С помощью чего можно представить бинарное дерево

6

Бинарное дерево — что это? B-деревья

Статья расскажет о том, что такое бинарные деревья. Будут представлены способы их представления и основные термины. Отдельное внимание будет уделено B-дереву и его отличию от двоичных структур.

Деревом называют структуру данных, которая имеет древовидный вид, то есть характеризуется наличием набора связанных узлов. Бинарное дерево — это конечное множество элементов, связанных с двумя разными бинарными деревьями — правым и левым поддеревьями.

На что следует обратить внимание: — А — корень дерева; — B — корень левого поддерева и предок D; — С — корень правого поддерева; — D — потомок родительского узла B; если D располагается на уровне i, то B – на уровне i-1.

Необходимо выделить следующие термины: — узел (вершина) — это каждый элемент бинарного дерева; — ветви — связи между узлами; — глубина (высота) — наибольший уровень какого-нибудь элемента; — лист (терминальный узел) — термин применяется, если элемент не имеет потомков; — внутренние узлы — узлы ветвления; — степень внутреннего узла — число его потомков (наибольшая степень всех существующих узлов — это степень всего бинарного дерева); — длина пути к x — количество ветвей, которые необходимо пройти от корня до текущего узла x. Длина пути самого корня равна нулю, а узел на уровне i обладает длиной пути, которая равна i.

Использование

На практике бинарные деревья применяются, когда в каждой точке какого-нибудь вычислительного процесса нужно принимать одно из 2-х возможных решений. Существует множество задач, решаемых таким способом. Одна из них — выполнение операции, условно говоря, X с каждым элементом дерева. X рассматривается в качестве параметра обобщенной задачи посещения всех вершин либо задачи обхода дерева. Если рассмотреть такую задачу в качестве единого последовательного процесса, то можно сказать, что отдельные вершины посещаются в определенном порядке, то есть могут считаться линейно расположенными.

Способы обхода

Предположим, что имеется дерево (не пустое), в котором A является корнем, а B и C — левым и правым поддеревьями.

Есть 3 способа обхода: 1. Обход в прямом порядке — сверху вниз: A, B, C — префиксная форма. 2. Обход слева направо (симметричный порядок): B, A, C — инфиксная форма. 3. Обход снизу вверх (обратный порядок): B, C, A — постфиксная форма.

Реализация

На практике вершину древа можно описать в качестве структуры:

Тогда обход в префиксной форме будет выглядеть следующим образом:

Теперь инфиксная форма:

Бинарное дерево поиска

Оно представляет собой двоичное (бинарное) дерево, для которого справедлив ряд дополнительных условий. Эти условия называют свойствами:

Данные в каждой вершине должны обладать ключами, где определена операция сравнения “<”.

Обычно информация, которая представляет каждую вершину, — это запись, а не единственное поле данных.

Чтобы составить бинарное дерево поиска, пригодится функция добавления узла:

Удаляем поддерево

B-дерево. Поиск по B-дереву

В бинарном дереве поиска каждый узел содержит лишь одно значение (ключ) и не более 2-х потомков. Но существует особый вид древа поиска, называемый B-дерево (Би-дерево). Здесь узел содержит больше одного значения и больше 2-х потомков. Также его называют сбалансированным по высоте деревом поиска порядка m (Height Balanced m-way Search Tree).

B-дерево представляет собой сбалансированное дерево поиска, где каждый узел содержит много ключей и имеет больше 2-х потомков.

Возможные операции: 1. Поиск. 2. Вставка (вставляем новый элемент). 3. Удаление.

Каждое B-дерево имеет порядок. Для примера рассмотрим B-дерево порядка m. Оно будет обладать рядом следующих характеристик:

Ниже можно посмотреть на B-дерево четвертого порядка, содержащее максимум три значения ключа и максимум четыре потомка для каждой вершины.

Поиск аналогичен поиску по двоичному дереву. Следует вспомнить, что в двоичном древе поиск начинается с корня, причем каждый раз принимается 2-стороннее решение (пойти по правому поддереву либо по левому). В В-дереве поиск тоже начинается с корневого узла, но с той лишь разницей, что на каждом шаге принимается не 2-стороннее, а n-стороннее решение, причем n для дерева в данном случае представляет общее число потомков рассматриваемого узла. Сложность поиска такого дерева — O(log n).

