【算法思想·二叉搜索树】基操篇

news2024/11/14 15:03:23

本文参考labuladong算法笔记[二叉搜索树心法(基操篇) | labuladong 的算法笔记]

1、概述

我们前文 东哥带你刷二叉搜索树(特性篇) 介绍了 BST 的基本特性,还利用二叉搜索树「中序遍历有序」的特性来解决了几道题目,本文来实现 BST 的基础操作:判断 BST 的合法性、增、删、查。其中「删」和「判断合法性」略微复杂。

BST 的基础操作主要依赖「左小右大」的特性,可以在二叉树中做类似二分搜索的操作,寻找一个元素的效率很高。

对于 BST 相关的问题,你可能会经常看到类似下面这样的代码逻辑:

def BST(root: TreeNode, target: int) -> None:
    if root.val == target:
        # 找到目标,做点什么
    if root.val < target:
        BST(root.right, target)
    if root.val > target:
        BST(root.left, target)

这个代码框架其实和二叉树的遍历框架差不多,无非就是利用了 BST 左小右大的特性而已。接下来看下 BST 这种结构的基础操作是如何实现的。

2、判断 BST 的合法性

力扣98 .「验证二叉搜索树」

给你一个二叉树的根节点 root ,判断其是否是一个有效的二叉搜索树。

有效 二叉搜索树定义如下:

  • 节点的左子树只包含 小于 当前节点的数。
  • 节点的右子树只包含 大于 当前节点的数。
  • 所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。

示例 1:

输入:root = [2,1,3]
输出:true

示例 2:

输入:root = [5,1,4,null,null,3,6]
输出:false
解释:根节点的值是 5 ,但是右子节点的值是 4 。

提示:

  • 树中节点数目范围在[1, 104] 内
  • -231 <= Node.val <= 231 - 1

【思路】

注意,这里是有坑的哦。按照 BST 左小右大的特性,每个节点想要判断自己是否是合法的 BST 节点,要做的事不就是比较自己和左右孩子吗?感觉应该这样写代码:

def isValidBST(root: TreeNode) -> bool:
    if root is None:
        return True
    # root 的左边应该更小
    if root.left is not None and root.left.val >= root.val:
        return False
    # root 的右边应该更大
    if root.right is not None and root.right.val <= root.val:
        return False

    return isValidBST(root.left) and isValidBST(root.right)

 但是这个算法出现了错误,BST 的每个节点应该要小于右边子树的所有节点,下面这个二叉树显然不是 BST,因为节点 10 的右子树中有一个节点 6,但是我们的算法会把它判定为合法 BST:

错误的原因在于,对于每一个节点 root,代码值检查了它的左右孩子节点是否符合左小右大的原则;但是根据 BST 的定义,root 的整个左子树都要小于 root.val,整个右子树都要大于 root.val

问题是,对于某一个节点 root,他只能管得了自己的左右子节点,怎么把 root 的约束传递给左右子树呢?请看正确的代码:

【python】

class Solution:
    def isValidBST(self, root: TreeNode) -> bool:
        return self._isValidBST(root, None, None)

    # 定义:该函数返回 root 为根的子树的所有节点是否满足 max.val > root.val > min.val
    def _isValidBST(self, root: TreeNode, min: TreeNode, max: TreeNode) -> bool:
        # base case
        if root is None:
            return True
        # 若 root.val 不符合 max 和 min 的限制,说明不是合法 BST
        if min is not None and root.val <= min.val:
            return False
        if max is not None and root.val >= max.val:
            return False
        # 根据定义,限定左子树的最大值是 root.val,右子树的最小值是 root.val
        return self._isValidBST(root.left, min, root) and self._isValidBST(root.right, root, max)

3、在 BST 中搜索元素

700 .「二叉搜索树中的搜索」

给定二叉搜索树(BST)的根节点 root 和一个整数值 val

你需要在 BST 中找到节点值等于 val 的节点。 返回以该节点为根的子树。 如果节点不存在,则返回 null 。

示例 1:

输入:root = [4,2,7,1,3], val = 2
输出:[2,1,3]

