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2023-05-21 19:29:43 +08:00
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# 8.3.   二叉树数组表示
# 7.3.   二叉树数组表示
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。
那么,能否用「数组」来表示二叉树呢?答案是肯定的。
## 8.3.1.   表示完美二叉树
## 7.3.1.   表示完美二叉树
先分析一个简单案例,给定一个完美二叉树,我们将节点按照层序遍历的顺序编号(从 $0$ 开始),此时每个节点都对应唯一的索引。
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**映射公式的作用相当于链表中的指针**。如果我们将节点按照层序遍历的顺序存储在一个数组中,那么对于数组中的任意节点,我们都可以通过映射公式来访问其子节点。
## 8.3.2.   表示任意二叉树
## 7.3.2.   表示任意二叉树
然而,完美二叉树只是一个特例。在二叉树的中间层,通常存在许多 $\text{null}$ ,而层序遍历序列并不包含这些 $\text{null}$ 。我们无法仅凭该序列来推测 $\text{null}$ 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**。显然在这种情况下,上述的数组表示方法已经失效。
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<p align="center"> Fig. 任意类型二叉树的数组表示 </p>
## 8.3.3. &nbsp; 优势与局限性
## 7.3.3. &nbsp; 优势与局限性
二叉树的数组表示存在以下优点:

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# 8.5. &nbsp; AVL 树 *
# 7.5. &nbsp; AVL 树 *
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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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。
## 8.5.1. &nbsp; AVL 树常见术语
## 7.5.1. &nbsp; AVL 树常见术语
「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树的所有性质,因此也被称为「平衡二叉搜索树」。
@@ -494,7 +494,7 @@ G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorit
设平衡因子为 $f$ ,则一棵 AVL 树的任意节点的平衡因子皆满足 $-1 \le f \le 1$ 。
## 8.5.2. &nbsp; AVL 树旋转
## 7.5.2. &nbsp; AVL 树旋转
AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」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**旋转操作既能保持树的「二叉搜索树」属性,也能使树重新变为「平衡二叉树」**。
@@ -1275,7 +1275,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
}
```
## 8.5.3. &nbsp; AVL 树常用操作
## 7.5.3. &nbsp; AVL 树常用操作
### 插入节点
@@ -2025,7 +2025,7 @@ AVL 树的特点在于「旋转 Rotation」操作它能够在不影响二叉
AVL 树的节点查找操作与二叉搜索树一致,在此不再赘述。
## 8.5.4. &nbsp; AVL 树典型应用
## 7.5.4. &nbsp; AVL 树典型应用
- 组织和存储大型数据,适用于高频查找、低频增删的场景;
- 用于构建数据库中的索引系统;

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# 8.4. &nbsp; 二叉搜索树
# 7.4. &nbsp; 二叉搜索树
「二叉搜索树 Binary Search Tree」满足以下条件
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<p align="center"> Fig. 二叉搜索树 </p>
## 8.4.1. &nbsp; 二叉搜索树的操作
## 7.4.1. &nbsp; 二叉搜索树的操作
### 查找节点
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<p align="center"> Fig. 二叉搜索树的中序遍历序列 </p>
## 8.4.2. &nbsp; 二叉搜索树的效率
## 7.4.2. &nbsp; 二叉搜索树的效率
给定一组数据,我们考虑使用数组或二叉搜索树存储。
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<p align="center"> Fig. 二叉搜索树的平衡与退化 </p>
## 8.4.3. &nbsp; 二叉搜索树常见应用
## 7.4.3. &nbsp; 二叉搜索树常见应用
- 用作系统中的多级索引,实现高效的查找、插入、删除操作。
- 作为某些搜索算法的底层数据结构。

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# 8.1. &nbsp; 二叉树
# 7.1. &nbsp; 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。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」。
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<p align="center"> Fig. 父节点、子节点、子树 </p>
## 8.1.1. &nbsp; 二叉树常见术语
## 7.1.1. &nbsp; 二叉树常见术语
二叉树涉及的术语较多,建议尽量理解并记住。
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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 。
## 8.1.2. &nbsp; 二叉树基本操作
## 7.1.2. &nbsp; 二叉树基本操作
**初始化二叉树**。与链表类似,首先初始化节点,然后构建引用指向(即指针)。
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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。
## 8.1.3. &nbsp; 常见二叉树类型
## 7.1.3. &nbsp; 常见二叉树类型
### 完美二叉树
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<p align="center"> Fig. 平衡二叉树 </p>
## 8.1.4. &nbsp; 二叉树的退化
## 7.1.4. &nbsp; 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侧时,二叉树退化为「链表」。

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# 8.2. &nbsp; 二叉树遍历
# 7.2. &nbsp; 二叉树遍历
从物理结构的角度来看,树是一种基于链表的数据结构,因此其遍历方式是通过指针逐个访问节点。然而,树是一种非线性数据结构,这使得遍历树比遍历链表更加复杂,需要借助搜索算法来实现。
二叉树常见的遍历方式包括层序遍历、前序遍历、中序遍历和后序遍历等。
## 8.2.1. &nbsp; 层序遍历
## 7.2.1. &nbsp; 层序遍历
「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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**空间复杂度**:在最差情况下,即满二叉树时,遍历到最底层之前,队列中最多同时存在 $\frac{n + 1}{2}$ 个节点,占用 $O(n)$ 空间。
## 8.2.2. &nbsp; 前序、中序、后序遍历
## 7.2.2. &nbsp; 前序、中序、后序遍历
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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# 8.6. &nbsp; 小结
# 7.6. &nbsp; 小结
- 二叉树是一种非线性数据结构,体现“一分为二”的分治逻辑。每个二叉树节点包含一个值以及两个指针,分别指向其左子节点和右子节点。
- 对于二叉树中的某个节点,其左(右)子节点及其以下形成的树被称为该节点的左(右)子树。