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synced 2026-07-11 06:56:06 +00:00
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This commit is contained in:
@@ -4,15 +4,15 @@ comments: true
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# 7.3 二叉树数组表示
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在链表表示下,二叉树的存储单元为节点 `TreeNode` ,节点之间通过指针相连接。在上节中,我们学习了在链表表示下的二叉树的各项基本操作。
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在链表表示下,二叉树的存储单元为节点 `TreeNode` ,节点之间通过指针相连接。上一节介绍了链表表示下的二叉树的各项基本操作。
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那么,我们能否用数组来表示二叉树呢?答案是肯定的。
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## 7.3.1 表示完美二叉树
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先分析一个简单案例。给定一个完美二叉树,我们将所有节点按照层序遍历的顺序存储在一个数组中,则每个节点都对应唯一的数组索引。
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先分析一个简单案例。给定一棵完美二叉树,我们将所有节点按照层序遍历的顺序存储在一个数组中,则每个节点都对应唯一的数组索引。
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根据层序遍历的特性,我们可以推导出父节点索引与子节点索引之间的“映射公式”:**若节点的索引为 $i$ ,则该节点的左子节点索引为 $2i + 1$ ,右子节点索引为 $2i + 2$** 。图 7-12 展示了各个节点索引之间的映射关系。
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根据层序遍历的特性,我们可以推导出父节点索引与子节点索引之间的“映射公式”:**若某节点的索引为 $i$ ,则该节点的左子节点索引为 $2i + 1$ ,右子节点索引为 $2i + 2$** 。图 7-12 展示了各个节点索引之间的映射关系。
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{ class="animation-figure" }
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@@ -24,13 +24,13 @@ comments: true
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完美二叉树是一个特例,在二叉树的中间层通常存在许多 $\text{None}$ 。由于层序遍历序列并不包含这些 $\text{None}$ ,因此我们无法仅凭该序列来推测 $\text{None}$ 的数量和分布位置。**这意味着存在多种二叉树结构都符合该层序遍历序列**。
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如图 7-13 所示,给定一个非完美二叉树,上述的数组表示方法已经失效。
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如图 7-13 所示,给定一棵非完美二叉树,上述数组表示方法已经失效。
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-13 层序遍历序列对应多种二叉树可能性 </p>
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为了解决此问题,**我们可以考虑在层序遍历序列中显式地写出所有 $\text{None}$** 。如图 7-14 所示,这样处理后,层序遍历序列就可以唯一表示二叉树了。
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为了解决此问题,**我们可以考虑在层序遍历序列中显式地写出所有 $\text{None}$** 。如图 7-14 所示,这样处理后,层序遍历序列就可以唯一表示二叉树了。示例代码如下:
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=== "Python"
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@@ -138,7 +138,7 @@ comments: true
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<p align="center"> 图 7-15 完全二叉树的数组表示 </p>
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以下代码实现了一个基于数组表示的二叉树,包括以下几种操作。
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以下代码实现了一棵基于数组表示的二叉树,包括以下几种操作。
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- 给定某节点,获取它的值、左(右)子节点、父节点。
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- 获取前序遍历、中序遍历、后序遍历、层序遍历序列。
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@@ -727,7 +727,7 @@ comments: true
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/* 获取索引为 i 节点的父节点的索引 */
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parent(i) {
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return Math.floor((i - 1) / 2); // 向下取整
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return Math.floor((i - 1) / 2); // 向下整除
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}
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/* 层序遍历 */
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@@ -813,7 +813,7 @@ comments: true
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/* 获取索引为 i 节点的父节点的索引 */
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parent(i: number): number {
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return Math.floor((i - 1) / 2); // 向下取整
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return Math.floor((i - 1) / 2); // 向下整除
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}
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/* 层序遍历 */
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@@ -1161,7 +1161,7 @@ comments: true
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[class]{ArrayBinaryTree}-[func]{}
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```
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## 7.3.3 优势与局限性
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## 7.3.3 优点与局限性
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二叉树的数组表示主要有以下优点。
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@@ -4,21 +4,21 @@ comments: true
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# 7.5 AVL 树 *
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在二叉搜索树章节中,我们提到了在多次插入和删除操作后,二叉搜索树可能退化为链表。这种情况下,所有操作的时间复杂度将从 $O(\log n)$ 恶化为 $O(n)$ 。
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在“二叉搜索树”章节中,我们提到,在多次插入和删除操作后,二叉搜索树可能退化为链表。在这种情况下,所有操作的时间复杂度将从 $O(\log n)$ 恶化为 $O(n)$ 。
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如图 7-24 所示,经过两次删除节点操作,这个二叉搜索树便会退化为链表。
