Дерево
Дерево – структура данных, представляющая собой древовидную структуру в виде набора связанных узлов.
Бинарное дерево — это конечное множество элементов, которое либо пусто, либо содержит элемент ( корень ), связанный с двумя различными бинарными деревьями, называемыми левым и правым поддеревьями . Каждый элемент бинарного дерева называется узлом . Связи между узлами дерева называются его ветвями .
Способ представления бинарного дерева: 
- A — корень дерева
- В — корень левого поддерева
- С — корень правого поддерева
Корень дерева расположен на уровне с минимальным значением.
Узел D , который находится непосредственно под узлом B , называется потомком B . Если D находится на уровне i , то B – на уровне i-1 . Узел B называется предком D .
Максимальный уровень какого-либо элемента дерева называется его глубиной или высотой .
Если элемент не имеет потомков, он называется листом или терминальным узлом дерева.
Остальные элементы – внутренние узлы (узлы ветвления).
Число потомков внутреннего узла называется его степенью . Максимальная степень всех узлов есть степень дерева.
Число ветвей, которое нужно пройти от корня к узлу x , называется длиной пути к x . Корень имеет длину пути равную 0 ; узел на уровне i имеет длину пути равную i .
Бинарное дерево применяется в тех случаях, когда в каждой точке вычислительного процесса должно быть принято одно из двух возможных решений.
Имеется много задач, которые можно выполнять на дереве.
Распространенная задача — выполнение заданной операции p с каждым элементом дерева. Здесь p рассматривается как параметр более общей задачи посещения всех узлов или задачи обхода дерева.
Если рассматривать задачу как единый последовательный процесс, то отдельные узлы посещаются в определенном порядке и могут считаться расположенными линейно.
Способы обхода дерева
Пусть имеем дерево, где A — корень, B и C — левое и правое поддеревья.
Существует три способа обхода дерева:
- Обход дерева сверху вниз (в прямом порядке): A, B, C — префиксная форма.
- Обход дерева в симметричном порядке (слева направо): B, A, C — инфиксная форма.
- Обход дерева в обратном порядке (снизу вверх): B, C, A — постфиксная форма.
Реализация дерева
Узел дерева можно описать как структуру:
При этом обход дерева в префиксной форме будет иметь вид
Обход дерева в инфиксной форме будет иметь вид
Обход дерева в постфиксной форме будет иметь вид
Бинарное (двоичное) дерево поиска – это бинарное дерево, для которого выполняются следующие дополнительные условия (свойства дерева поиска):
- оба поддерева – левое и правое, являются двоичными деревьями поиска;
- у всех узлов левого поддерева произвольного узла X значения ключей данных меньше, чем значение ключа данных самого узла X ;
- у всех узлов правого поддерева произвольного узла X значения ключей данных не меньше, чем значение ключа данных узла X .
Данные в каждом узле должны обладать ключами, на которых определена операция сравнения меньше.
Как правило, информация, представляющая каждый узел, является записью, а не единственным полем данных.
Для составления бинарного дерева поиска рассмотрим функцию добавления узла в дерево.
Добавление узлов в дерево
Удаление поддерева
Пример Написать программу, подсчитывающую частоту встречаемости слов входного потока.
Поскольку список слов заранее не известен, мы не можем предварительно упорядочить его. Неразумно пользоваться линейным поиском каждого полученного слова, чтобы определять, встречалось оно ранее или нет, т.к. в этом случае программа работает слишком медленно.
Один из способов — постоянно поддерживать упорядоченность уже полученных слов, помещая каждое новое слово в такое место, чтобы не нарушалась имеющаяся упорядоченность. Воспользуемся бинарным деревом.
В дереве каждый узел содержит:
- указатель на текст слова;
- счетчик числа встречаемости;
- указатель на левого потомка;
- указатель на правого потомка.
Рассмотрим выполнение программы на примере фразы
now is the time for all good men to come to the aid of their party
При этом дерево будет иметь следующий вид 
Результат выполнения 
Источник
Структуры данных. Деревья
Статья познакомит вас с понятием дерева как структуры данных, пояснит в каких случаях и для чего можно их применять:
- рассмотрены достоинства и недостатки деревьев относительно списков и массивов, исходя из которых вы сможете выбрать наиболее подходящую структуру данных для своей задачи;
- показаны основные проблемы реализации деревьев поиска, которые должны подтолкнуть вас использовать готовые библиотеки, а не пытаться сделать все самостоятельно;
- описаны Kd-деревья — решаемые проблемы и предлагаемые подходы.
1 Что такое деревья (в программировании)?
Математическое определение дерева — «граф без петель и циклов» вряд-ли пояснит рядовому человеку какие выгоды можно извлечь из такой структуры данных.
