Дерево поиска, наивная реализация
Бинарное дерево поиска обладает следующим свойством: если — узел бинарного дерева с ключом , то все узлы в левом поддереве должны иметь ключи, меньшие , а в правом поддереве большие .
Содержание
Операции в бинарном дереве поиска
Для представления бинарного дерева поиска в памяти будем использовать следующую структуру:
struct Node: T key // ключ узла Node left // указатель на левого потомка Node right // указатель на правого потомка Node parent // указатель на предка
Обход дерева поиска
Есть три операции обхода узлов дерева, отличающиеся порядком обхода узлов:
- — обход узлов в отсортированном порядке,
- — обход узлов в порядке: вершина, левое поддерево, правое поддерево,
- — обход узлов в порядке: левое поддерево, правое поддерево, вершина.
func inorderTraversal(x : Node):
if x != null
inorderTraversal(x.left)
print x.key
inorderTraversal(x.right)
При выполнении данного обхода вершины будут выведены в следующем порядке: 1 3 4 6 7 8 10 13 14.
func preorderTraversal(x : Node)
if x != null
print x.key
preorderTraversal(x.left)
preorderTraversal(x.right)
При выполнении данного обхода вершины будут выведены в следующем порядке: 8 3 1 6 4 7 10 14 13.
func postorderTraversal(x : Node)
if x != null
postorderTraversal(x.left)
postorderTraversal(x.right)
print x.key
При выполнении данного обхода вершины будут выведены в следующем порядке: 1 4 7 6 3 13 14 10 8.
Данные алгоритмы выполняют обход за время , поскольку процедура вызывается ровно два раза для каждого узла дерева.
Поиск элемента
Для поиска элемента в бинарном дереве поиска можно воспользоваться следующей функцией, которая принимает в качестве параметров корень дерева и искомый ключ. Для каждого узла функция сравнивает значение его ключа с искомым ключом. Если ключи одинаковы, то функция возвращает текущий узел, в противном случае функция вызывается рекурсивно для левого или правого поддерева. Узлы, которые посещает функция образуют нисходящий путь от корня, так что время ее работы , где — высота дерева.
Node search(x : Node, k : T):
if x == null or k == x.key
return x
if k < x.key
return search(x.left, k)
else
return search(x.right, k)
Поиск минимума и максимума
Чтобы найти минимальный элемент в бинарном дереве поиска, необходимо просто следовать указателям от корня дерева, пока не встретится значение . Если у вершины есть левое поддерево, то по свойству бинарного дерева поиска в нем хранятся все элементы с меньшим ключом. Если его нет, значит эта вершина и есть минимальная. Аналогично ищется и максимальный элемент. Для этого нужно следовать правым указателям.
Node minimum(x : Node):
if x.left == null
return x
return minimum(x.left)
Node maximum(x : Node):
if x.right == null
return x
return maximum(x.right)
Данные функции принимают корень поддерева, и возвращают минимальный (максимальный) элемент в поддереве. Обе процедуры выполняются за время .
Поиск следующего и предыдущего элемента
Реализация с использованием информации о родителе
Если у узла есть правое поддерево, то следующий за ним элемент будет минимальным элементом в этом поддереве. Если у него нет правого поддерева, то нужно следовать вверх, пока не встретим узел, который является левым дочерним узлом своего родителя. Поиск предыдущего выполнятся аналогично. Если у узла есть левое поддерево, то следующий за ним элемент будет максимальным элементом в этом поддереве. Если у него нет левого поддерева, то нужно следовать вверх, пока не встретим узел, который является правым дочерним узлом своего родителя.
Node next(x : Node):
if x.right != null
return minimum(x.right)
y = x.parent
while y != null and x == y.right
x = y
y = y.parent
return y
Node prev(x : Node):
if x.left != null
return maximum(x.left)
y = x.parent
while y != null and x == y.left
x = y
y = y.parent
return y
Обе операции выполняются за время .
Реализация без использования информации о родителе
Рассмотрим поиск следующего элемента для некоторого ключа . Поиск будем начинать с корня дерева, храня текущий узел и узел , последний посещенный узел, ключ которого больше .
Спускаемся вниз по дереву, как в алгоритме поиска узла. Рассмотрим ключ текущего узла . Если , значит следующий за узел находится в правом поддереве (в левом поддереве все ключи меньше ). Если же , то , поэтому может быть следующим для ключа , либо следующий узел содержится в левом поддереве . Перейдем к нужному поддереву и повторим те же самые действия.
Аналогично реализуется операция поиска предыдущего элемента.
Node next(x : T):
Node current = root, successor = null // root — корень дерева
while current != null
if current.key > x
successor = current
current = current.left
else
current = current.right
return successor
Вставка
Операция вставки работает аналогично поиску элемента, только при обнаружении у элемента отсутствия ребенка нужно подвесить на него вставляемый элемент.
