数据结构 - 二叉树

Posted 2021-01-26 kwincaq

二叉树的定义

      二叉树（BinaryTree）是n（n>=0）个结点的有限集，它或者是空集（n=0），或者由一个根结点及两棵互不相交的、分别称作这个根的左子树和右子树的二叉树组成。

 

二叉树的性质

性质1　二叉树第i层上的结点数目最多为2^i-1(i≥1)。
证明：

　　用数学归纳法证明。
　　归纳基础：i=1时，有2^i-1=2⁰=1。因为第1层上只有一个根结点，所以命题成立。
　　归纳假设：假设对所有的j（1≤j<i）命题成立，即第j层上至多有2^j-1个结点，证明j=i时命题亦成立。
　　归纳步骤：根据归纳假设，第i-1层上至多有2^i-2个结点。由于二叉树的每个结点至多有两个孩子，故第i层上的结点数至多是第i-1层上的最大结点数的2倍。即j=i时，该层上至多有2×2^i-2=2^i-1个结点，故命题成立。

性质2　深度为k的二叉树至多有2^k-1个结点(k≥1)。
证明：

　　在具有相同深度的二叉树中，仅当每一层都含有最大结点数时，其树中结点数最多。因此利用性质1可得，深度为k的二叉树的结点数至多为：
　　　　2⁰+2¹+…+2^k-1=2^k-1
　　故命题正确。

性质3　在任意-棵二叉树中，若终端结点的个数为n₀，度为2的结点数为n₂，则n₀=n₂+1。
证明：

　　因为二叉树中所有结点的度数均不大于2，所以结点总数（记为n）应等于0度结点数n₀、1度结点数n₁和2度结点数n₂之和，即

　　　　n=n₀+n₁+n₂（式子1）

　　另一方面，1度结点有一个孩子，2度结点有两个孩子，故二叉树中孩子结点总数是n₁+2n₂，而树中只有根结点不是任何结点的孩子，故二叉树中的结点总数又可表示为

　　　　n=n₁+2n₂+1　（式子2）

　　由式子1和式子2得到：

　　　　n₀=n₂+1

 

二叉树的实现（C++）

 

#include <iostream>

#define NULL 0

using namespace std;

template<class T>
struct BTNode
{
	T data;
	BTNode<T> *lChild, *rChild;
	BTNode();
	BTNode(const T &val, BTNode<T> *Childl = NULL, BTNode<T> *Childr = NULL)
	{
		data = val;
		lChild = Childl;
		rChild = Childr;
	}

	BTNode<T>* CopyTree()
	{
		BTNode<T> *l, *r, *n;
		if(&data == NULL)
		{
			return NULL;
		}
		l = lChild->CopyTree();
		r = rChild->CopyTree();
		n = new BTNode<T>(data, l, r);
		return n;
	}
};

template<class T>
BTNode<T>::BTNode()
{
	lChild = rChild = NULL;
}

template<class T>
class BinaryTree
{
public:
	BTNode<T> *root;
	BinaryTree();
	~BinaryTree();
	void Pre_Order();
	void In_Order();
	void Post_Order();
	int TreeHeight() const;
	int TreeNodeCount() const;
	void DestroyTree();

	BTNode<T>* MakeTree(const T &element, BTNode<T> *l, BTNode<T> *r)
	{
		root = new BTNode<T> (element, l, r);
		if(root == NULL)
		{
			cout << "Failure for applying storage address, system will close the process." << endl;
			exit(1);
		}
		return root;
	}

private:
	void PreOrder(BTNode<T> *r);
	void InOrder(BTNode<T> *r);
	void PostOrder(BTNode<T> *r);
	int Height(const BTNode<T> *r) const;
	int NodeCount(const BTNode<T> *r) const;
	void Destroy(BTNode<T> *&r);
};

template<class T>
BinaryTree<T>::BinaryTree()
{
	root = NULL;
}

template<class T>
BinaryTree<T>::~BinaryTree()
{
	DestroyTree();
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::Pre_Order()
{
	PreOrder(root);
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::In_Order()
{
	InOrder(root);
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::Post_Order()
{
	PostOrder(root);
}

template<class T>
int BinaryTree<T>::TreeHeight() const
{
	return Height(root);
}

template<class T>
int BinaryTree<T>::TreeNodeCount() const
{
	return NodeCount(root);
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::DestroyTree()
{
	Destroy(root);
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::PreOrder(BTNode<T> *r)
{
	if(r != NULL)
	{
		cout << r->data << ‘ ‘;
		PreOrder(r->lChild);
		PreOrder(r->rChild);
	}
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::InOrder(BTNode<T> *r)
{
	if(r != NULL)
	{
		InOrder(r->lChild);
		cout << r->data << ‘ ‘;
		InOrder(r->rChild);
	}
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::PostOrder(BTNode<T> *r)
{
	if(r != NULL)
	{
		PostOrder(r->lChild);
		PostOrder(r->rChild);
		cout << r->data << ‘ ‘;
	}
}

template<class T>
int BinaryTree<T>::NodeCount(const BTNode<T> *r) const
{
	if(r == NULL)
	{
		return 0;
	}
	else
	{
		return 1 + NodeCount(r->lChild) + NodeCount(r->rChild);
	}
}

template<class T>
int BinaryTree<T>::Height(const BTNode<T> *r) const
{
	if(r == NULL)
	{
		return 0;
	}
	else
	{
		int lh, rh;
		lh = Height(r->lChild);
		rh = Height(r->rChild);
		return 1 + (lh>rh?lh:rh);
	}
}

template<class T>
void BinaryTree<T>::Destroy(BTNode<T> *&r)
{
	if(r != NULL)
	{
		Destroy(r->lChild);
		Destroy(r->rChild);
		delete r;
		r = NULL;
	}
}

void main()
{
	BTNode<char> *b, *c, *d, *e, *f, *g;
	BinaryTree<char> a;
	b = a.MakeTree(‘F‘, NULL, NULL);
	c = a.MakeTree(‘E‘, NULL, NULL);
	d = a.MakeTree(‘D‘, NULL, NULL);
	e = a.MakeTree(‘C‘, b, NULL);
	f = a.MakeTree(‘B‘, d, c);
	g = a.MakeTree(‘A‘, f, e);

	cout << "Pre Order: ";
	a.Pre_Order();
	cout << endl;

	cout << "In Order: ";
	a.In_Order();
	cout << endl;

	cout << "Post Order: ";
	a.Post_Order();
	cout << endl;

	cout << "Tree Height: ";
	cout << a.TreeHeight();
	cout << endl;

	cout << "The Count of Tree Nodes: ";
	cout << a.TreeNodeCount();
	cout << endl;
}

// Output:
/*
Pre Order: A B D E C F
In Order: D B E A F C
Post Order: D E B F C A
Tree Height: 2
The Count of Tree Nodes: 6
*/

 

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