数据结构第六章 树和二叉树.ppt
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1、第6章 树和二叉树,6.1 树的定义和基本术语,6.2 二叉树,6.3 遍历二叉树和线索二叉树,6.4 树和森林,6.6 哈夫曼树及其应用,作业,实验,6.1 树的定义和基本术语,结点:,结点的度:,树的度:,叶子结点:,分支结点:,数据元素+若干指向子树的分支,分支的个数,树中所有结点的度的最大值,度为零的结点,度大于零的结点,D,H,I,J,M,(从根到结点的)路径:,孩子结点、双亲结点兄弟结点、堂兄弟祖先结点、子孙结点,由从根到该结点所经分支和结点构成,结点的层次:,树的深度:,假设根结点的层次为1,第l 层的结点的子树根结点的层次为l+1,树中叶子结点所在的最大层次,森林:,是m(m0
2、)棵互不相交的树的集合,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,M,K,L,A(B(E,F(K,L),C(G),D(H,I,J(M),T1,T3,T2,树根,例如:,()有确定的根;()树根和子树根之间为有向关系。,有向树:,有序树:,子树之间存在确定的次序关系。,无序树:,子树之间不存在确定的次序关系。,对比树型结构和线性结构的结构特点,线性结构,树型结构,第一个数据元素(无前驱),根结点(无前驱),最后一个数据元素(无后继),多个叶子结点(无后继),其它数据元素(一个前驱、一个后继),其它数据元素(一个前驱、多个后继),而现实中的许多事物的关系并非这样简单,如人类社会的族谱、各种社会组织机
3、构以及城市交通、通讯等,这些事物中的联系都是非线性的,采用非线性结构进行描绘会更明确和便利。,在前面几章里讨论的数据结构都属于线性结构,线性结构的特点是逻辑结构简单,易于进行查找、插入和删除等操作,其主要用于对客观世界中具有单一的前驱和后继的数据关系进行描述,所谓非线性结构是指,在该结构中至少存在一个数据元素,有两个或两个以上的直接前驱(或直接后继)元素。,树型结构和图型就是其中十分重要的非线性结构,可以用来描述客观世界中广泛存在的层次结构和网状结构的关系,如前面提到的族谱、城市交通等。,本章对树型结构中最简单、应用十分广泛的二叉树结构进行讨论。,二叉树或为空树,或是由一个根结点加上 两棵分别
4、称为左子树和右子树的、互不交的二叉树组成。,A,B,C,D,E,F,G,H,K,根结点,左子树,右子树,6.2 二叉树,6.2.1 二叉树的定义,二叉树的五种基本形态:,N,空树,只含根结点,N,N,N,L,R,R,右子树为空树,L,左子树为空树,左右子树均不为空树,二叉树的主要基本操作:,查 找,插 入,删 除,性质 1:在二叉树的第 i 层上至多有2i-1 个结点。(i1),用归纳法证明:归纳基:归纳假设:归纳证明:,i=1 层时,只有一个根结点:2i-1=20=1;,假设对所有的 j,1 j i,命题成立;,二叉树上每个结点至多有两棵子树,则第 i 层的结点数=2i-2 2=2i-1。,
5、6.2.2 二叉树的性质,性质 2:深度为 k 的二叉树上至多含 2k-1 个结点(k1)。,证明:,基于上一条性质,深度为 k 的二叉树上的结点数至多为 20+21+2k-1=2k-1。,性质 3:对任何一棵二叉树,若它含有n0 个叶子结点、n2 个度为 2 的结点,则必存在关系式:n0=n2+1。,证明:,设 二叉树上结点总数 n=n0+n1+n2又 二叉树上分支总数 b=n1+2n2 而 b=n-1=n0+n1+n2-1由此,n0=n2+1。,两类特殊的二叉树:,满二叉树:指的是深度为k且含有2k-1个结点的二叉树。,完全二叉树:树中所含的 n 个结点和满二叉树中编号为 1 至 n 的结
6、点一一对应。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,性质 4:具有 n 个结点的完全二叉树的深度为 log2n+1。,证明:,设完全二叉树的深度为 k 则根据第二条性质得 2k-1 n 2k 即 k-1 log2 n k 因为 k 只能是整数,因此,k=log2n+1。,性质 5:,若对含 n 个结点的完全二叉树从上到下且从左至右进行 1 至 n 的编号,则对完全二叉树中任意一个编号为 i 的结点:(1)若 i=1,则该结点是二叉树的根,无双亲,否则,编号为 i/2 的结点为其双亲结点;(2)若 2in,则该结点无左孩子