Также существует такое понятие, как вставка в B-дерево.

В В-дереве вставка нового элемента возможна лишь в узел-лист. То есть вставленная новая пара ключ-значение добавляется лишь к узлу-листу. Вот, как осуществляется вставка в B-дерево:

Более подробную информацию всегда можно получить на наших курсах по алгоритмам в Москве:

Двоичное дерево

Двоичное дерево — древовидная структура данных, в которой у родительских узлов не может быть больше двух детей.

Типы двоичных деревьев

Полное двоичное дерево

Полное двоичное дерево — особый тип бинарных деревьев, в котором у каждого узла либо 0 потомков, либо 2.

Совершенное двоичное дерево

Совершенное двоичное дерево — особый тип бинарного дерева, в котором у каждого внутреннего узла по два ребенка, а листовые вершины находятся на одном уровне.

Законченное двоичное дерево

Законченное двоичное дерево похоже на совершенное, но есть три большие отличия.

1. Все уровни должны быть заполнены.
2. Все листовые вершины склоняются влево.
3. У последней листовой вершины может не быть правого собрата. Это значит, что завершенное дерево необязательно полное.

Вырожденное двоичное дерево

Вырожденное двоичное дерево — дерево, в котором на каждый уровень приходится по одной вершине.

Скошенное вырожденное дерево

Скошенное вырожденное дерево — вырожденное дерево, в котором есть либо только левые, либо только правые узлы. Таким образом, есть два типа скошенных деревьев — скошенные влево вырожденные деревья и скошенные вправо вырожденные деревья.

Сбалансированное двоичное дерево

Сбалансированное двоичное дерево — тип бинарного дерева, в котором у каждой вершины количество вершин в левом и правом поддереве различаются либо на 0, либо на 1.

Представление двоичного дерева

Узел двоичного дерева можно представить структурой, содержащей данные и два указателя на другие структуры того же типа.

Структуры данных: бинарные деревья. Часть 1

Этой статьей я начинаю цикл статей об известных и не очень структурах данных а так же их применении на практике.

В своих статьях я буду приводить примеры кода сразу на двух языках: на Java и на Haskell. Благодаря этому можно будет сравнить императивный и функциональный стили программирования и увидить плюсы и минусы того и другого.

Начать я решил с бинарных деревьев поиска, так как это достаточно базовая, но в то же время интересная штука, у которой к тому же существует большое количество модификаций и вариаций, а так же применений на практике.

Зачем это нужно?

Бинарные деревья поиска обычно применяются для реализации множеств и ассоциативных массивов (например, set и map в с++ или TreeSet и TreeMap в java). Более сложные применения включают в себя ropes (про них я расскажу в одной из следующих статей), различные алгоритмы вычислительной геометрии, в основном в алгоритмах на основе «сканирующей прямой».

В этой статье деревья будут рассмотрены на примере реализации ассоциативного массива. Ассоциативный массив — обобщенный массив, в котором индексы (их обычно называют ключами) могут быть произвольными.

Ну-с, приступим

Двоичное дерево состоит из вершин и связей между ними. Конкретнее, у дерева есть выделенная вершина-корень и у каждой вершины может быть левый и правый сыновья. На словах звучит несколько сложно, но если взглянуть на картинку все становится понятным:

У этого дерева корнем будет вершина A. Видно, что у вершины D отсутствует левый сын, у вершины B — правый, а у вершин G, H, F и I — оба. Вершины без сыновей принято называть листьями.

Каждой вершине X можно сопоставить свое дерево, состоящее из вершины, ее сыновей, сыновей ее сыновей, и т.д. Такое дерево называют поддеревом с корнем X. Левым и правым поддеревьями X называют поддеревья с корнями соответственно в левом и правом сыновьях X. Заметим, что такие поддеревья могут оказаться пустыми, если у X нет соответствующего сына.

Данные в дереве хранятся в его вершинах. В программах вершины дерева обычно представляют структурой, хранящей данные и две ссылки на левого и правого сына. Отсутствующие вершины обозначают null или специальным конструктором Leaf:

Как видно из примеров, мы требуем от ключей, чтобы их можно было сравнивать между собой ( Ord a в haskell и T1 implements Comparable<T1> в java). Все это не спроста — для того, чтобы дерево было полезным данные должны храниться в нем по каким-то правилам.