示例 2:

输入:root = [4,2,7,1,3], val = 5
输出:[]

提示:

  • 树中节点数在 [1, 5000] 范围内
  • 1 <= Node.val <= 107
  • root 是二叉搜索树
  • 1 <= val <= 107

如果是在一棵普通的二叉树中寻找,可以这样写代码:

def searchBST(root, target):
    if not root:
        return None
    if root.val == target:
        return root
    # 当前节点没找到就递归地去左右子树寻找
    left = searchBST(root.left, target)
    right = searchBST(root.right, target)

    return left if left else right

这样写完全正确,但这段代码相当于穷举了所有节点,适用于所有二叉树。那么应该如何充分利用 BST 的特殊性,把「左小右大」的特性用上?

很简单,其实不需要递归地搜索两边,类似二分查找思想,根据 target 和 root.val 的大小比较,就能排除一边。我们把上面的思路稍稍改动:

def searchBST(root: TreeNode, target: int) -> TreeNode:
    # 如果二叉树为空,直接返回
    if not root:
        return None
    # 去左子树搜索
    if root.val > target:
        return searchBST(root.left, target)
    # 去右子树搜索
    if root.val < target:
        return searchBST(root.right, target)
    # 当前节点就是目标值
    return root

4、在 BST 中插入一个数

对数据结构的操作无非遍历 + 访问,遍历就是「找」,访问就是「改」。具体到这个问题,插入一个数,就是先找到插入位置,然后进行插入操作。

因为 BST 一般不会存在值重复的节点,所以我们一般不会在 BST 中插入已存在的值。下面的代码都默认不会向 BST 中插入已存在的值

上一个问题,我们总结了 BST 中的遍历框架,就是「找」的问题。直接套框架,加上「改」的操作即可。

一旦涉及「改」,就类似二叉树的构造问题,函数要返回 TreeNode 类型,并且要对递归调用的返回值进行接收

701. 「二叉搜索树中的插入操作」

给定二叉搜索树(BST)的根节点 root 和要插入树中的值 value ,将值插入二叉搜索树。 返回插入后二叉搜索树的根节点。 输入数据 保证 ,新值和原始二叉搜索树中的任意节点值都不同。

注意,可能存在多种有效的插入方式,只要树在插入后仍保持为二叉搜索树即可。 你可以返回 任意有效的结果 。

示例 1:

输入:root = [4,2,7,1,3], val = 5

输出:[4,2,7,1,3,5]
解释:另一个满足题目要求可以通过的树是:

示例 2:

输入:root = [40,20,60,10,30,50,70], val = 25
输出:[40,20,60,10,30,50,70,null,null,25]

示例 3:

输入:root = [4,2,7,1,3,null,null,null,null,null,null], val = 5
输出:[4,2,7,1,3,5]

提示:

  • 树中的节点数将在 [0, 104]的范围内。
  • -108 <= Node.val <= 108
  • 所有值 Node.val 是 独一无二 的。
  • -108 <= val <= 108
  • 保证 val 在原始BST中不存在。

【python】

class Solution:
    def insertIntoBST(self, root: TreeNode, val: int) -> TreeNode:
        if not root:
            # 找到空位置插入新节点
            return TreeNode(val)
        # 去右子树找插入位置
        if root.val < val:
            root.right = self.insertIntoBST(root.right, val)
        # 去左子树找插入位置
        if root.val > val:
            root.left = self.insertIntoBST(root.left, val)
        # 返回 root,上层递归会接收返回值作为子节点
        return root

5、在 BST 中删除一个数

450. 删除二叉搜索树中的节点 | 力扣  

给定一个二叉搜索树的根节点 root 和一个值 key,删除二叉搜索树中的 key 对应的节点,并保证二叉搜索树的性质不变。返回二叉搜索树(有可能被更新)的根节点的引用。

一般来说,删除节点可分为两个步骤:

  1. 首先找到需要删除的节点;
  2. 如果找到了,删除它。

示例 1:

输入:root = [5,3,6,2,4,null,7], key = 3
输出:[5,4,6,2,null,null,7]
解释:给定需要删除的节点值是 3,所以我们首先找到 3 这个节点,然后删除它。
一个正确的答案是 [5,4,6,2,null,null,7], 如下图所示。
另一个正确答案是 [5,2,6,null,4,null,7]。

示例 2:

输入: root = [5,3,6,2,4,null,7], key = 0
输出: [5,3,6,2,4,null,7]
解释: 二叉树不包含值为 0 的节点

示例 3:

输入: root = [], key = 0
输出: []

提示:

  • 节点数的范围 [0, 104].
  • -105 <= Node.val <= 105
  • 节点值唯一
  • root 是合法的二叉搜索树
  • -105 <= key <= 105

进阶: 要求算法时间复杂度为 O(h),h 为树的高度。

【思路】

这个问题稍微复杂,跟插入操作类似,先「找」再「改」,先把框架写出来再说:

def deleteNode(root: TreeNode, key: int) -> TreeNode:
    if root.val == key:
        # 找到啦,进行删除
    elif root.val > key:
        # 去左子树找
        root.left = deleteNode(root.left, key)
    elif root.val < key:
        # 去右子树找
        root.right = deleteNode(root.right, key)
    return root

找到目标节点了,比方说是节点 A,如何删除这个节点,这是难点。因为删除节点的同时不能破坏 BST 的性质。有三种情况,用图片来说明。

情况 1A 恰好是末端节点,两个子节点都为空,那么它可以当场去世了。

if (root.left == null && root.right == null)
    return null;

情况 2A 只有一个非空子节点,那么它要让这个孩子接替自己的位置。

// 排除了情况 1 之后
if (root.left == null) return root.right;
if (root.right == null) return root.left;

情况 3A 有两个子节点,麻烦了,为了不破坏 BST 的性质,A 必须找到左子树中最大的那个节点,或者右子树中最小的那个节点来接替自己。我们以第二种方式讲解。

if (root.left != null && root.right != null) {
    // 找到右子树的最小节点
    TreeNode minNode = getMin(root.right);
    // 把 root 改成 minNode
    root.val = minNode.val;
    // 转而去删除 minNode
    root.right = deleteNode(root.right, minNode.val);
}

三种情况分析完毕,填入框架,简化一下代码:

class Solution:
    '''
    思路:
        1、考虑每个节点应该做什么,应该用递归思路求解
        2、对于单个节点,分为节点值 大于/小于/等于 key三种情况讨论
        3、节点值大于或小于key时,直接递归调用 deleteNode 函数,重塑该节点
        4、节点值等于key时,考虑被删节点处的三种结构,无子节点、有一个子节点、有两个子节点
        5、若有两个子节点,可找到左子树最大节点或右子树最小节点将其删除,并对node做替换
        6、min_node.left = root.left, min_node.right = root.right
    '''
    def deleteNode(self, root: TreeNode, key: int) -> TreeNode:
        if root == None:
            return None
        if root.val == key:
            # 这两个 if 把情况 1 和 2 都正确处理了
            if root.left == None:
                return root.right
            if root.right == None:
                return root.left
            # 处理情况 3
            # 获得右子树最小的节点
            minNode = self.getMin(root.right)
            # 删除右子树最小的节点
            root.right = self.deleteNode(root.right, minNode.val)
            # 用右子树最小的节点替换 root 节点
            minNode.left = root.left
            minNode.right = root.right
            root = minNode
        elif root.val > key:
            root.left = self.deleteNode(root.left, key)
        elif root.val < key:
            root.right = self.deleteNode(root.right, key)
        return root

    def getMin(self, node: TreeNode) -> TreeNode:
        # BST 最左边的就是最小的
        while node.left != None:
            node = node.left
        return node

6、总结

1、如果当前节点会对下面的子节点有整体影响,可以通过辅助函数增长参数列表,借助参数传递信息。

2、掌握 BST 的增删查改方法。

3、递归修改数据结构时,需要对递归调用的返回值进行接收,并返回修改后的节点。

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