Реализация с использованием информации о родителе
func insert(x : Node, z : Node): // x — корень поддерева, z — вставляемый элемент
while x != null
if z.key > x.key
if x.right != null
x = x.right
else
z.parent = x
x.right = z
break
else if z.key < x.key
if x.left != null
x = x.left
else
z.parent = x
x.left = z
break
Реализация без использования информации о родителе
Node insert(x : Node, z : T): // x — корень поддерева, z — вставляемый ключ
if x == null
return Node(z) // подвесим Node с key = z
else if z < x.key
x.left = insert(x.left, z)
else if z > x.key
x.right = insert(x.right, z)
return x
Время работы алгоритма для обеих реализаций — .
Удаление
Нерекурсивная реализация
Для удаления узла из бинарного дерева поиска нужно рассмотреть три возможные ситуации. Если у узла нет дочерних узлов, то у его родителя нужно просто заменить указатель на . Если у узла есть только один дочерний узел, то нужно создать новую связь между родителем удаляемого узла и его дочерним узлом. Наконец, если у узла два дочерних узла, то нужно найти следующий за ним элемент (у этого элемента не будет левого потомка), его правого потомка подвесить на место найденного элемента, а удаляемый узел заменить найденным узлом. Таким образом, свойство бинарного дерева поиска не будет нарушено. Данная реализация удаления не увеличивает высоту дерева. Время работы алгоритма — .
| Случай | Иллюстрация |
|---|---|
| Удаление листа | 
|
| Удаление узла с одним дочерним узлом | 
|
| Удаление узла с двумя дочерними узлами | 
|
func delete(t : Node, v : Node): // — дерево, — удаляемый элемент p = v.parent // предок удаляемого элемента if v.left == null and v.right == null // первый случай: удаляемый элемент - лист if p.left == v p.left = null if p.right == v p.right = null else if v.left == null or v.right == null // второй случай: удаляемый элемент имеет одного потомка if v.left == null if p.left == v p.left = v.right else p.right = v.right v.right.parent = p else if p.left == v p.left = v.left else p.right = v.left v.left.parent = p else // третий случай: удаляемый элемент имеет двух потомков successor = next(v, t) v.key = successor.key if successor.parent.left == successor successor.parent.left = successor.right if successor.right != null successor.right.parent = successor.parent else successor.parent.right = successor.right if successor.right != null successor.right.parent = successor.parent
Рекурсивная реализация
При рекурсивном удалении узла из бинарного дерева нужно рассмотреть три случая: удаляемый элемент находится в левом поддереве текущего поддерева, удаляемый элемент находится в правом поддереве или удаляемый элемент находится в корне. В двух первых случаях нужно рекурсивно удалить элемент из нужного поддерева. Если удаляемый элемент находится в корне текущего поддерева и имеет два дочерних узла, то нужно заменить его минимальным элементом из правого поддерева и рекурсивно удалить минимальный элемент из правого поддерева. Иначе, если удаляемый элемент имеет один дочерний узел, нужно заменить его потомком. Время работы алгоритма — . Рекурсивная функция, возвращающая дерево с удаленным элементом :
Node delete(root : Node, z : T): // корень поддерева, удаляемый ключ
if root == null
return root
if z < root.key
root.left = delete(root.left, z)
else if z > root.key
root.right = delete(root.right, z)
else if root.left != null and root.right != null
root.key = minimum(root.right).key
root.right = delete(root.right, root.right.key)
else
if root.left != null
root = root.left
else
root = root.right
return root
Задачи о бинарном дереве поиска
Проверка того, что заданное дерево является деревом поиска
| Задача: |
| Определить, является ли заданное двоичное дерево деревом поиска. |
Для того чтобы решить эту задачу, применим обход в глубину. Запустим от корня рекурсивную логическую функцию, которая выведет , если дерево является BST и в противном случае. Чтобы дерево не являлось BST, в нём должна быть хотя бы одна вершина, которая не попадает под определение дерева поиска. То есть достаточно найти всего одну такую вершину, чтобы выйти из рекурсии и вернуть значение . Если же, дойдя до листьев, функция не встретит на своём пути такие вершины, она вернёт значение .
