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2023-04-10 23:59:22 +08:00
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commit 236b9cadb1
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@@ -3,7 +3,7 @@
「二叉搜索树 Binary Search Tree」满足以下条件
1. 对于根节点,左子树中所有节点的值 $<$ 根节点的值 $<$ 右子树中所有节点的值;
2. 任意节点的左子树和右子树也是二叉搜索树,即满足条件 `1.`
2. 任意节点的左右子树也是二叉搜索树,即同样满足条件 `1.`
![二叉搜索树](binary_search_tree.assets/binary_search_tree.png)
@@ -15,10 +15,10 @@
-`cur.val < num` ,说明目标节点在 `cur` 的右子树中,因此执行 `cur = cur.right`
-`cur.val > num` ,说明目标节点在 `cur` 的左子树中,因此执行 `cur = cur.left`
-`cur.val = num` ,说明找到目标节点,跳出循环并返回该节点即可
-`cur.val = num` ,说明找到目标节点,跳出循环并返回该节点;
=== "<1>"
![查找节点步骤](binary_search_tree.assets/bst_search_step1.png)
![bst_search_step1](binary_search_tree.assets/bst_search_step1.png)
=== "<2>"
![bst_search_step2](binary_search_tree.assets/bst_search_step2.png)
@@ -29,7 +29,7 @@
=== "<4>"
![bst_search_step4](binary_search_tree.assets/bst_search_step4.png)
二叉搜索树的查找操作二分查找算法如出一辙,也是在每轮排除一半情况。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。
二叉搜索树的查找操作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。
=== "Java"
@@ -95,10 +95,10 @@
给定一个待插入元素 `num` ,为了保持二叉搜索树“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质,插入操作分为两步:
1. **查找插入位置**:与查找操作似,我们从根节点出发,根据当前节点值和 `num` 的大小关系循环向下搜索,直到越过叶节点(遍历 $\text{null}$ )时跳出循环;
2. **在该位置插入节点**:初始化节点 `num` ,将该节点放到 $\text{null}$ 的位置
1. **查找插入位置**:与查找操作似,从根节点出发,根据当前节点值和 `num` 的大小关系循环向下搜索,直到越过叶节点(遍历 $\text{null}$ )时跳出循环;
2. **在该位置插入节点**:初始化节点 `num` ,将该节点置于 $\text{null}$ 的位置;
二叉搜索树不允许存在重复节点,否则将会违背其定义。因此若待插入节点在树中已存在,则不执行插入,直接返回即可
二叉搜索树不允许存在重复节点,否则将违反其定义。因此若待插入节点在树中已存在,则不执行插入,直接返回。
![在二叉搜索树中插入节点](binary_search_tree.assets/bst_insert.png)
@@ -162,30 +162,30 @@
[class]{BinarySearchTree}-[func]{insert}
```
为了插入节点,需要借助 **辅助节点 `pre`** 保存上一轮循环的节点,这样在遍历 $\text{null}$ 时,我们可以获取到其父节点,从而完成节点插入操作。
为了插入节点,我们需要利用辅助节点 `pre` 保存上一轮循环的节点,这样在遍历 $\text{null}$ 时,我们可以获取到其父节点,从而完成节点插入操作。
与查找节点相同,插入节点使用 $O(\log n)$ 时间。
### 删除节点
与插入节点一样,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。接下来,根据待删除节点的子节点数量,删除操作需分为三种情况:
与插入节点类似,我们需要在删除操作后维持二叉搜索树的“左子树 < 根节点 < 右子树”的性质。首先,我们需要在二叉树中执行查找操作,获取待删除节点。接下来,根据待删除节点的子节点数量,删除操作需分为三种情况:
**当待删除节点的子节点数量 $= 0$ 时**,表待删除节点是叶节点,直接删除即可
当待删除节点的子节点数量 $= 0$ 时,表待删除节点是叶节点,可以直接删除。
![在二叉搜索树中删除节点(度为 0](binary_search_tree.assets/bst_remove_case1.png)
**当待删除节点的子节点数量 $= 1$ 时**,将待删除节点替换为其子节点即可。
当待删除节点的子节点数量 $= 1$ 时,将待删除节点替换为其子节点即可。
![在二叉搜索树中删除节点(度为 1](binary_search_tree.assets/bst_remove_case2.png)
**当待删除节点的子节点数量 $= 2$ 时**,删除操作分为三步:
当待删除节点的子节点数量 $= 2$ 时,删除操作分为三步:
