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2023-04-10 23:59:22 +08:00
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# 二叉树
「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。类似于链表,二叉树也是以节点为单位存储的,节点包含「值」和两个「指针」。
「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,每个节点包含一个「值」和两个「指针」。
=== "Java"
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节点的两个指针分别指向「左子节点」和「右子节点」,并且称该节点为两个子节点的「父节点」。给定二叉树节点,将“左子节点及其以下节点形成的树称为该节点的「左子树」,右子树同理
节点的两个指针分别指向「左子节点」和「右子节点」,同时该节点被称为这两个子节点的「父节点」。给定一个二叉树节点时,我们将该节点的左子节点及其以下节点形成的树称为该节点的「左子树」,同理可得「右子树
叶节点外,每个节点都子节点和子树。例如,若将下图的“节点 2”看作父节点,那么其左子节点和右子节点分别“节点 4”和“节点 5”左子树和右子树分别为“节点 4 及其以下节点形成的树”“节点 5 及其以下节点形成的树”。
**在二叉树中,除叶节点外,其他所有节点都包含子节点和非空子树**。例如,在以下示例中,若将“节点 2”视为父节点,其左子节点和右子节点分别“节点 4”和“节点 5”左子树“节点 4 及其以下节点形成的树”,右子树是“节点 5 及其以下节点形成的树”。
![父节点、子节点、子树](binary_tree.assets/binary_tree_definition.png)
## 二叉树常见术语
二叉树的术语较多,建议尽量理解并记住。后续可能遗忘,可以在需要使用时回来查看确认。
二叉树涉及的术语较多,建议尽量理解并记住。
- 「根节点 Root Node」二叉树顶层的节点,没有父节点;
- 「叶节点 Leaf Node」没有子节点的节点其两个指针指向 $\text{null}$
- 节点所处「层 Level」从顶至底依次增加,根节点所层为 1
- 节点「度 Degree」节点的子节点数量。二叉树中度的范围是 0, 1, 2
- 「边 Edge」连接两个节点的,即节点指针;
- 二叉树「高度」:二叉树中根节点到最远叶节点走过边的数量;
- 节点「深度 Depth」 :根节点到该节点走过边的数量;
- 节点「高度 Height」最远叶节点到该节点走过边的数量;
- 「根节点 Root Node」位于二叉树顶层的节点,没有父节点;
- 「叶节点 Leaf Node」没有子节点的节点其两个指针指向 $\text{null}$
- 节点「层 Level」从顶至底递增,根节点所层为 1
- 节点「度 Degree」节点的子节点数量。二叉树中,度的范围是 0, 1, 2
- 「边 Edge」连接两个节点的线段,即节点指针;
- 二叉树「高度」:根节点到最远叶节点所经过的边的数量;
- 节点「深度 Depth」 根节点到该节点所经过的边的数量;
- 节点「高度 Height」最远叶节点到该节点所经过的边的数量;
![二叉树的常用术语](binary_tree.assets/binary_tree_terminology.png)
!!! tip "高度与深度的定义"
值得注意,我们通常将「高度」和「深度」定义为“走过边的数量”,有些题目或教材会将其定义为“走过节点的数量”,此时高度深度都需要 + 1 。
注意,我们通常将「高度」和「深度」定义为“走过边的数量”,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,高度深度都需要 1 。
## 二叉树基本操作
**初始化二叉树**。与链表类似,先初始化节点,构建引用指向(即指针)。
**初始化二叉树**。与链表类似,先初始化节点,然后构建引用指向(即指针)。
=== "Java"
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**插入与删除节点**。与链表类似,插入与删除节点都可以通过修改指针实现。
**插入与删除节点**。与链表类似,通过修改指针实现插入与删除节点
![在二叉树中插入与删除节点](binary_tree.assets/binary_tree_add_remove.png)
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!!! note
插入节点会改变二叉树的原有逻辑结构,删除节点往往意味着删除该节点所有子树。因此,二叉树中插入与删除一般都是由一套操作配合完成的,这样才能实现有意义的操作。
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,删除节点通常意味着删除该节点及其所有子树。因此,二叉树中插入与删除操作通常是由一套操作配合完成的,实现有实际意义的操作。
## 常见二叉树类型
### 完美二叉树
「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 $= h$ ,则节点总数 $= 2^{h+1} - 1$ ,呈标准的指数级关系,反映自然界中常见的细胞分裂。
「完美二叉树 Perfect Binary Tree」除了最底层外,其余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 $h$ ,则节点总数 $2^{h+1} - 1$ ,呈标准的指数级关系,反映自然界中常见的细胞分裂现象
!!! tip
在中文社区中,完美二叉树常被称为「满二叉树」,请注意与完满二叉树区分。
在中文社区中,完美二叉树常被称为「满二叉树」,请注意区分。
![完美二叉树](binary_tree.assets/perfect_binary_tree.png)
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「完全二叉树 Complete Binary Tree」只有最底层的节点未被填满且最底层节点尽量靠左填充。