7、,否则,编号为 2i 的结点为其左孩子结点;(3)若 2i+1n,则该结点无右孩子结点,否则,编号为2i+1 的结点为其右孩子结点。,2.二叉树的链式存储表示,1.二叉树的顺序存储表示,6.2.3 二叉树的存储结构,#define MAX_TREE_SIZE 100/二叉树的最大结点数typedef TElemType SqBiTreeMAX_ TREE_SIZE;/0号单元存储根结点SqBiTree bt;,1.二叉树的顺序存储表示,例如:,A,B,C,D,E,F,A B D C E F,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,1,4,0,13,2,6,2、二叉树的链
8、式存储表示,(1)二叉链表,(2)三叉链表,A,D,E,B,C,F,root,lchild data rchild,结点结构:,(1)二叉链表,typedef struct BiTNode/结点结构 TElemType data;struct BiTNode*lchild,*rchild;/左右孩子指针 BiTNode,*BiTree;,lchild data rchild,结点结构:,C 语言的类型描述如下:,A,D,E,B,C,F,root,(2)三叉链表,parent lchild data rchild,结点结构:,typedef struct TriTNode/结点结构 TElemT
9、ype data;struct TriTNode*lchild,*rchild;/左右孩子指针 struct TriTNode*parent;/双亲指针 TriTNode,*TriTree;,parent lchild data rchild,结点结构:,C 语言的类型描述如下:,6.3 遍历二叉树和线索二叉树,一、问题的提出,二、先左后右的遍历算法,三、算法的递归描述,四、中序遍历算法的非递归描述,五、遍历算法的应用举例(对教材的补充),6.3.1 遍历二叉树,顺着某一条搜索路径巡访二叉树中的结点,使得每个结点均被访问一次,而且仅被访问一次。,一、问题的提出,“访问”的含义可以很广,如:输出
10、结点的信息等。,“遍历”是任何类型均有的操作,对线性结构而言,只有一条搜索路径(因为每个结点均只有一个后继),故不需要另加讨论。,而二叉树是非线性结构,每个结点有两个后继,则存在如何遍历即按什么样的搜索路径遍历的问题。,对“二叉树”而言,可以有三条搜索路径:,1先上后下的按层次遍历;2先左(子树)后右(子树)的遍历;3先右(子树)后左(子树)的遍历。,二、先左后右的遍历算法,先(根)序的遍历算法,中(根)序的遍历算法,后(根)序的遍历算法,若二叉树为空树,则空操作;否则,(1)访问根结点;(2)先序遍历左子树;(3)先序遍历右子树。,先(根)序的遍历算法:,若二叉树为空树,则空操作;否则,(1
11、)中序遍历左子树;(2)访问根结点;(3)中序遍历右子树。,中(根)序的遍历算法:,若二叉树为空树,则空操作;否则,(1)后序遍历左子树;(2)后序遍历右子树;(3)访问根结点。,后(根)序的遍历算法:,三、算法的递归描述,void Preorder(BiTree T,void(*visit)(TElemType/遍历右子树,算法6.1,四、中序遍历算法的非递归描述,Status InOrderTraverse(BiTree T,Status(*visit)(TElemType e)InitStack(S);push(S,T);while(!StackEmpty(S)while(GetTop(
12、S,p),算法6.2,算法6.3,Status InOrderTraverse(BiTree T,Status(*visit)(TElemType e)InitStack(S);p=T;while(p|!StackEmpty(S)if(p)push(S,p);p=p-lchild;else pop(S,p);if(!visit(p-data)return ERROR;return OK;,五、遍历算法的应用举例,1、统计二叉树中叶子结点的个数(先序遍历),2、求二叉树的深度(后序遍历),3、建立二叉树,1、统计二叉树中叶子结点的个数,算法基本思想:,先序(或中序或后序)遍历二叉树,在遍历过程中
13、查找叶子结点,并计数。由此,需在遍历算法中增添一个“计数”的参数,并将算法中“访问结点”的操作改为:若是叶子,则计数器增1。,void CountLeaf(BiTree T,int/if/CountLeaf,2、求二叉树的深度(后序遍历),算法基本思想:,从二叉树深度的定义可知,二叉树的深度应为其左、右子树深度的最大值加1。由此,需先分别求得左、右子树的深度,算法中“访问结点”的操作为:求得左、右子树深度的最大值,然后加 1。,首先分析二叉树的深度和它的左、右子树深度之间的关系。,int Depth(BiTree T)/返回二叉树的深度 if(!T)depthval=0;else depthL