Функция принимает на вход исследуемую вершину, а также два значения: и , которые до вызова функции равнялись и соответственно, где — очень большое число, т.е. ни один ключ дерева не превосходит его по модулю. Казалось бы, два последних параметра не нужны. Но без них программа может выдать неверный ответ, так как сравнения только вершины и её детей недостаточно. Необходимо также помнить, в каком поддереве для более старших предков мы находимся. Например, в этом дереве вершина с номером 8 находится левее вершины, в которой лежит 5, чего не должно быть в дереве поиска, однако после проверки функция бы вернула .
bool check(v : Node, min: int, max: int): // min и max — минимально и максимально допустимые значения в вершинах поддерева.
if v.left != null
if v.left.key > v.key or v.left.key < min
return false
else check(v.left, min, v.key)
if v.right != null
if v.right.key < v.key or v.right.key > max
return false
else check(v.right, v.key, max)
return true
Поиск максимального поддерева, являющегося BST, в заданном двоичном дереве
| Задача: |
| Найти в данном дереве максимальное из поддеревьев поиска. |
Будем рассматривать каждую вершину дерева, предполагая, что она может являться корнем максимального поддерева поиска. Найдём для каждой из них количество всех вершин, которые могут находиться в таком поддереве. Максимальный из результатов, получаемых на каждом шаге, будем запоминать. Вместе с максимумом будем запоминать и соответствующую ему вершину. После того, как мы обошли всё дерево и нашли корень дерева поиска с наибольшим количеством вершин, при помощи обхода выводим все вершины на экран.
Node root()
maxdp = -1
maxroot = null
for u in Tree // Здесь Tree — заданное двоичное дерево.
dp = dfs(u, , )
if dp > maxdp
maxdp = dp
maxroot = u
return maxroot
Функция позволяет найти для каждой вершин максимально возможное количество узлов поддерева. На вход функции подаются сама анализируемая вершина и левая и правая границы интервала, в которой могут находиться значения в её поддереве. Начальные значения двух последних аргументов равны и соответственно.
В основе функции также лежит обход в глубину. Рекурсивная функция обходит всех существующих детей вершины, поданной на вход, и, если ребёнок не нарушает условия дерева поиска, она добавляет его в поддерево и анализирует его потомков. В этом случае роль будет разыгрывать ребёнок, удовлетворяющий условию дерева поиска. Если он был левым сыном, то максимально возможному значению присваивается число, стоящее в его родителе, а минимальное возможное значение не изменяется. Наоборот, если он был правым сыном, увеличиваем минимум, а максимум оставляем тем же. В случае, когда левый или правый сын не удовлетворяет условию дерева поиска, этот узел не включается в искомое поддерево и дальше не рассматривается.
Функция возвращает значение переменной , где записано количество вершин поддерева.
int dfs(v: Node, max: T, min: T)
res = 1
if v.left != null
if v.left.key < v.key and v.left.key > max
res += dfs(v.left, v.left.key, min)
if v.right != null
if v.right.key > v.key and v.right.key < min
res += dfs(v.left, max, v.left.key)
return res
Восстановление дерева по результату обхода preorderTraversal
| Задача: |
| Восстановить дерево по последовательности, выведенной после выполнения процедуры . |
Как мы помним, процедура выводит значения в узлах поддерева следующим образом: сначала идёт до упора влево, затем на каком-то моменте делает шаг вправо и снова движется влево. Это продолжается до тех пор, пока не будет выведено вершин. Полученная последовательность позволит нам однозначно определить расположение всех узлов поддерева. Первая вершина всегда будет в корне. Затем, пока не будут использованы все значения, будем последовательно подвешивать левых сыновей к последней добавленной вершине, пока не найдём номер, нарушающий убывающую последовательность, а для каждого такого номера будем искать вершину без правого потомка, хранящую наибольшее значение, не превосходящее того, которое хотим поставить, и подвешиваем к ней элемент с таким номером в качестве правого сына.
Разберём алгоритм на примере последовательности для приведённого выше дерева. Она выглядит так: 8 2 1 4 3 5. Сначала в корень записывается 8. Затем его левым сыном становится вершина с номером 2, а её левым сыном — 1. Следующее значение — 4 — уже нарушает убывающую подпоследовательность. Подберём для него вершину, где лежит значение, меньшее его, причём такая вершина максимальна (в противном случае он будет превосходить и прародителя, находясь в его левом поддереве, а это противоречит определению дерева поиска). Это узел с числом 2. Сделаем его правым сыном рассматриваемую вершину. Затем снова дадим левых потомков последней добавленной вершине, опять же, пока не найдём ключ, нарушающий порядок убывания. В нашем случае в дерево дописывается 3. Для следующего значения снова ищем родителя, для которого он станет правым сыном. Это значение равно 4. Добавляем 5 как правого сына для вершины 4. Итак, мы построили дерево.
См. также
Источники информации
- Википедия — Двоичное дерево поиска
- Wikipedia — Binary search tree
- Кормен, Т., Лейзерсон, Ч., Ривест, Р., Штайн, К. Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Под ред. И. В. Красикова. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2005. — 1296 с. — ISBN 5-8459-0857-4