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如图 7-24 所示,经过两次删除节点操作,这棵二叉搜索树便会退化为链表。
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-24 AVL 树在删除节点后发生退化 </p>
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再例如,在图 7-25 的完美二叉树中插入两个节点后,树将严重向左倾斜,查找操作的时间复杂度也随之恶化。
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再例如,在图 7-25 所示的完美二叉树中插入两个节点后,树将严重向左倾斜,查找操作的时间复杂度也随之恶化。
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-25 AVL 树在插入节点后发生退化 </p>
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G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorithm for the organization of information" 中提出了「AVL 树」。论文中详细描述了一系列操作,确保在持续添加和删除节点后,AVL 树不会退化,从而使得各种操作的时间复杂度保持在 $O(\log n)$ 级别。换句话说,在需要频繁进行增删查改操作的场景中,AVL 树能始终保持高效的数据操作性能,具有很好的应用价值。
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1962 年 G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在论文 "An algorithm for the organization of information" 中提出了「AVL 树」。论文中详细描述了一系列操作,确保在持续添加和删除节点后,AVL 树不会退化,从而使得各种操作的时间复杂度保持在 $O(\log n)$ 级别。换句话说,在需要频繁进行增删查改操作的场景中,AVL 树能始终保持高效的数据操作性能,具有很好的应用价值。
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## 7.5.1 AVL 树常见术语
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@@ -26,7 +26,7 @@ AVL 树既是二叉搜索树也是平衡二叉树,同时满足这两类二叉
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### 1. 节点高度
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由于 AVL 树的相关操作需要获取节点高度,因此我们需要为节点类添加 `height` 变量。
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由于 AVL 树的相关操作需要获取节点高度,因此我们需要为节点类添加 `height` 变量:
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=== "Python"
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@@ -214,7 +214,7 @@ AVL 树既是二叉搜索树也是平衡二叉树,同时满足这两类二叉
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“节点高度”是指从该节点到其最远叶节点的距离,即所经过的“边”的数量。需要特别注意的是,叶节点的高度为 0 ,而空节点的高度为 -1 。我们将创建两个工具函数,分别用于获取和更新节点的高度。
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“节点高度”是指从该节点到其最远叶节点的距离,即所经过的“边”的数量。需要特别注意的是,叶节点的高度为 $0$ ,而空节点的高度为 $-1$ 。我们将创建两个工具函数,分别用于获取和更新节点的高度:
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=== "Python"
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@@ -438,7 +438,7 @@ AVL 树既是二叉搜索树也是平衡二叉树,同时满足这两类二叉
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### 2. 节点平衡因子
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节点的「平衡因子 balance factor」定义为节点左子树的高度减去右子树的高度,同时规定空节点的平衡因子为 0 。我们同样将获取节点平衡因子的功能封装成函数,方便后续使用。
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节点的「平衡因子 balance factor」定义为节点左子树的高度减去右子树的高度,同时规定空节点的平衡因子为 $0$ 。我们同样将获取节点平衡因子的功能封装成函数,方便后续使用:
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=== "Python"
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@@ -602,11 +602,11 @@ AVL 树既是二叉搜索树也是平衡二叉树,同时满足这两类二叉
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AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中序遍历序列的前提下,使失衡节点重新恢复平衡。换句话说,**旋转操作既能保持“二叉搜索树”的性质,也能使树重新变为“平衡二叉树”**。
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我们将平衡因子绝对值 $> 1$ 的节点称为“失衡节点”。根据节点失衡情况的不同,旋转操作分为四种:右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋。下面我们将详细介绍这些旋转操作。
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我们将平衡因子绝对值 $> 1$ 的节点称为“失衡节点”。根据节点失衡情况的不同,旋转操作分为四种:右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋。下面详细介绍这些旋转操作。
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### 1. 右旋
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如图 7-26 所示,节点下方为平衡因子。从底至顶看,二叉树中首个失衡节点是“节点 3”。我们关注以该失衡节点为根节点的子树,将该节点记为 `node` ,其左子节点记为 `child` ,执行“右旋”操作。完成右旋后,子树已经恢复平衡,并且仍然保持二叉搜索树的特性。
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如图 7-26 所示,节点下方为平衡因子。从底至顶看,二叉树中首个失衡节点是“节点 3”。我们关注以该失衡节点为根节点的子树,将该节点记为 `node` ,其左子节点记为 `child` ,执行“右旋”操作。完成右旋后,子树恢复平衡,并且仍然保持二叉搜索树的性质。
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=== "<1>"
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{ class="animation-figure" }
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@@ -628,7 +628,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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<p align="center"> 图 7-27 有 grandChild 的右旋操作 </p>
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“向右旋转”是一种形象化的说法,实际上需要通过修改节点指针来实现,代码如下所示。
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“向右旋转”是一种形象化的说法,实际上需要通过修改节点指针来实现,代码如下所示:
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=== "Python"
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@@ -853,7 +853,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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### 2. 左旋
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相应的,如果考虑上述失衡二叉树的“镜像”,则需要执行图 7-28 所示的“左旋”操作。
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相应地,如果考虑上述失衡二叉树的“镜像”,则需要执行图 7-28 所示的“左旋”操作。
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{ class="animation-figure" }