Какие же это правила? Все просто: если в вершине X хранится ключ x, то в левом (правом) поддереве должны храниться только ключи меньшие (соответственно большие) чем x. Проиллюстрируем:

Что же нам дает такое упорядочевание? То, что мы легко можем отыскать требуемый ключ x в дереве! Просто сравним x со значением в корне. Если они равны, то мы нашли требуемое. Если же x меньше (больше), то он может оказаться только в левом (соответственно правом) поддереве. Пусть например мы ищем в дереве число 17:

Функция, получающая значение по ключу:

Добавление в дерево

Теперь попробуем сделать операцию добавления новой пары ключ/значение (a,b). Для этого будем спускаться по дереву как в функции get, пока не найдем вершину с таким же ключем, либо не дойдем до отсутсвующего сына. Если мы нашли вершину с таким же ключем, то просто меняем соответствующее значение. В противно случае легко понять что именно в это место следует вставить новую вершину, чтобы не нарушить порядок. Рассмотрим вставку ключа 42 в дерево на прошлом рисунке:

Лирическое отступление о плюсах и минусах функционального подхода

Если внимательно рассмотреть примеры на обоих языках, можно увидеть некоторое различие в поведении функциональной и императивной реализаций: если на java мы просто модифицируем данные и ссылки в имеющихся вершинах, то версия на haskell создает новые вершины вдоль всего пути, пройденного рекурсией. Это связано с тем, что в чисто функциональных языках нельзя делать разрушающие присваивания. Ясно, что это ухудшает производительность и увеличивает потребляемую память. С другой стороны, у такого подхода есть и положительные стороны: отсутствие побочных эффектов сильно облегчает понимание того, как функционирует программа. Более подробно об этом можно прочитать в практически любом учебнике или вводной статье про функциональное программирование.

В этой же статье я хочу обратить внимание на другое следствие функционального подхода: даже после добавления в дерево нового элемента старая версия останется доступной! За счет этого эффекта работают ropes, в том числе и в реализации на императивных языках, позволяя реализовывать строки с асимптотически более быстрыми операциями, чем при традиционном подходе. Про ropes я расскажу в одной из следующих статей.

Вернемся к нашим баранам

Теперь мы подобрались к самой сложной операции в этой статье — удалению ключа x из дерева. Для начала мы, как и раньше, найдем нашу вершину в дереве. Теперь возникает два случая. Случай 1 (удаляем число 5):

Видно, что у удаляемой вершины нет правого сына. Тогда мы можем убрать ее и вместо нее вставить левое поддерево, не нарушая упорядоченность:

Если же правый сын есть, налицо случай 2 (удаляем снова вершину 5, но из немного другого дерева):

Тут так просто не получится — у левого сына может уже быть правый сын. Поступим по-другому: найдем в правом поддереве минимум. Ясно, что его можно найти если начать в правом сыне и идти до упора влево. Т.к у найденного минимума нет левого сына, можно вырезать его по аналогии со случаем 1 и вставить его вместо удалеемой вершины. Из-за того что он был минимальным в правом поддереве, свойство упорядоченности не нарушится:

На десерт, пара функций, которые я использовал для тестирования:

Чем же все это полезно?

У читателя возможно возникает вопрос, зачем нужны такие сложности, если можно просто хранить список пар [(ключ, значение)]. Ответ прост — операции с деревом работают быстрее. При реализации списком все функции требуют O(n) действий, где n — размер структуры. (Запись O(f(n)) грубо говоря означает «пропорционально f(n)», более корректное описание и подробности можно почитать тут). Операции с деревом же работают за O(h), где h — максимальная глубина дерева (глубина — расстояние от корня до вершины). В оптимальном случае, когда глубина всех листьев одинакова, в дереве будет n=2^h вершин. Значит, сложность операций в деревьях, близких к оптимуму будет O(log(n)). К сожалению, в худшем случае дерево может выродится и сложность операций будет как у списка, например в таком дереве (получится, если вставлять числа 1..n по порядку):

К счастью, существуют способы реализовать дерево так, чтобы оптимальная глубина дерева сохранялась при любой последовательности операций. Такие деревья называют сбалансированными. К ним например относятся красно-черные деревья, AVL-деревья, splay-деревья, и т.д.