14、eft=Depth(T-lchild);depthRight=Depth(T-rchild);depthval=1+(depthLeft depthRight?depthLeft:depthRight);return depthval;,不同的定义方法相应有不同的存储结构的建立算法,3、建立二叉树,(1)以字符串的形式 根 左子树 右子树定义一棵二叉树,例如:,A,B,C,D,以空白字符“”表示,A(B(,C(,),D(,),空树,只含一个根结点的二叉树,A,以字符串“A”表示,以下列字符串表示,Status CreateBiTree(BiTree/CreateBiTree,算法6.4,A B
15、 C D,A,B,C,D,上页算法执行过程举例如下:,A,T,B,C,D,(2)按给定的表达式建相应二叉树,由先缀表示式建树例如:已知表达式的先缀表示式-+a b c/d e,由原表达式建树例如:已知表达式(a+b)c d/e,对应先缀表达式-+a b c/d e的二叉树,a,b,c,d,e,-,+,/,特点:操作数为叶子结点 运算符为分支结点,scanf(,由先缀表示式建树的算法的基本操作:,a+b,(a+b)c d/e,a+bc,分析表达式和二叉树的关系:,a,b,+,a,b,c,+,a,b,c,+,(a+b)c,a,b,c,d,e,-,+,/,基本操作:,scanf(,void CrtE
16、xptree(BiTree/CrtExptree,switch(ch)case(:Push(S,ch);break;case):Pop(S,c);while(c!=()CrtSubtree(t,c);/建二叉树并入栈 Pop(S,c)break;defult:/switch,while(!Gettop(S,c),建叶子结点的算法为:,void CrtNode(BiTree,建子树的算法为:,void CrtSubtree(Bitree,仅知二叉树的先序序列“abcdefg”不能唯一确定一棵二叉树,,(3)由二叉树的先序和中序序列建树,如果同时已知二叉树的中序序列“cbdaegf”,则会如何?,
17、二叉树的先序序列,二叉树的中序序列,左子树,左子树,右子树,右子树,根,根,a b c d e f g,c b d a e g f,例如:,a,a,b,b,c,c,d,d,e,e,f,f,g,g,a,b,c,d,e,f,g,先序序列中序序列,void CrtBT(BiTree else/CrtBT,T=(BiTNode*)malloc(sizeof(BiTNode);T-data=preps;if(k=is)T-Lchild=NULL;else CrtBT(T-Lchild,pre,ino,ps+1,is,k-is);if(k=is+n-1)T-Rchild=NULL;else CrtBT(T
18、-Rchild,pre,ino,ps+1+(k-is),k+1,n-(k-is)-1);,遍历二叉树的结果是,求得结点的一个线性序列。,A,B,C,D,E,F,G,H,K,例如:,先序序列:A B C D E F G H K,中序序列:B D C A H G K F E,后序序列:D C B H K G F E A,6.3.2 线索二叉树,指向该线性序列中的“前驱”和“后继”的指针,称作“线索”,与其相应的二叉树,称作“线索二叉树”,包含“线索”的存储结构,称作“线索链表”,A B C D E F G H K,D,C,B,E,对线索链表中结点的约定:,在二叉链表的结点中增加两个标志域,并作如下
19、规定:,若该结点的左子树不空,则Lchild域的指针指向其左子树,且左标志域的值为“指针 Link”;否则,Lchild域的指针指向其“前驱”,且左标志的值为“线索 Thread”。,若该结点的右子树不空,则rchild域的指针指向其右子树,且右标志域的值为“指针 Link”;否则,rchild域的指针指向其“后继”,且右标志的值为“线索 Thread”。,如此定义的二叉树的存储结构称作“线索链表”。,6.4.1 树的三种存储结构,一、双亲表示法,二、孩子链表表示法,三、树的二叉链表(孩子-兄弟)存储表示法,6.4 树和森林,A,B,C,D,E,F,G,0 A-11 B 02 C 03 D 0
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