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@@ -865,7 +865,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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<p align="center"> 图 7-29 有 grandChild 的左旋操作 </p>
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可以观察到,**右旋和左旋操作在逻辑上是镜像对称的,它们分别解决的两种失衡情况也是对称的**。基于对称性,我们只需将右旋的实现代码中的所有的 `left` 替换为 `right` ,将所有的 `right` 替换为 `left` ,即可得到左旋的实现代码。
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可以观察到,**右旋和左旋操作在逻辑上是镜像对称的,它们分别解决的两种失衡情况也是对称的**。基于对称性,我们只需将右旋的实现代码中的所有的 `left` 替换为 `right` ,将所有的 `right` 替换为 `left` ,即可得到左旋的实现代码:
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=== "Python"
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@@ -1098,7 +1098,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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### 4. 先右旋后左旋
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如图 7-31 所示,对于上述失衡二叉树的镜像情况,需要先对 `child` 执行“右旋”,然后对 `node` 执行“左旋”。
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如图 7-31 所示,对于上述失衡二叉树的镜像情况,需要先对 `child` 执行“右旋”,再对 `node` 执行“左旋”。
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{ class="animation-figure" }
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@@ -1106,7 +1106,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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### 5. 旋转的选择
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图 7-32 展示的四种失衡情况与上述案例逐个对应,分别需要采用右旋、左旋、先右后左、先左后右的旋转操作。
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图 7-32 展示的四种失衡情况与上述案例逐个对应,分别需要采用右旋、先左旋后右旋、先右旋后左旋、左旋的操作。
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{ class="animation-figure" }
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@@ -1120,14 +1120,14 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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| 失衡节点的平衡因子 | 子节点的平衡因子 | 应采用的旋转方法 |
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| ------------------- | ---------------- | ---------------- |
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| $> 1$ (即左偏树) | $\geq 0$ | 右旋 |
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| $> 1$ (即左偏树) | $<0$ | 先左旋后右旋 |
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| $< -1$ (即右偏树) | $\leq 0$ | 左旋 |
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| $< -1$ (即右偏树) | $>0$ | 先右旋后左旋 |
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| $> 1$ (左偏树) | $\geq 0$ | 右旋 |
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| $> 1$ (左偏树) | $<0$ | 先左旋后右旋 |
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| $< -1$ (右偏树) | $\leq 0$ | 左旋 |
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| $< -1$ (右偏树) | $>0$ | 先右旋后左旋 |
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</div>
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为了便于使用,我们将旋转操作封装成一个函数。**有了这个函数,我们就能对各种失衡情况进行旋转,使失衡节点重新恢复平衡**。
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为了便于使用,我们将旋转操作封装成一个函数。**有了这个函数,我们就能对各种失衡情况进行旋转,使失衡节点重新恢复平衡**。代码如下所示:
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=== "Python"
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@@ -1542,7 +1542,7 @@ AVL 树的特点在于“旋转”操作,它能够在不影响二叉树的中
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### 1. 插入节点
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AVL 树的节点插入操作与二叉搜索树在主体上类似。唯一的区别在于,在 AVL 树中插入节点后,从该节点到根节点的路径上可能会出现一系列失衡节点。因此,**我们需要从这个节点开始,自底向上执行旋转操作,使所有失衡节点恢复平衡**。
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AVL 树的节点插入操作与二叉搜索树在主体上类似。唯一的区别在于,在 AVL 树中插入节点后,从该节点到根节点的路径上可能会出现一系列失衡节点。因此,**我们需要从这个节点开始,自底向上执行旋转操作,使所有失衡节点恢复平衡**。代码如下所示:
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=== "Python"
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@@ -1894,7 +1894,7 @@ AVL 树的节点插入操作与二叉搜索树在主体上类似。唯一的区
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### 2. 删除节点
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类似地,在二叉搜索树的删除节点方法的基础上,需要从底至顶地执行旋转操作,使所有失衡节点恢复平衡。
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类似地,在二叉搜索树的删除节点方法的基础上,需要从底至顶执行旋转操作,使所有失衡节点恢复平衡。代码如下所示:
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=== "Python"
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@@ -39,7 +39,7 @@ comments: true
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<p align="center"> 图 7-17 二叉搜索树查找节点示例 </p>
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二叉搜索树的查找操作与二分查找算法的工作原理一致,都是每轮排除一半情况。循环次数最多为二叉树的高度,当二叉树平衡时,使用 $O(\log n)$ 时间。
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二叉搜索树的查找操作与二分查找算法的工作原理一致,都是每轮排除一半情况。循环次数最多为二叉树的高度,当二叉树平衡时,使用 $O(\log n)$ 时间。示例代码如下:
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=== "Python"
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@@ -745,11 +745,11 @@ comments: true
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### 3. 删除节点
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先在二叉树中查找到目标节点,再将其从二叉树中删除。