Анонс следующих серий

В следующей статье я сделаю небольшой обзор различных сбалансированных деревьев, их плюсы и минусы. В следующих статьях я расскажу о каком-нибудь (возможно нескольких) более подробно и с реализацией. После этого я расскажу о реализации ropes и других возможных расширениях и применениях сбалансированных деревьев.

Оставайтесь на связи!

Полезные ссылки

Исходники примеров целиком:

Также очень советую почитать книгу Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р.: «Алгоритмы: построение и анализ», которая является прекрасным учебником по алгоритмам и структурам данных

Все что нужно знать о древовидных структурах данных

Когда вы впервые учитесь кодировать, общепринято изучать массивы в качестве «основной структуры данных».

В конце концов, вы также изучаете хэш-таблицы. Для получения степени по «Компьютерным наукам» (Computer Science) вам придется походить на занятия по структурам данных, на которых вы узнаете о связанных списках, очередях и стеках. Эти структуры данных называются «линейными», поскольку они имеют логические начало и завершение.

Однако в самом начале изучения деревьев и графов мы можем оказаться слегка сбитыми с толку. Нам привычно хранить данные линейным способом, а эти две структуры хранят данные совершенно иначе.

Данная статья поможет вам лучше понять древовидные структуры данных и устранить все недоразумения на их счет.

Из этой статьи вы узнаете:

• Что такое деревья?
• Разберете примеры деревьев.
• Узнаете терминологию и разберете алгоритмы работы с этими структурами.
• Узнаете как реализовать древовидные структуры в программном коде.

Давайте начнем наше учебное путешествие 🙂

Определения

Когда вы только начинаете изучать программирование, обычно бывает проще понять, как строятся линейные структуры данных, чем более сложные структуры, такие как деревья и графы.

Деревья являются широко известными нелинейными структурами. Они хранят данные не линейным способом, а упорядочивают их иерархически.

Давайте вплотную займемся реальными примерами

Что я имею в виду, когда я говорю иерархически?

Представьте себе генеалогическое древо отношений между поколениями: бабушки и дедушки, родители, дети, братья и сестры и т.д. Мы обычно организуем семейные деревья иерархически.

Мое фамильное дерево

Приведенный рисунок — это мое фамильное древо. Тосико, Акикадзу, Хитоми и Такеми — мои дедушки и бабушки.

Тошиаки и Джулиана — мои родители.

ТК, Юдзи, Бруно и Кайо — дети моих родителей (я и мои братья).

Структура организации — еще один пример иерархии.

Структура компании является примером иерархии

В HTML, объектная модель документа (DOM) представляется в виде дерева.

Объектная модель документа (DOM)

HTML-тег содержит другие теги. У нас есть тег заголовка и тег тела. Эти теги содержат определенные элементы. Заголовок имеет мета теги и теги заголовка. Тег тела имеет элементы, которые отображаются в пользовательском интерфейсе, например, h1 , a , li и т.д.

Техническое определение

Дерево представляет собой набор объектов, называемых узлами. Узлы соединены ребрами. Каждый узел содержит значение или данные, и он может иметь или не иметь дочерний узел.

Первый узел дерева называется корнем. Если этот корневой узел соединен с другим узлом, тогда корень является родительским узлом, а связанный с ним узел — дочерним.

Все узлы дерева соединены линиями, называемыми ребрами. Это важная часть деревьев, потому что она управляет связью между узлами.

Листья — это последние узлы на дереве. Это узлы без потомков. Как и в реальных деревьях, здесь имеется корень, ветви и, наконец, листья.

Другими важными понятиями являются высота и глубина.

Высота дерева — это длина самого длинного пути к листу.

Глубина узла — это длина пути к его корню.

Справочник терминов

• Корень — самый верхний узел дерева.
• Ребро — связь между двумя узлами.
• Потомок — узел, имеющий родительский узел.
• Родитель — узел, имеющий ребро, соединяющее его с узлом-потомком.
• Лист — узел, не имеющий узлов-потомков на дереве.
• Высота — это длина самого дальнего пути к листу.
• Глубина — длина пути к корню.

Бинарные деревья

Теперь рассмотрим особый тип деревьев, называемых бинарными или двоичными деревьями.