**完全二叉树非常适合用数组来表示**。如果按照层序遍历序列的顺序来存储,那么空节点 `null` 一定全部出现在序列的尾部,因此我们就可以不用存储这些 null 了。
![完全二叉树](binary_tree.assets/complete_binary_tree.png)
### 完满二叉树
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### 平衡二叉树
「平衡二叉树 Balanced Binary Tree」中任意节点的左子树和右子树的高度之差的绝对值 $\leq 1$
「平衡二叉树 Balanced Binary Tree」中任意节点的左子树和右子树的高度之差的绝对值不超过 1 。
![平衡二叉树](binary_tree.assets/balanced_binary_tree.png)
## 二叉树的退化
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时,二叉树退化为「链表」。
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时,二叉树退化为「链表」。
- 完美二叉树是一个二叉树的“最佳状态”,可以完全发挥二叉树“分治”的优势;
- 完美二叉树是理想情况,可以充分发挥二叉树“分治”的优势;
- 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 $O(n)$
![二叉树的最佳与最二叉树的最佳和最差结构差情况](binary_tree.assets/binary_tree_corner_cases.png)
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## 二叉树表示方式 *
我们一般使用二叉树的「链表表示」,即存储单位为节点 `TreeNode` ,节点之间通过指针(引用)相连接。本文前述示例代码展示了二叉树在链表表示下的各项基本操作。
我们通常使用二叉树的「链表表示」,即存储单位为节点 `TreeNode` ,节点之间通过指针相连接。本文前述示例代码展示了二叉树在链表表示下的各项基本操作。
那能否可以用「数组表示二叉树呢?答案是肯定的。先来分析一个简单案例,给定一个「完美二叉树」,将节点按照层序遍历的顺序编号(从 0 开始),那么可以推导得出父节点索引与子节点索引之间的映射公式**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 $2i + 2$** 。
么,能否用「数组」来表示二叉树呢?答案是肯定的。先来分析一个简单案例,给定一个「完美二叉树」,将节点按照层序遍历的顺序编号(从 0 开始),那么可以推导得出父节点索引与子节点索引之间的映射公式**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 $2i + 2$** 。
**本质上,映射公式的作用就是链表中的指针**。对于层序遍历序列中的任意节点,我们都可以使用映射公式来访问子节点。因此,可以直接使用层序遍历序列(即数组)来表示完美二叉树。
**本质上,映射公式的作用相当于链表中的指针**。对于层序遍历序列中的任意节点,我们都可以使用映射公式来访问子节点。因此,我们可以将二叉树的层序遍历序列存储到数组中,利用以上映射公式来表示二叉树。
![完美二叉树的数组表示](binary_tree.assets/array_representation_mapping.png)
然而,完美二叉树只是个例,二叉树中间层往往存在许多空节点(即 `null` ),而层序遍历序列并不包含这些空节点,并且我们无法凭序列来测空节点的数量和分布位置,**理论上存在许多种二叉树都符合该层序遍历序列**。显然,这种情况无法使用数组来存储二叉树。
然而,完美二叉树只是一个特例。在二叉树中间层,通常存在许多 $\text{null}$ ,而层序遍历序列并不包含这些 $\text{null}$ 。我们无法凭序列来测空节点的数量和分布位置,**这意味着理论上存在许多种二叉树都符合该层序遍历序列**。显然,这种情况下,我们无法使用数组来存储二叉树。
![给定数组对应多种二叉树可能性](binary_tree.assets/array_representation_without_empty.png)
为了解决问题,考虑按照完美二叉树的形式来表示所有二叉树,**在序列中使用特殊符号来显式地表示“空位”**。如下图所示,这样处理后,序列(数组)就可以唯一表示二叉树了。
为了解决这个问题,我们可以考虑按照完美二叉树的形式来表示所有二叉树,**在序列中使用特殊符号来显式地表示 $\text{null}$**。如下图所示,这样处理后,层序遍历序列就可以唯一表示二叉树了。
=== "Java"
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![任意类型二叉树的数组表示](binary_tree.assets/array_representation_with_empty.png)
回顾「完全二叉树」的定义,其只有最底层有空节点,并且最底层的节点尽量靠左,因而所有空节点一定出现在层序遍历序列的末尾**因为我们先验地确定了空位的位置,所以在使用数组表示完全二叉树时,可以省略存储“空位”**。因此,完全二叉树非常适合使用数组来表示
**完全二叉树非常适合使用数组来表示**。回顾「完全二叉树」的定义,$\text{null}$ 只出现在最底层,并且最底层的节点尽量靠左。这意味着,**所有空节点一定出现在层序遍历序列的末尾**。由于我们事先知道了所有 $\text{null}$ 的位置,因此在使用数组表示完全二叉树时,可以省略存储它们
![完全二叉树的数组表示](binary_tree.assets/array_representation_complete_binary_tree.png)
数组表示有两个优点: 一是不需要存储指针,节省空间;二是可以随机访问节点。然而,当二叉树中的“空位”很多时,数组中包含很少节点数据空间利用率低。
数组表示有两个显著优点:首先,它不需要存储指针,从而节省空间;其次,它允许随机访问节点。然而,当二叉树中存在大量 $\text{null}$ 时,数组中包含节点数据比重较低,导致有效空间利用率低。