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先在二叉树中查找到目标节点,再将其删除。
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与插入节点类似,我们需要保证在删除操作完成后,二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质仍然满足。
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因此,我们需要根据目标节点的子节点数量,共分为 0、1 和 2 这三种情况,执行对应的删除节点操作。
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因此,我们根据目标节点的子节点数量,分 0、1 和 2 三种情况,执行对应的删除节点操作。
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如图 7-19 所示,当待删除节点的度为 $0$ 时,表示该节点是叶节点,可以直接删除。
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@@ -763,12 +763,12 @@ comments: true
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<p align="center"> 图 7-20 在二叉搜索树中删除节点(度为 1 ) </p>
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当待删除节点的度为 $2$ 时,我们无法直接删除它,而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左 $<$ 根 $<$ 右”的性质,**因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点**。
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当待删除节点的度为 $2$ 时,我们无法直接删除它,而需要使用一个节点替换该节点。由于要保持二叉搜索树“左子树 $<$ 根节点 $<$ 右子树”的性质,**因此这个节点可以是右子树的最小节点或左子树的最大节点**。
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假设我们选择右子树的最小节点(即中序遍历的下一个节点),则删除操作流程如图 7-21 所示。
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假设我们选择右子树的最小节点(中序遍历的下一个节点),则删除操作流程如图 7-21 所示。
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1. 找到待删除节点在“中序遍历序列”中的下一个节点,记为 `tmp` 。
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2. 将 `tmp` 的值覆盖待删除节点的值,并在树中递归删除节点 `tmp` 。
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2. 用 `tmp` 的值覆盖待删除节点的值,并在树中递归删除节点 `tmp` 。
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=== "<1>"
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{ class="animation-figure" }
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@@ -784,7 +784,7 @@ comments: true
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<p align="center"> 图 7-21 在二叉搜索树中删除节点(度为 2 ) </p>
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删除节点操作同样使用 $O(\log n)$ 时间,其中查找待删除节点需要 $O(\log n)$ 时间,获取中序遍历后继节点需要 $O(\log n)$ 时间。
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删除节点操作同样使用 $O(\log n)$ 时间,其中查找待删除节点需要 $O(\log n)$ 时间,获取中序遍历后继节点需要 $O(\log n)$ 时间。示例代码如下:
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=== "Python"
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@@ -1470,7 +1470,7 @@ comments: true
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## 7.4.2 二叉搜索树的效率
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给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。观察表 7-2 ,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能表现。只有在高频添加、低频查找删除的数据适用场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
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给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。观察表 7-2 ,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,具有稳定且高效的性能。只有在高频添加、低频查找删除数据的场景下,数组比二叉搜索树的效率更高。
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<p align="center"> 表 7-2 数组与搜索树的效率对比 </p>
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@@ -1488,9 +1488,9 @@ comments: true
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然而,如果我们在二叉搜索树中不断地插入和删除节点,可能导致二叉树退化为图 7-23 所示的链表,这时各种操作的时间复杂度也会退化为 $O(n)$ 。
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{ class="animation-figure" }
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-23 二叉搜索树的退化 </p>
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<p align="center"> 图 7-23 二叉搜索树退化 </p>
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## 7.4.3 二叉搜索树常见应用
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@@ -4,7 +4,7 @@ comments: true
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# 7.1 二叉树
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「二叉树 binary tree」是一种非线性数据结构,代表着祖先与后代之间的派生关系,体现着“一分为二”的分治逻辑。与链表类似,二叉树的基本单元是节点,每个节点包含:值、左子节点引用、右子节点引用。
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「二叉树 binary tree」是一种非线性数据结构,代表“祖先”与“后代”之间的派生关系,体现了“一分为二”的分治逻辑。与链表类似,二叉树的基本单元是节点,每个节点包含值、左子节点引用和右子节点引用。
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=== "Python"
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@@ -213,7 +213,7 @@ comments: true
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!!! tip
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请注意,我们通常将“高度”和“深度”定义为“走过边的数量”,但有些题目或教材可能会将其定义为“走过节点的数量”。在这种情况下,高度和深度都需要加 1 。
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请注意,我们通常将“高度”和“深度”定义为“经过的边的数量”,但有些题目或教材可能会将其定义为“经过的节点的数量”。在这种情况下,高度和深度都需要加 1 。
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## 7.1.2 二叉树基本操作
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@@ -231,7 +231,7 @@ comments: true
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n3 = TreeNode(val=3)
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n4 = TreeNode(val=4)