“В информатике бинарным (двоичным) деревом называется иерархическая структура данных, в которой каждый узел имеет не более двух потомков (детей). Как правило, первый называется родительским узлом, а дети называются левым и правым наследниками.” — Wikipedia

Рассмотрим пример бинарного дерева.

Давайте закодируем бинарное дерево

Первое, что нам нужно иметь в виду, когда мы реализуем двоичное дерево, состоит в том, что это набор узлов. Каждый узел имеет три атрибута: value , left_child , и right_child.

Как мы реализуем простое двоичное дерево, которое инициализирует эти три свойства?

Вот наш двоичный класс дерева.

Когда мы создаем экземпляр объекта, мы передаем значение (данные узла) в качестве параметра. Посмотрите на left_child , и right_child . Оба имеют значение None .

Когда мы создаем наш узел, он не имеет потомков. Просто есть данные узла.

Давайте это проверим:

Это выглядит так.

Мы можем передать строку ‘ a ’ в качестве значения нашему узлу бинарного дерева. Если мы напечатаем значение, left_child и right_child , мы увидим значения.

Перейдем к части вставки. Что нам нужно здесь сделать?

Мы реализуем метод вставки нового узла справа и слева.

• Если у текущего узла нет левого дочернего элемента, мы просто создаем новый узел и устанавливаем его в left_child текущего узла.
• Если у него есть левый дочерний потомок, мы создаем новый узел и помещаем его вместо текущего левого потомка. Назначьте этот левый дочерний узел новым левым дочерним новым узлом.

Давайте это нарисуем 🙂

Вот программный код:

Еще раз, если текущий узел не имеет левого дочернего элемента, мы просто создаем новый узел и устанавливаем его в качестве left_child текущего узла. Или мы создаем новый узел и помещаем его вместо текущего левого потомка. Назначим этот левый дочерний узел в качестве левого дочернего элемента нового узла.

И мы делаем то же самое, чтобы вставить правый дочерний узел.

Но не полностью. Осталось протестировать.

Давайте построим следующее дерево:

Подытоживая изображенное дерево, заметим:

• узел a будет корнем нашего бинарного дерева
• левым потомком a является узел b
• правым потомком a является узел c
• правым потомком b является узел d (узел b не имеет левого потомка)
• левым потомком c является узел e
• правым потомком c является узел f
• оба узла e и f не имеют потомков

Таким образом, вот код для нашего дерева следующий:

Теперь нам нужно подумать об обходе дерева.

У нас есть два варианта: поиск в глубину (DFS) и поиск по ширине (BFS).

• Поиск в глубину (Depth-first search, DFS) — один из методов обхода дерева. Стратегия поиска в глубину, как и следует из названия, состоит в том, чтобы идти «вглубь» дерева, насколько это возможно. Алгоритм поиска описывается рекурсивно: перебираем все исходящие из рассматриваемой вершины рёбра. Если ребро ведёт в вершину, которая не была рассмотрена ранее, то запускаем алгоритм от этой нерассмотренной вершины, а после возвращаемся и продолжаем перебирать рёбра. Возврат происходит в том случае, если в рассматриваемой вершине не осталось рёбер, которые ведут в не рассмотренную вершину. Если после завершения алгоритма не все вершины были рассмотрены, то необходимо запустить алгоритм от одной из не рассмотренных вершин.

• Поиск в ширину (breadth-first search, BFS) — метод обхода дерева и поиска пути. Поиск в ширину является одним из неинформированных алгоритмов поиска. Поиск в ширину работает путём последовательного просмотра отдельных уровней дерева, начиная с узла-источника. Рассмотрим все рёбра, выходящие из узла. Если очередной узел является целевым узлом, то поиск завершается; в противном случае узел добавляется в очередь. После того, как будут проверены все рёбра, выходящие из узла, из очереди извлекается следующий узел, и процесс повторяется.

Давайте подробно рассмотрим каждый из алгоритмов обхода.

Поиск в глубину (DFS)

DFS исследует все возможные пути вплоть до некоторого листа дерева, возвращается и исследует другой путь (осуществляя, таким образом, поиск с возвратом). Давайте посмотрим на пример с этим типом обхода.

Результатом этого алгоритма будет: 1–2–3–4–5–6–7.

Давайте разъясним это подробно.