В некоторых книгах, посвященным разработке алгоритмов, деревья определяются рекурсивно. Дерево является либо пустым, либо состоит из узла (корня), являющегося родительским узлом для некоторого количества деревьев (это количество определяет арность дерева) [1, 2].
Рабочее определение (в рамках этой статьи): дерево — это способ организации данных в виде иерархической структуры.
Когда применяются древовидные структуры:
- иногда такая иерархия существует в предметной области вашей программы, например, она должна обрабатывать гениалогическое дерево или работать со структурой каталогов на жестком диске. В таких случаях инода имеет смысл сохранить между объектами вашей программы существующие отношения иерархии:
Дерево каталогов операционной системы UNIX - в других случаях между объектами, которые обрабатывает ваша программа отношения иерархии явно не заданы, однако, их можно задать и это сделает обработку данных в программе более удобной. Например, при разработке парсеров или трансляторов полезным может оказаться дерево синтаксического разбора (синтаксическое дерево) [4], хотя в выражениях типа «1+7*3» иерархия операций не так очевидна;
- не секрет, что поиск объектов наиболее эффективен если они упорядочены. В частности, поиск значения в неупорядоченном наборе из 1000 элементов в худшем случае потребует 1000 операций, а в упорядоченном — можно обойтись всего 10.
Дерево каталогов операционной системы UNIXДвоичный поиск [3] выполняется над отсортированным массивом. На каждом шаге искомый элемент сравнивается со значением, находящимся посередине массива. В зависимости от результатов сравнения — либо левая, либо правая части могут быть «отброшены».
Иерархия — способ упорядочивания объектов, соответственно применять ее можно для ускорения поиска. Именно этому посвящена остальная часть статьи.
2 Деревья и другие структуры данных
Итак, у нас есть много данных — возможно это информация о температуре за несколько лет, а может быть — данные о фирмах в вашем городе. Как хранить их внутри вашего приложения? — Правильный ответ зависит от того, как именно вы будете пользоваться этими данными.
В таблице приведены асимптотические оценки часто используемых операций над некоторыми структурами данных. На случай если вы еще не освоили асимптотический анализ, в таблице показано примерное значение количества действий, необходимых для выполнения операции над контейнером из 10 тысяч элементов.
| Операция | неупорядоченный массив | упорядоченный массив | неупорядоченный двусвязный список | сбалансированное дерево поиска | |||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| O(n) 10000 | O(1) поиск элемента с заданным значением 10000 | O(log(n)) 10000 | O(log(n)) вставка элемента (значения) 10000 | O(n) 10000 | O(1) (вернет i-тый по значению элемент) Особенностью массивов является хранение данных в непрерывной области памяти. За счет этого обеспечивается максимальная эффективность операции произвольного доступа, однако:
При поиске значения в массиве мы в худшем случае переберем все элементы, то есть выполним O(n) операций. Однако, если массив упорядочен — мы можем применить двоичный поиск, который значительно эффективнее. Связные списки хранят значения в узлах, разбросанных по памяти и связанных между собой указателями. За счет этого, вставка и удаление работает очень быстро, однако для обращения к N -ному элементу списка придется пройти по указателям N раз. Деревья поиска, как и связные списки состоят из узлов, связанных указателями. Однако узлы эти упорядочены определенным образом — за счет этого увеличивается эффективность поиска, но осложняется операция вставки элемента. Эта структура данных, в ряде случаев,может иметь преимущества над массивами и связными списками — посмотрим за счет чего это обеспечивается… 3 Деревья поискаДвоичное дерево состоит из узлов, каждый из которых хранит свое значение, а также две ссылки — на правое и левое поддерево. Если справа или слева нет узлов — соответствующая ссылка равна нулю (в С++ — нулевой указатель). Дерево представляется корнем (ссылкой на самый верхний узел).