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n5 = TreeNode(val=5)
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# 构建引用指向(即指针)
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# 构建节点之间的引用(指针)
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n1.left = n2
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n1.right = n3
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n2.left = n4
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@@ -248,7 +248,7 @@ comments: true
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TreeNode* n3 = new TreeNode(3);
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TreeNode* n4 = new TreeNode(4);
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TreeNode* n5 = new TreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1->left = n2;
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n1->right = n3;
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n2->left = n4;
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@@ -264,7 +264,7 @@ comments: true
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TreeNode n3 = new TreeNode(3);
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TreeNode n4 = new TreeNode(4);
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TreeNode n5 = new TreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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||||
// 构建节点之间的引用(指针)
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||||
n1.left = n2;
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||||
n1.right = n3;
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||||
n2.left = n4;
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@@ -281,7 +281,7 @@ comments: true
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||||
TreeNode n3 = new(3);
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||||
TreeNode n4 = new(4);
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||||
TreeNode n5 = new(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.left = n2;
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||||
n1.right = n3;
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||||
n2.left = n4;
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@@ -298,7 +298,7 @@ comments: true
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||||
n3 := NewTreeNode(3)
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||||
n4 := NewTreeNode(4)
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||||
n5 := NewTreeNode(5)
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.Left = n2
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n1.Right = n3
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n2.Left = n4
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@@ -314,7 +314,7 @@ comments: true
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let n3 = TreeNode(x: 3)
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let n4 = TreeNode(x: 4)
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||||
let n5 = TreeNode(x: 5)
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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||||
n1.left = n2
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n1.right = n3
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n2.left = n4
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@@ -331,7 +331,7 @@ comments: true
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||||
n3 = new TreeNode(3),
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||||
n4 = new TreeNode(4),
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||||
n5 = new TreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.left = n2;
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n1.right = n3;
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n2.left = n4;
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@@ -348,7 +348,7 @@ comments: true
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||||
n3 = new TreeNode(3),
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||||
n4 = new TreeNode(4),
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n5 = new TreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.left = n2;
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n1.right = n3;
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n2.left = n4;
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@@ -365,7 +365,7 @@ comments: true
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||||
TreeNode n3 = new TreeNode(3);
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TreeNode n4 = new TreeNode(4);
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TreeNode n5 = new TreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.left = n2;
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n1.right = n3;