1. Начать с корня (1). Записать.
2. Перейти к левому потомку (2). Записать.
3. Затем перейти к левому потомку (3). Записать. (Этот узел не имеет потомков)
4. Возврат и переход к правому потомку (4). Записать. (Этот узел не имеет потомков)
5. Возврат к корневому узлу и переход к правому потомку (5). Записать.
6. Переход к левому потомку (6). Записать. (Этот узел не имеет никаких потоков)
7. Возврат и переход к правому потомку (7). Записать. (Этот узел не имеет никаких потомков)
8. Выполнено.

Проход в глубь дерева, а затем возврат к исходной точке называется алгоритмом DFS.

После знакомства с этим алгоритмом обхода, рассмотрим различные типы DFS-алгоритма: предварительный обход (pre-order), симметричный обход (in-order) и обход в обратном порядке (post-order).

Предварительный обход

Именно это мы и делали в вышеприведенном примере.

1. Записать значение узла.

2. Перейти к левому потомку и записать его. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется левый потомок.

3. Перейти к правому потомку и записать его. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется правый потомок.

Симметричный обход

Результатом алгоритма симметричного обхода для этого дерева tree в примере является 3–2–4–1–6–5–7.

Первый левый, средний второй и правый последний.

Теперь давайте напишем код.

1. Перейти к левому потомку и записать. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется левый потомок.
2. Записать значение узла.
3. Перейти к правому потомку и записать. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется правый потомок.

Обход в обратном порядке

Результатом алгоритма прохода в обратном порядке для этого примера дерева является 3–4–2–6–7–5–1.

Первое левое, правое второе и последнее посередине.

Давайте напишем для него код.

1. Перейти к левому потомку и записать. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется левый потомок.
2. Перейти к правому потомку и записать. Это выполняется тогда и только тогда, когда имеется правый потомок.
3. Записать значение узла.

Поиск в ширину (BFS)

BFS алгоритм обходит дерево tree уровень за уровнем вглубь дерева.

Вот пример, помогающий лучше объяснить этот алгоритм:

Таким образом мы обходим дерево уровень за уровнем. В этом примере результатом является 1–2–5–3–4–6–7.

• Уровень/Глубина 0: только узел со значением 1.
• Уровень/Глубина 1: узлы со значениями 2 и 5.
• Уровень/Глубина 2: узлы со значениями 3, 4, 6, и 7.

Теперь давайте напишем код.

Для реализации BFS-алгоритма мы используем данные структуры “очередь”.

Как это работает?

Вот пошаговое объяснение.

1. Сначала добавить root узел внутрь очереди с помощью метода put .
2. Повторять до тех пор пока очередь не пуста.
3. Получить первый узел в очереди, а затем записать ее значение.
4. Добавить и левый и правый потомок в очередь (если текущий узел имеет потомка).
5. Выполнено. Мы будет записывать значение каждого узла, уровень за уровнем с помощью нашей очереди.

Бинарное дерево поиска

“Бинарное (двоичное) дерево поиска иногда называют упорядоченными бинарными деревьями, оно хранит значения упорядоченно, таким образом поиск и другие операции могут строится на принципах бинарного поиска ” — Wikipedia

Важным свойством поиска на двоичном дереве является то, что величина узла Binary Search Tree больше, чем количество его потомков левого элемента-потомка, но меньшее, чем количество его потомков правого элемента-потомка.

Вот детальный разбор приведенной выше иллюстрации.

• A инвертировано. Поддерево subtree 7–5–8–6 должно быть с правой стороны, а поддерево subtree 2–1–3 должно быть слева.
• B является единственной корректной опцией. Оно удовлетворяет свойству Binary Search Tree .
• C имеет одну проблему: узел со значением 4. Он должен быть слева от root потому что меньше 5.

Давайте напишем код для поиска на бинарном дереве!

Наступило время писать код!

Что вы увидите? Мы вставим новые узлы, поищем значения, удалим узлы и сбалансируем дерево.

Вставка: добавление новых узлов на наше дерево

Представьте, что у нас есть пустое дерево, и мы хотим добавить новые узлы со следующими значениями в следующем порядке: 50, 76, 21, 4, 32, 100, 64, 52.

Первое, что нам нужно знать, это то, что 50 является корнем нашего дерева.

Теперь мы можем начать вставлять узел за узлом.

