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我們一起聊聊十五周算法—二叉搜索樹(BST)

開發(fā) 前端
BST有一個(gè)重要的性質(zhì):BST的中序遍歷結(jié)果是有序的(升序),也就是在中序位置可以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值升序打印出來。

今天是十五周算法訓(xùn)練營的第五周,主要講二叉搜索樹專題,包含:驗(yàn)證二叉搜索樹、不同的二叉搜索樹、二叉樹的最近公共祖先、二叉搜索樹的最近公共祖先。(歡迎加入十五周算法訓(xùn)練營,與小伙伴一起卷算法)

BST的特性:

對于BST的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)node,左子樹節(jié)點(diǎn)的值都比node的值要小,右子樹節(jié)點(diǎn)的值都比node的值大;

對于BST的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)node,它的左側(cè)子樹和右側(cè)子樹都是BST。

BST有一個(gè)重要的性質(zhì):BST的中序遍歷結(jié)果是有序的(升序),也就是在中序位置可以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值升序打印出來

void traverse(TreeNode root) {
     if (root == null) return;
     traverse(root.left);
     // 中序遍歷代碼位置
     print(root.val);
     traverse(root.right);
}

驗(yàn)證二叉搜索樹

給你一個(gè)二叉樹的根節(jié)點(diǎn) root ,判斷其是否是一個(gè)有效的二叉搜索樹。

有效 二叉搜索樹定義如下:

節(jié)點(diǎn)的左子樹只包含 小于 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)。 節(jié)點(diǎn)的右子樹只包含 大于 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)。 所有左子樹和右子樹自身必須也是二叉搜索樹。

示例 1:

輸入:root = [2,1,3] 輸出:true

根據(jù)二叉搜索樹特性,通過中序遍歷獲取。

// 解題思路:
// 1. 是否可以通過遍歷一遍二叉樹得到答案?
// 通過中序遍歷可以得到,因?yàn)锽ST的中序遍歷是一個(gè)升序結(jié)果
function isValidBST1(root) {
    let inorder = -Infinity;
    let result = true;
    let traverse = root => {
        if (root === null) {
            return;
        }

        // 前序位置
        traverse(root.left);
        // 中序位置
        // 中序位置獲取當(dāng)前值,并比較其和前一個(gè)值的大小,如果小于等于前一個(gè)值,則證明不是BST樹,則將結(jié)果變?yōu)閒alse
        if (root.val <= inorder) {
            result = false;
        } else {
            inorder = root.val;
        }
        traverse(root.right);
        // 后續(xù)位置
    };

    traverse(root);

    return result;
}

// 將中序遍歷變?yōu)檠h(huán)的方式
function isValidBST2(root) {
    if (root === null) {
        return true;
    }
    let head = root;
    const stack = [];
    let inorder = -Infinity;

    // 中序遍歷的循環(huán)結(jié)構(gòu)是需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)棧,然后先將左節(jié)點(diǎn)全壓入棧中
    while (stack.length > 0 || head !== null) {
        // 當(dāng)head不為空時(shí),壓入棧中
        if (head !== null) {
            stack.push(head);
            head = head.left;
        } else {
            // 彈出棧頂元素
            head = stack.pop();
            if (inorder >= head.val) {
                return false;
            }
            inorder = head.val;
            head = head.right;
        }
    }

    return true;
}

// 2. 是否可以定義一個(gè)遞歸函數(shù),通過子問題(子樹)的答案推導(dǎo)出原問題的答案?
// 答案是可以的,因?yàn)樗阉鞫鏄涞男再|(zhì)是:
// (1)對于BST的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)node,左子樹節(jié)點(diǎn)值都比node的值要小,右子樹節(jié)點(diǎn)的值逗比node的值大;
// (2)對于BST的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)node,它的左側(cè)子樹和右側(cè)子樹都是BST
// 則我們解決該問題可定義一個(gè)遞歸函數(shù)來進(jìn)行解決

// 注意:該問題需要借助外部變量,因?yàn)楦?jié)點(diǎn)的值必須大于左子樹所有值、小于右子樹所有值,所以需要引入最大最小值

function isValidBST3(root) {
    // 構(gòu)造一個(gè)輔助函數(shù),判斷根節(jié)點(diǎn)是否在(min,max)范圍內(nèi)
    const helper = (root, min, max) => {
        if (root === null) {
            return true;
        }

        if (root.val <= min) {
            return false;
        }

        if (root.val >= max) {
            return false;
        }

        return helper(root.left, min, root.val) && helper(root.right, root.val, max);
    };

    // 初始狀態(tài)min為-Infinity,max為Infinity
    return helper(root, -Infinity, Infinity);
}