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n2.left = n4;
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@@ -381,7 +381,7 @@ comments: true
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let n3 = TreeNode::new(3);
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let n4 = TreeNode::new(4);
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let n5 = TreeNode::new(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1.borrow_mut().left = Some(n2.clone());
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n1.borrow_mut().right = Some(n3);
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n2.borrow_mut().left = Some(n4);
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@@ -398,7 +398,7 @@ comments: true
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TreeNode *n3 = newTreeNode(3);
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TreeNode *n4 = newTreeNode(4);
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TreeNode *n5 = newTreeNode(5);
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// 构建引用指向(即指针)
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// 构建节点之间的引用(指针)
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n1->left = n2;
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n1->right = n3;
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n2->left = n4;
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@@ -556,13 +556,13 @@ comments: true
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!!! note
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||||
需要注意的是,插入节点可能会改变二叉树的原有逻辑结构,而删除节点通常意味着删除该节点及其所有子树。因此,在二叉树中,插入与删除操作通常是由一套操作配合完成的,以实现有实际意义的操作。
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||||
需要注意的是,插入节点可能会改变二叉树的原有逻辑结构,而删除节点通常意味着删除该节点及其所有子树。因此,在二叉树中,插入与删除通常是由一套操作配合完成的,以实现有实际意义的操作。
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## 7.1.3 常见二叉树类型
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### 1. 完美二叉树
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「完美二叉树 perfect binary tree」所有层的节点都被完全填满。在完美二叉树中,叶节点的度为 $0$ ,其余所有节点的度都为 $2$ ;若树高度为 $h$ ,则节点总数为 $2^{h+1} - 1$ ,呈现标准的指数级关系,反映了自然界中常见的细胞分裂现象。
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如图 7-4 所示,「完美二叉树 perfect binary tree」所有层的节点都被完全填满。在完美二叉树中,叶节点的度为 $0$ ,其余所有节点的度都为 $2$ ;若树的高度为 $h$ ,则节点总数为 $2^{h+1} - 1$ ,呈现标准的指数级关系,反映了自然界中常见的细胞分裂现象。
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!!! tip
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@@ -598,26 +598,26 @@ comments: true
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## 7.1.4 二叉树的退化
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图 7-8 展示了二叉树的理想与退化状态。当二叉树的每层节点都被填满时,达到“完美二叉树”;而当所有节点都偏向一侧时,二叉树退化为“链表”。
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图 7-8 展示了二叉树的理想结构与退化结构。当二叉树的每层节点都被填满时,达到“完美二叉树”;而当所有节点都偏向一侧时,二叉树退化为“链表”。
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- 完美二叉树是理想情况,可以充分发挥二叉树“分治”的优势。
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- 链表则是另一个极端,各项操作都变为线性操作,时间复杂度退化至 $O(n)$ 。
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{ class="animation-figure" }
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-8 二叉树的最佳与最差结构 </p>
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<p align="center"> 图 7-8 二叉树的最佳结构与最差结构 </p>
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如表 7-1 所示,在最佳和最差结构下,二叉树的叶节点数量、节点总数、高度等达到极大或极小值。
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如表 7-1 所示,在最佳结构和最差结构下,二叉树的叶节点数量、节点总数、高度等达到极大值或极小值。
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<p align="center"> 表 7-1 二叉树的最佳与最差情况 </p>
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<p align="center"> 表 7-1 二叉树的最佳结构与最差结构 </p>
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<div class="center-table" markdown>
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| | 完美二叉树 | 链表 |
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| ----------------------- | ------------------ | ------- |
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| 第 $i$ 层的节点数量 | $2^{i-1}$ | $1$ |
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| 高度 $h$ 树的叶节点数量 | $2^h$ | $1$ |
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| 高度 $h$ 树的节点总数 | $2^{h+1} - 1$ | $h + 1$ |
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| 节点总数 $n$ 树的高度 | $\log_2 (n+1) - 1$ | $n - 1$ |
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| | 完美二叉树 | 链表 |
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| --------------------------- | ------------------ | ------- |
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| 第 $i$ 层的节点数量 | $2^{i-1}$ | $1$ |
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| 高度为 $h$ 的树的叶节点数量 | $2^h$ | $1$ |
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| 高度为 $h$ 的树的节点总数 | $2^{h+1} - 1$ | $h + 1$ |