• 76 больше чем 50, поэтому вставим 76 справа.
• 21 меньше чем 50, поэтому вставим 21 слева.
• 4 меньше чем 50. Узел со значением 50 имеет левого потомка 21. Поскольку 4 меньше чем 21, вставим его слева от этого узла.
• 32 меньше чем 50. Узел со значением 50 имеет левого потомка 21. Поскольку 32 больше чем 21, вставим 32 справа от этого узла.
• 100 больше чем 50. Узел со значением 50 имеет правого потомка 76. Поскольку 100 больше чем 76, вставим 100 справа от этого узла node.
• 64 больше чем 50. Узел со значением 50 имеет правого потомка 76. Поскольку 64 меньше чем 76, вставим 64 слева от этого узла.
• 52 больше чем 50. Узел со значением 50 имеет правого потомка 76. Поскольку 52 меньше чем 76, узел со значением 76 имеет левого потомка 64. 52 меньше чем 64, поэтому вставим 54 слева от этого узла.

Вы заметили, что здесь присутствует некоторая структура (патттерн)?

Давайте рассмотрим еще раз более подробно.

1. В новом узле значение больше или меньше чем значение текущего узла?
2. Если значение нового узла больше чем значение текущего узла, следует перейти на правое поддерево. Если текущий узел не имеет потомка справа, вставить его справа, или в ином случае вернуться к шагу 1.
3. Если значение нового узла меньше текущего узла — перейти на левое поддерево. Если текущий узел не имеет левого потомка, вставить его слева, или в ином случае вернуться к шагу 1.
4. Мы не рассматривали здесь обработку особых ситуаций. Когда значение нового узла равно значению текущего узла, используется правило 3. Рассмотрим вставку равных значений слева в поддерево.

Давайте напишем код.

Вроде бы все просто.

Большой частью этого алгоритма выступает рекурсия, которая находится в строке 9 и строке 13. Обе строки кода вызывают метод insert_node и используют его для своих левых и правых потомков соответственно.

Строки 11 и 15 осуществляют делают вставку для каждого потомка.

Давайте найдем значение узла … Или не найдем …

Теперь алгоритм, который мы будем строить — алгоритм поиска. Для данного значения (целое число), мы скажем, имеет ли наше дерево двоичного поиска или нет это значение.

Важно отметить, что мы определили алгоритм вставки. Сначала у нас есть наш корневой узел. Все левые узлы поддеревьев будут иметь меньшие значения, чем корневой узел. И все правильные узлы поддерева будут иметь значения, превышающие корневой узел.

Давайте рассмотрим пример.

Представьте, что у нас имеется это дерево.

Теперь мы хотим узнать есть ли у нас узел со значением 52.

Давайте рассмотрим подробнее.

1. Начинаем с корневого узла в качестве текущего. Является ли данная величина меньше текущей величины узла? Если да, будем искать ее на поддереве слева.
2. Данное значение больше текущего значения для узла? Если да, будем искать ее справа на поддереве.
3. Если правила №1 и №2 оба неверны, можем сравнить значение текущего узла и заданного узла на равенство. Если результат сравнения выдает значение true , можем сказать, «Да!» Наше дерево имеет заданное значение, иначе сказать – нет, оно не имеет.

Давайте напишем код.

Разберем код подробнее:

• Строки 8 и 9 попадают под правило №1.
• Строки 10 и 11 попадают под правило №2.
• Строки 13 попадают под правило №3.

Как нам это проверить?

Давайте создадим наше Binary Search Tree путем инициализации корневого узла значением 15.

А теперь мы вставим много новых узлов.

Для каждого вставленного узла мы проверим работает ли наш метод find_node .

Да, он работает для этих заданных значений! Давайте проверим для значения, отсутствующего в нашем бинарном дереве поиска.

Стирание: удаление и организация

Удаление — более сложный алгоритм, потому что нам нужно обрабатывать разные случаи. Для заданного значения нам нужно удалить узел с этим значением. Представьте себе следующие сценарии для данного узла: у него нет потомков, есть один потомок или есть два потомка.

• Сценарий №1: узел без потомков (листовой узел).

Если узел, который мы хотим удалить, не имеет дочерних элементов, мы просто удалим его. Алгоритм не требует реорганизации дерева.