Особенность дерева поиска заключается в алгоритме построения — значения вершин левого поддерева должны всегда оказываться меньше или равны значению корневого узла, а правого – больше. При обходе такого дерева, начиная с левого поддерева, значения будут просмотрены в порядке неубывания, начиная с правого – невозрастания, т.е. дерево поиска хранит отсортированные данные: В процессе поиска элемента в дереве, мы сравниваем его со значением корня, если корень оказался больше — то нам нет смысла рассматривать правое поддерево (ведь там все значения еще больше). За счет этого на каждом сравнении «отсекается» узлов дерева, а значит — мы получаем поиск с оценкой сложности O(log(n)) . Операция вставки выполняет добавление листа в дерево, то справа и слева от нового узла будет пусто ( null ). При вставке мы выполняем поиск подходящей свободной позиции, с учетом требования «значения вершин левого поддерева должны всегда оказываться меньше или равны значению корневого узла, а правого – больше». Алгоритм вставки значения E в дерево может выглядеть так:
Пример использования такого алгоритма приведен в таблице:
В качестве упражнения полезно попробовать вставить в дерево узел со значением 8.5 , а также, взять пустое дерево (без элементов) и добавить в него последовательно узлы [1, 11, 32, 46, 48] . Если в результате у вас получится дерево, как на приведенной ниже картинке — вы все поняли и сделали правильно:
Этот пример иллюстрирует основную проблему описанного тут алгоритма вставки узлов — если подать ему на вход упорядоченные данные — то дерево «вытянется» в обыкновенный двусвязный список. В частности, для выполнения поиска в таком «дереве» из N элементов нам придется перейти по укзателям N раз. Удаление элемента из дерева поиска, несколько запутаннее, поэтому алгоритм тут не приведен, зато приведены поясняющие иллюстрации:
Такие алгоритмы добавления элемента и удаления элемента не гарантируют сбалансированности полученного дерева, то есть дерево может «вырождаться» в список, как показано на рисунке выше. Существуют самобалансирующиеся деревья поиска, например, красно-черные деревья, АВЛ-деревья или расширяющиеся деревья, но их рассмотрение выходит за рамки статьи [2, 5, 6]. Нужно знать, что аналогичные операции для, таких деревьев реализуются несколько труднее, но их вычислительная сложность можно оценить как O(log(N)) . Эти алгоритмы уже реализованы во множестве библиотек и обычно их не требуется писать самостоятельно. Например, в стандартной библиотеке С++ они представлены классами std::map и std::set . 4 Kd-деревьяВо многих программах появляется необходимость хранения и эффективной обработки объектов на плоскости. Это не только картографические приложения, но и все двумерные игры. Задумывались ли вы о том, как эту задачу решают игровые движки?
Игровой уровень обычно значительно больше, чем видимая в данный момент область экрана, а отрисовывать необходимо только видимые объекты. Значит движок должен уметь быстро получать объекты, входящие в заданную прямоугольную область. Кроме того, объекты умеют перемещаться и сталкиваться друг с другом — когда Марио собирает монетку, она исчезает, а счет увеличивается. Игровой движок должен эффективно реализовывать обработку столкновения объектов — подумайте почему эта задача сводится к первой. Примитивная реализация поиска столкнувшихся объектов может заключаться в переборе всех пар, то есть имеет вычислительную сложность O(n^2) . Даже в Марио (которой более 20 лет) уровни содержали тысячи объектов, а значит такой алгоритм не подойдет. Мы уже разобрались с тем, что для эффективной реализации поиска объекты нужно хранить упорядоченными. Однако, как хранить точки? — ведь у них есть две (или три) координаты, а сортировка по одной из них не обеспечит приемлемую скорость поиска. Именно эти проблемы решают Kd-деревья. Общая идея kd-деревьев заключается в разделении плоскости, содержащей объекты на части (прямоугольные области) таким образом, что в каждой области содержится один объект. При этом, между областями можно выстроить иерархические зависимости, за счет которых можно существенно повысить эффективность поиска. Существуют различные типы kd-деревьев, отличающиеся выбором секущей плоскости. Задача: есть множество точек, находящихся на плоскости, нужно выстроить объекты в иерархическую структуру, исходя из их координат для обеспечения эффективного поиска. Описанные ниже подходы можно обобщить до более сложных геометрических объектов (не точек) и пространств больших размерностей. Первый вариант решения:
Пример построения такого дерева приведен на рисунке. Тут плоскость сначала разбита относительно точки А на левую и правую, правая в свою очередь разбита на нижнюю и верхнюю относительно точки С. Нижняя опять разбивается на левую и правую относительно точки D .
С такой структурой данных, алгоритм вывода всех точек, входящих в Прямоугольник может выглядеть так: Цветом на приведенной выше схеме обозначена область поиска. Она не пересекается с областью B (расположенной левее А ). Даже если бы в этой области были миллионы точек — мы «отсекли» бы их за одну итерацию алгоритма — то есть мы получили полноценный двоичный поиск на плоскости. Визуализация алгоритма: При перемещении объектов может возникать необходимость перестроения дерева — если объект переместился из одной области «родительского» объекта в другую. Описанный подход называется Kd-деревья с циклическим проходом по измерениям. Возможны и другие варианты выбора секущей плоскости — например каждый узел квадрадерева делит свою часть плоскости на 4 части (левая верхняя, левая нижняя, правая верхняя, права нижняя). Если в какой-то части оказывается более 1 объекта — то она делится дальше. Октадеревья адаптируют эту идею к трехмерному пространству. Источник |
