того узла во внутреннем порядке. Метод: Будем использовать глобальную переменную СЧЕТ, значение которой – номер очередного узла в соответствии с внутренним порядком. Начальное значение переменной СЧЕТ = 1. Программа выглядит так: begin СЧЕТ  1 ВНУТРПОРЯДОК(КОРЕНЬ) EndProcedure ВНУТРПОРЯДОК(УЗЕЛ) Begin 1. if ЛЕВЫЙСЫН[УЗЕЛ]0 then ВНУТРПОРЯДОК(ЛЕВЫЙСЫН[УЗЕЛ]); 2. НОМЕР[УЗЕЛ]  СЧЕТ;

1. СЧЕТ  СЧЕТ+1

4. if ПРАВЫЙСЫН[УЗЕЛ]0 then ВНУТРПОРЯДОК(ПРАВЫЙСЫН[УЗЕЛ]); End Такая процедура, которая явно или неявно вызывает сама себя, называется рекурсивной. Применение рекурсии часто дает возможность давать более прозрачное и сжатое описание алгоритма, чем это же можно было бы сделать, не используя рекурсию. Если бы приведенный алгоритм не был записан рекурсивно, надо было бы строить явный механизм для прохождения дерева. Двигаться вниз по дереву нетрудно, но чтобы обеспечить возможность вернуться к предку, надо запомнить всех предков в стеке, а операторы работы со стеком усложнили бы алгоритм, лишив его наглядности.

Источник