• Сценарий №2: узел с одним потомком (левый или правый потомок).

В этом случае наш алгоритм должен заставить родительский узел указывать на узел-потомок. Если узел является левым дочерним элементом, мы делаем родительский элемент левого дочернего элемента дочерним. Если узел является правым дочерним по отношению к его родительскому, мы делаем родительский элемент правого дочернего дочерним.

• Сценарий №3: узел с двумя потомками.

Когда узел имеет 2 потомка, нужно найти узел с минимальным значением, начиная с дочернего узла. Мы поставим этот узел с минимальным значением на место узла, который мы хотим удалить.

Пришло время записать код.

1. Во-первых: Обратите внимание на значение параметров и родительский. Мы хотим найти узел, который имеет это значение, а родительский узел имеет важное значение для удаления узла.
2. Во-вторых: Обратите внимание на возвращаемое значение. Наш алгоритм вернет логическое значение. Он возвращает True, если находит узел и удаляет его. В противном случае он вернет False
3. От строки 2 до строки 9: Мы начинаем искать узел, который имеет искомое значение. Если значение меньше текущего значения узла, мы переходим к левому поддереву, рекурсивно (если и только если текущий узел имеет левый дочерний элемент). Если значение больше ‑ перейти в правое поддерево, повторить.
4. Строка 10: Начинаем продумывать алгоритм удаления.
5. От строки 11 до строки 13: Мы покрываем узел без потомков, и это левый потомок его родителя. Мы удаляем узел, устанавливая левый дочерний элемент родителя в None .
6. Строки 14 и 15: Мы покрываем узел без потомков, и это правый потомок его родителя. Мы удаляем узел, установив правый дочерний элемент родителя в None .
7. Очистить метод узла: я покажу код clear_node ниже. Он устанавливает дочерние элементы слева, правый дочерний элемент и его значение в None .
8. От строки 16 до строки 18: мы покрываем узел только одним потомком (левым дочерним), и это левый потомок его родителя. Мы заменяем левый дочерний элемент родителя на левый дочерний элемент узла (единственный его дочерний элемент).
9. От строки 19 до строки 21: мы покрываем узел только одним потомком (левым дочерним), и это правый потомок его родителя. Мы устанавливаем правый дочерний элемент родителя в левый дочерний элемент узла (единственный его дочерний элемент).
10. От строки 22 до строки 24: мы покрываем узел только одним потомком (правый ребенок), и это левый дочерний элемент его родителя. Мы устанавливаем левый дочерний элемент родителя правым дочерним элементом узла (единственный его дочерний элемент).
11. От строки 25 до строки 27: Мы покрываем узел только одним дочерним элементом (правый дочерний элемент), и это правый потомок его родителя. Устанавливаем правый дочерний элемент родителя правым дочерним элементом узла (единственный его дочерний элемент).
12. От строки 28 до строки 30: Мы покрываем узел как левыми, так и правыми потомками. Получаем узел с наименьшим значением (код показан ниже) и устанавливаем его на значение текущего узла. Завершите действия, удалив наименьший узел.
13. Строка 32: если мы найдем узел, который ищем, ему нужно снова присвоить True . Код между строками 11 и 31 мы используем именно для этого случая. Так что просто верните значение True , этого будет достаточно.

• Чтобы использовать метод clear_node : установите значение None для всех трех атрибутов — (значения left_child и right_child )

• Чтобы использовать метод find_minimum_value : перейдите влево. Если мы больше не найдем узлов, мы найдем самый маленький.

Теперь давайте проверим.

Будем использовать это дерево для проверки нашего алгоритма remove_node .

Удалим узел со значением 8. Это узел без дочернего элемента.

Теперь давайте удалим узел со значением 17. Это узел с одним потомком.

Наконец, мы удалим узел с двумя потомками. Это корень нашего дерева.

Проверки успешно выполнены 🙂

Пока это все!

Мы с вами уже очень многое изучили.

Поздравляем с завершением чтения и разбора нашей насыщенной информацией и практикой статьи. Всегда довольно сложно понять новую, неизвестную еще концепцию. Но вы читатель, преодолели все трудности 🙂

Это еще один шаг в моем обзоре алгоритмов и моделировании и структур данных. Вы можете найти более полные сведения о моем обзоре в издании Renaissance Developer.