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| 节点总数为 $n$ 的树的高度 | $\log_2 (n+1) - 1$ | $n - 1$ |
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</div>
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@@ -12,7 +12,7 @@ comments: true
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如图 7-9 所示,「层序遍历 level-order traversal」从顶部到底部逐层遍历二叉树,并在每一层按照从左到右的顺序访问节点。
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层序遍历本质上属于「广度优先遍历 breadth-first traversal」,它体现了一种“一圈一圈向外扩展”的逐层遍历方式。
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层序遍历本质上属于「广度优先遍历 breadth-first traversal, BFS」,它体现了一种“一圈一圈向外扩展”的逐层遍历方式。
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{ class="animation-figure" }
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@@ -20,7 +20,7 @@ comments: true
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### 1. 代码实现
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广度优先遍历通常借助“队列”来实现。队列遵循“先进先出”的规则,而广度优先遍历则遵循“逐层推进”的规则,两者背后的思想是一致的。
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广度优先遍历通常借助“队列”来实现。队列遵循“先进先出”的规则,而广度优先遍历则遵循“逐层推进”的规则,两者背后的思想是一致的。实现代码如下:
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=== "Python"
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@@ -331,13 +331,13 @@ comments: true
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## 7.2.2 前序、中序、后序遍历
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相应地,前序、中序和后序遍历都属于「深度优先遍历 depth-first traversal」,它体现了一种“先走到尽头,再回溯继续”的遍历方式。
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相应地,前序、中序和后序遍历都属于「深度优先遍历 depth-first traversal, DFS」,它体现了一种“先走到尽头,再回溯继续”的遍历方式。
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图 7-10 展示了对二叉树进行深度优先遍历的工作原理。**深度优先遍历就像是绕着整个二叉树的外围“走”一圈**,在每个节点都会遇到三个位置,分别对应前序遍历、中序遍历和后序遍历。
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图 7-10 展示了对二叉树进行深度优先遍历的工作原理。**深度优先遍历就像是绕着整棵二叉树的外围“走”一圈**,在每个节点都会遇到三个位置,分别对应前序遍历、中序遍历和后序遍历。
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{ class="animation-figure" }
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{ class="animation-figure" }
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<p align="center"> 图 7-10 二叉搜索树的前、中、后序遍历 </p>
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<p align="center"> 图 7-10 二叉搜索树的前序、中序、后序遍历 </p>
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### 1. 代码实现
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@@ -754,9 +754,9 @@ comments: true
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}
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```
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!!! note
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!!! tip
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深度优先搜索也可以基于迭代实现,有兴趣的同学可以自行研究。
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深度优先搜索也可以基于迭代实现,有兴趣的读者可以自行研究。
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图 7-11 展示了前序遍历二叉树的递归过程,其可分为“递”和“归”两个逆向的部分。
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@@ -13,7 +13,7 @@ icon: material/graph-outline
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!!! abstract
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参天大树充满生命力,其根深叶茂,分枝扶疏。
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参天大树充满生命力,根深叶茂,分枝扶疏。
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它为我们展现了数据分治的生动形态。
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@@ -12,25 +12,25 @@ comments: true
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- 二叉树的初始化、节点插入和节点删除操作与链表操作方法类似。
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- 常见的二叉树类型有完美二叉树、完全二叉树、完满二叉树和平衡二叉树。完美二叉树是最理想的状态,而链表是退化后的最差状态。
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- 二叉树可以用数组表示,方法是将节点值和空位按层序遍历顺序排列,并根据父节点与子节点之间的索引映射关系来实现指针。
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- 二叉树的层序遍历是一种广度优先搜索方法,它体现了“一圈一圈向外”的分层遍历方式,通常通过队列来实现。
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- 前序、中序、后序遍历皆属于深度优先搜索,它们体现了“走到尽头,再回头继续”的回溯遍历方式,通常使用递归来实现。
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- 二叉树的层序遍历是一种广度优先搜索方法,它体现了“一圈一圈向外扩展”的逐层遍历方式,通常通过队列来实现。
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- 前序、中序、后序遍历皆属于深度优先搜索,它们体现了“先走到尽头,再回溯继续”的遍历方式,通常使用递归来实现。
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- 二叉搜索树是一种高效的元素查找数据结构,其查找、插入和删除操作的时间复杂度均为 $O(\log n)$ 。当二叉搜索树退化为链表时,各项时间复杂度会劣化至 $O(n)$ 。
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- AVL 树,也称为平衡二叉搜索树,它通过旋转操作,确保在不断插入和删除节点后,树仍然保持平衡。
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- AVL 树,也称平衡二叉搜索树,它通过旋转操作确保在不断插入和删除节点后树仍然保持平衡。
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- AVL 树的旋转操作包括右旋、左旋、先右旋再左旋、先左旋再右旋。在插入或删除节点后,AVL 树会从底向顶执行旋转操作,使树重新恢复平衡。
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### 2. Q & A
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!!! question "对于只有一个节点的二叉树,树的高度和根节点的深度都是 $0$ 吗?"
