66
правок
Изменения
м
fixes
Перед тем, как перейдем к примеру, договоримся, что мы разрешим в ослабленном красно-чёрном дереве при первом добавлении вершин (обеих, правой и левой) к красному корню делать их черными (немного модифицированный алгоритм вставки). Предыдущее условие можно заменить на другое, позволяющее корню иметь красных детей.
Рассмотрим пример справа. Получим такое дерево добавляя ключи в следующем порядке: <tex>10, 6, 45, 4, 8</tex>. На примере можно видеть, что после добавления вершины с ключом <tex>0</tex> и соответствующих перекрашиваний вершина с ключом <tex>6</tex> становится красной с красным родителем. Дальше добавим <tex>5</tex>. Так как мы добавляем к черной вершине, все свойства дерева сохраняются без перекрашиваний. Но добавим после этого <tex>(-3)</tex>. Тогда вершина с ключом <tex>4</tex> станет красной (<tex>0</tex> и <tex>5</tex> {{---}} черными) и у нас образуются три красные вершины подряд. Продолжая добавлять вершины таким образом, мы можем сделать сильно разбалансированное дерево.
===Альтернативные===
# Все пути, идущие от корня к листьям, содержат одинаковое количество черных вершин
То, что только черная вершина может иметь красных детей, совместно с <tex>4</tex>-тым ым свойством говорит о том, что корень дерева должен быть черным, а значит определения можно считать эквивалентными.
== Высота красно-черного дерева ==
Тогда черные высоты детей могут быть $hb(x)$ или $hb(x)-1$ {{---}} если потомок красный или черный соответственно.
Тогда по предположению индукции в каждом из поддеревьев не менее $2^{hb(x)-2}-1$ вершин. Тогда всего в поддереве не менее $2*\cdot(2^{hb(x)-2}-1)+1 = 2^{hb(x)-1}-1$ вершин ($+1$ {{---}} мы учли еще саму вершину $x$).
Переход доказан.
По доказанной лемме, для количества внутренних вершин в дереве <tex>N</tex> выполняется неравенство:
<tex>N \geqslant 2^{\frac{h/}{2}}-1</tex>
Прологарифмировав неравенство, имеем:
<tex>\log(N+1) \geqslant \frac{h/}{2}</tex>
<tex>2\log(N+1) \geqslant h</tex>
Узел, с которым мы работаем, на картинках имеет имя <tex>x</tex>.
=== Вставка элемента ===
Каждый элемент вставляется вместо листа, поэтому для выбора места вставки идём от корня до тех пор, пока указатель на следующего сына не станет <tex>nil</tex> (то есть этот сын {{---}} лист). Вставляем вместо него новый элемент с <tex>nil</tex>-нулевыми потомками и красным цветом. Теперь проверяем балансировку. Если отец нового элемента черный, то никакое из свойств дерева не нарушено. Если же он красный, то нарушается свойство <tex>3</tex>, для исправления достаточно рассмотреть два случая:
1. "Дядя" этого узла тоже красный. Тогда, чтобы сохранить свойства <tex>3</tex> и <tex>4</tex>, просто перекрашиваем "отца" и "дядю" в чёрный цвет, а "деда" {{---}} в красный. В таком случае черная высота в этом поддереве одинакова для всех листьев и у всех красных вершин "отцы" черные. Проверяем, не нарушена ли балансировка. Если в результате этих перекрашиваний мы дойдём до корня, то в нём в любом случае ставим чёрный цвет, чтобы дерево удовлетворяло свойству <tex>2</tex>.
[[Файл:Untitled-5.png|400px|]]
* Если у брата правый ребёнок красный, то перекрашиваем брата в цвет отца, его ребёнка и отца {{- --}} в чёрный, делаем вращение. Поддерево по-прежнему имеет тот же цвет корня, поэтому свойство <tex>3</tex> и <tex>4</tex> не нарушаются. Но у <tex>x</tex> теперь появился дополнительный чёрный предок: либо <tex>a</tex> стал чёрным, или он и был чёрным и <tex>b</tex> был добавлен в качестве чёрного дедушки. Таким образом, проходящие через <tex>x</tex> пути проходят через один дополнительный чёрный узел. Выходим из алгоритма.
[[Файл:Untitled-6.png|400px|]]
#Самое главное преимущество красно-черных деревьев в том, что при вставке выполняется не более <tex>O(1)</tex> вращений. Это важно, например, в алгоритме построения [[Динамическая выпуклая оболочка (достаточно log^2 на добавление/удаление)|динамической выпуклой оболочки]]. Ещё важно, что примерно половина вставок и удалений произойдут задаром.
#Процедуру балансировки практически всегда можно выполнять параллельно с процедурами поиска, так как алгоритм поиска не зависит от атрибута цвета узлов.
#Сбалансированность этих деревьев хуже, чем у [[АВЛ-дерево | АВЛ]], но работа по поддержанию сбалансированности в красно-чёрных деревьях обычно эффективнее. Для балансировки красно-чёрного дерева производится минимальная работа по сравнению с АВЛ-деревьями.
#Использует всего 1 бит дополнительной памяти для хранения цвета вершины. Но на самом деле в современных вычислительных системах память выделяется кратно байтам, поэтому это не является преимуществом относительно, например, АВЛ-дерева, которое хранит 2 бита. Однако есть реализации красно-чёрного дерева, которые хранят значение цвета в бите. Пример {{---}} Boost Multiindex. В этой реализации уменьшается потребление памяти красно-чёрным деревом, так как бит цвета хранится не в отдельной переменной, а в одном из указателей узла дерева.
Красно-чёрные деревья являются наиболее активно используемыми на практике самобалансирующимися деревьями поиска. В частности, ассоциативные контейнеры библиотеки STL(map, set, multiset, multimap) основаны на красно-чёрных деревьях. TreeMap в Java тоже реализован на основе красно-чёрных деревьев.
== Связь с [[2-3_дерево | 2-3 и 2-4 деревьями ]] ==
=== Изоморфизм деревьев ===