1. 找到待删除节点在 **中序遍历序列** 中的下一个节点,记为 `nex`
1. 找到待删除节点在中序遍历序列中的下一个节点,记为 nex
2. 在树中递归删除节点 `nex`
3. 使用 `nex` 替换待删除节点;
=== "<1>"
![删除节点(度为 2步骤](binary_search_tree.assets/bst_remove_case3_step1.png)
![bst_remove_case3_step1](binary_search_tree.assets/bst_remove_case3_step1.png)
=== "<2>"
![bst_remove_case3_step2](binary_search_tree.assets/bst_remove_case3_step2.png)
@@ -196,7 +196,7 @@
=== "<4>"
![bst_remove_case3_step4](binary_search_tree.assets/bst_remove_case3_step4.png)
删除节点操作使用 $O(\log n)$ 时间,其中查找待删除节点 $O(\log n)$ ,获取中序遍历后继节点 $O(\log n)$ 。
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
=== "Java"
@@ -280,29 +280,29 @@
### 排序
我们知道,中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历优先级,而二叉搜索树遵循“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。因此,在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
我们知道,二叉树的中序遍历遵循“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”的遍历顺序,而二叉搜索树满足“左子节点 $<$ 根节点 $<$ 右子节点”的大小关系。因此,在二叉搜索树中进行中序遍历时,总是会优先遍历下一个最小节点,从而得出一重要性质:**二叉搜索树的中序遍历序列是升序的**。
借助中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无需额外排序,非常高效。
利用中序遍历升序的性质,我们在二叉搜索树中获取有序数据仅需 $O(n)$ 时间,无需额外排序,非常高效。
![二叉搜索树的中序遍历序列](binary_search_tree.assets/bst_inorder_traversal.png)
## 二叉搜索树的效率
假设给定 $n$ 个数字,最常的存储方式是「数组」,那么对于这串乱序的数字,常见操作的效率
假设给定 $n$ 个数字,最常的存储方式是「数组」对于这串乱序的数字,常见操作的效率如下
- **查找元素**:由于数组是无序的,因此需要遍历数组来确定,使用 $O(n)$ 时间;
- **插入元素**:只需将元素添加至数组尾部即可,使用 $O(1)$ 时间;
- **删除元素**:先查找元素,使用 $O(n)$ 时间,再在数组中删除该元素,使用 $O(n)$ 时间;
- **获取最小 / 最大元素**:需要遍历数组来确定,使用 $O(n)$ 时间;
为了得先验信息,我们可以预先将数组元素进行排序,得到一个「排序数组」此时操作效率
为了得先验信息,我们可以预先将数组元素进行排序,得到一个「排序数组」此时操作效率如下
- **查找元素**:由于数组已排序,可以使用二分查找,平均使用 $O(\log n)$ 时间;
- **插入元素**:先查找插入位置,使用 $O(\log n)$ 时间,再插入到指定位置,使用 $O(n)$ 时间;
- **删除元素**:先查找元素,使用 $O(\log n)$ 时间,再在数组中删除该元素,使用 $O(n)$ 时间;
- **获取最小 / 最大元素**:数组头部和尾部元素即是最小和最大元素,使用 $O(1)$ 时间;
观察发现,无序数组和有序数组中的各项操作的时间复杂度“偏科”的,即有的快有的慢**二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,在数据量 $n$ 大时有巨大优势**。
观察可知,无序数组和有序数组中的各项操作的时间复杂度呈现“偏科”的特点,即有的快有的慢**然而,二叉搜索树的各项操作的时间复杂度都是对数阶,在数据量 $n$ 大时具有显著优势**。
<div class="center-table" markdown>
@@ -317,18 +317,14 @@
## 二叉搜索树的退化
理想情况下,我们希望二叉搜索树是“左右平衡”的(详见「平衡二叉树」章节),此时可以在 $\log n$ 轮循环内查找任意节点。
理想情况下,我们希望二叉搜索树是“平衡”的,这样就可以在 $\log n$ 轮循环内查找任意节点。
如果我们动态地在二叉搜索树中插入删除节点,**则可能导致二叉树退化为链表**,此时各种操作的时间复杂度也退化 $O(n)$ 。
!!! note
在实际应用中,如何保持二叉搜索树的平衡,也是一个需要重要考虑的问题。
然而,如果我们在二叉搜索树中不断地插入删除节点,可能导致二叉树退化为链表,这时各种操作的时间复杂度也退化 $O(n)$ 。
![二叉搜索树的平衡与退化](binary_search_tree.assets/bst_degradation.png)
## 二叉搜索树常见应用
- 系统中的多级索引,高效查找、插入、删除操作。
- 各种搜索算法的底层数据结构。
- 存储数据流,保持其已排序
- 用作系统中的多级索引,实现高效查找、插入、删除操作。
- 作为某些搜索算法的底层数据结构。
- 用于存储数据流,保持其有序状态