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是的,因为高度和深度通常定义为“走过边的数量”。
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是的,因为高度和深度通常定义为“经过的边的数量”。
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!!! question "二叉树中的插入与删除一般都是由一套操作配合完成的,这里的“一套操作”指什么呢?可以理解为资源的子节点的资源释放吗?"
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!!! question "二叉树中的插入与删除一般由一套操作配合完成,这里的“一套操作”指什么呢?可以理解为资源的子节点的资源释放吗?"
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拿二叉搜索树来举例,删除节点操作要分为三种情况处理,其中每种情况都需要进行多个步骤的节点操作。
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拿二叉搜索树来举例,删除节点操作要分三种情况处理,其中每种情况都需要进行多个步骤的节点操作。
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!!! question "为什么 DFS 遍历二叉树有前、中、后三种顺序,分别有什么用呢?"
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DFS 的前、中、后序遍历和访问数组的顺序类似,是遍历二叉树的基本方法,利用这三种遍历方法,我们可以得到一个特定顺序的遍历结果。例如在二叉搜索树中,由于节点大小满足 `左子节点值 < 根节点值 < 右子节点值` ,因此我们只要按照 `左->根->右` 的优先级遍历树,就可以获得有序的节点序列。
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与顺序和逆序遍历数组类似,前序、中序、后序遍历是三种二叉树遍历方法,我们可以使用它们得到一个特定顺序的遍历结果。例如在二叉搜索树中,由于节点大小满足 `左子节点值 < 根节点值 < 右子节点值` ,因此我们只要按照 `左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右` 的优先级遍历树,就可以获得有序的节点序列。
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!!! question "右旋操作是处理失衡节点 `node`、`child`、`grand_child` 之间的关系,那 `node` 的父节点和 `node` 原来的连接不需要维护吗?右旋操作后岂不是断掉了?"
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@@ -40,9 +40,9 @@ comments: true
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主要看方法的使用范围,如果方法只在类内部使用,那么就设计为 `private` 。例如,用户单独调用 `updateHeight()` 是没有意义的,它只是插入、删除操作中的一步。而 `height()` 是访问节点高度,类似于 `vector.size()` ,因此设置成 `public` 以便使用。
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!!! question "请问如何从一组输入数据构建一个二叉搜索树?根节点的选择是不是很重要?"
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!!! question "如何从一组输入数据构建一棵二叉搜索树?根节点的选择是不是很重要?"
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是的,构建树的方法已在二叉搜索树代码中的 `build_tree()` 方法中给出。至于根节点的选择,我们通常会将输入数据排序,然后用中点元素作为根节点,再递归地构建左右子树。这样做可以最大程度保证树的平衡性。
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是的,构建树的方法已在二叉搜索树代码中的 `build_tree()` 方法中给出。至于根节点的选择,我们通常会将输入数据排序,然后将中点元素作为根节点,再递归地构建左右子树。这样做可以最大程度保证树的平衡性。
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!!! question "在 Java 中,字符串对比是否一定要用 `equals()` 方法?"
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@@ -51,7 +51,7 @@ comments: true
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- `==` :用来比较两个变量是否指向同一个对象,即它们在内存中的位置是否相同。
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- `equals()`:用来对比两个对象的值是否相等。
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因此如果要对比值,我们通常会用 `equals()` 。然而,通过 `String a = "hi"; String b = "hi";` 初始化的字符串都存储在字符串常量池中,它们指向同一个对象,因此也可以用 `a == b` 来比较两个字符串的内容。
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因此,如果要对比值,我们应该使用 `equals()` 。然而,通过 `String a = "hi"; String b = "hi";` 初始化的字符串都存储在字符串常量池中,它们指向同一个对象,因此也可以用 `a == b` 来比较两个字符串的内容。
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!!! question "广度优先遍历到最底层之前,队列中的节点数量是 $2^h$ 吗?"
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