遍历n个节点能够形成的所有二叉树

Posted 2020-06-16

帮师兄做的一个问题，就是求对n个不同节点能够形成所有的二叉树的形式，不考虑旋转对称性和同构。

问题描述：给定n个节点，查看能够有多少种不同的二叉树形成，并输出出来

算法描述：使用最基本的“分治法“（Divide and Conquer）思想，任选一个节点作为根节点，将剩余节点组成的集合进行分割（Partition），一部分放到左子树进行递归，另一部分放到右子树递归。重点为两部分：一部分使用二进制对集合进行分割，其实就是就集合的”幂集“，另一部分是如何存储。另外还可以进行暴力搜索。

测试用例：n=3，能够形成30种不同二叉树。

代码：

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 #include <vector>
 4 using namespace std;
 5 
 6 vector< string > generate_tree(const vector< string > &nodes) {
 7     if (nodes.empty()) {
 8         return vector< string >{"*"};
 9     } else if (1 == nodes.size()) {
10         return vector< string >{nodes[0]};
11     }
12     vector< string > trees, tmp, left, right, l_tree, r_tree;
13     for (size_t i = 0; i < nodes.size(); ++i) {
14         tmp = nodes;
15         tmp.erase(tmp.begin() + i);
16         for (size_t j = 0; j < 1<<tmp.size(); ++j) {  // do set partition
17             left.clear();
18             right.clear();
19             for (size_t k = 0; k < tmp.size(); ++ k) {
20                 if (!(j & (1<<k))) {
21                     left.push_back(tmp[k]);
22                 } else {
23                     right.push_back(tmp[k]);
24                 }
25             }
26             l_tree = generate_tree(left);
27             r_tree = generate_tree(right);
28             for (const string &l : l_tree) {
29                 for (const string &r : r_tree) {
30                     trees.push_back(nodes[i] + "(" + l + "," + r + ")");
31                 }
32             }
33         }
34     }
35     return trees;
36 }
37 
38 int main() {
39     vector< string > nodes{"A", "B", "C"};
40     vector< string > trees = generate_tree(nodes);
41     cout << trees.size() << endl;
42     for (auto &i : trees) {
43         cout << i << endl;
44     }
45     return 0;
46 }

由于使用c++11的特性，所以文件的编译命令为

g++ -std=c++11 generate_tree.cc

输出结果为

30
A(B(C,*),*)
A(B(*,C),*)
A(C(B,*),*)
A(C(*,B),*)
A(C,B)
A(B,C)
A(*,B(C,*))
A(*,B(*,C))
A(*,C(B,*))
A(*,C(*,B))
B(A(C,*),*)
B(A(*,C),*)
B(C(A,*),*)
B(C(*,A),*)
B(C,A)
B(A,C)
B(*,A(C,*))
B(*,A(*,C))
B(*,C(A,*))
B(*,C(*,A))
C(A(B,*),*)
C(A(*,B),*)
C(B(A,*),*)
C(B(*,A),*)
C(B,A)
C(A,B)
C(*,A(B,*))
C(*,A(*,B))
C(*,B(A,*))
C(*,B(*,A))

当n=4时，有336种

当n=5时，有5040种