不同的二叉搜索樹

給你一個(gè)整數(shù) n ,求恰由 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成且節(jié)點(diǎn)值從 1 到 n 互不相同的 「二叉搜索樹」 有多少種?返回滿足題意的二叉搜索樹的種數(shù)。

示例 1:」

圖片

輸入:n = 3

輸出:5

利用的也是左子樹值 < 根節(jié)點(diǎn) < 右子樹值

// 對于BST的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)node,左子樹節(jié)點(diǎn)的值都比node的值要小,右子樹節(jié)點(diǎn)的值都比node的值大

// 在該問題中,1~n都有可能成為根節(jié)點(diǎn),然后左邊的是左子樹上的點(diǎn),右邊的是右子樹上的點(diǎn),然后對應(yīng)根節(jié)點(diǎn)的搜索樹數(shù)量就是左子樹的組合數(shù) * 右子樹的組合數(shù);

// 該問題明顯就轉(zhuǎn)換為一個(gè)遞歸問題

function numTree(n) {
    // 為了解決子問題的重復(fù)問題,需要引入備忘錄
    const memo = [];
    for (let i = 0; i < n + 1; i++) {
        memo.push([]);
        for (let j = 0; j < n + 1; j++) {
            memo[i].push(0);
        }
    }
    const count = (low, high) => {
        // 遞歸終止條件
        if (low > high) {
            return 1;
        }

        // 判斷備忘錄中是否存在該值,存在的話直接使用
        if (memo[low][high] > 0) {
            return memo[low][high];
        }
        let result = 0;

        for (let i = low; i <= high; i++) {
            const left = count(low, i - 1);
            const right = count(i + 1, high);

            result += left * right;
        }

        // 將結(jié)果存儲到備忘錄中
        memo[low][high] = result;

        return result;
    };

    return count(1, n);
}

console.log(numTree(3));

二叉樹的最近公共祖先

給定一個(gè)二叉樹, 找到該樹中兩個(gè)指定節(jié)點(diǎn)的最近公共祖先。

百度百科中最近公共祖先的定義為:“對于有根樹 T 的兩個(gè)節(jié)點(diǎn) p、q,最近公共祖先表示為一個(gè)節(jié)點(diǎn) x,滿足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度盡可能大(一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以是它自己的祖先)?!?/p>

示例 1:

圖片

輸入:root = [3,5,1,6,2,0,8,null,null,7,4], p = 5, q = 1 輸出:3 解釋:節(jié)點(diǎn) 5 和節(jié)點(diǎn) 1 的最近公共祖先是節(jié)點(diǎn) 3 。

// 通過遞歸解決(后續(xù)遍歷)
function lowestCommonAncestor(root, p, q) {
    // 確定遞歸函數(shù)
    const traverse = (node, p, q) => {
        // 確定遞歸終止條件
        if (node === null || node === p || node === q) {
            return node;
        }

        const left = traverse(node.left, p, q);
        const right = traverse(node.right, p, q);

        // 后續(xù)位置
        // 找到一個(gè)節(jié)點(diǎn),其發(fā)現(xiàn)p、q節(jié)點(diǎn)分別出現(xiàn)在其左右子樹上
        if (left !== null && right !== null) {
            return node;
        }

        // p或q本身就是最近公共祖先
        if (left === null) {
            return right;
        }

        return left;
    };

    return traverse(root, p, q);
}

二叉搜索樹的最近公共祖先

給定一個(gè)二叉搜索樹, 找到該樹中兩個(gè)指定節(jié)點(diǎn)的最近公共祖先。

百度百科中最近公共祖先的定義為:“對于有根樹 T 的兩個(gè)結(jié)點(diǎn) p、q,最近公共祖先表示為一個(gè)結(jié)點(diǎn) x,滿足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度盡可能大(一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以是它自己的祖先)?!?/p>

例如,給定如下二叉搜索樹:  root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5]

示例 1:

圖片

輸入: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5], p = 2, q = 8 輸出: 6 解釋: 節(jié)點(diǎn) 2 和節(jié)點(diǎn) 8 的最近公共祖先是 6。

// 因?yàn)槭嵌嫠阉鳂?,其是有順序的,所以找最近公共祖先?jié)點(diǎn)的問題就轉(zhuǎn)換成了該節(jié)點(diǎn)在[p, q]中間即可
function lowestCommonAncestor(root, p, q) {
    const helper = (node, p, q) => {
        if (node === null) {
            return node;
        }

        if (node.val > p.val && node.val > q.val) {
            const left = helper(node.left, p, q);

            if (left !== null) {
                return left;
            }
        }

        if (node.val < p.val && node.val < q.val) {
            const right = helper(node.right, p, q);
            if (right !== null) {
                return right;
            }
        }

        return node;
    };

    return helper(root, p, q);
}

責(zé)任編輯:武曉燕 來源: 前端點(diǎn)線面
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