4.树和二叉树——数据结构 （严蔚敏C语言版）_本关任务:编写程序,实现以下功能: 1、对于一棵给定的二叉树t,复制一棵与它完全相

4.树

4.1树的定义

树(Tree)是n(n≥0）个结点的有限集，它或为空树(n=0);或为非空树，对于非空树T:

• (1）有且仅有一个称之为根的结点;
• (2）除根结点以外的其余结点可分为m (m>0)个互不相交的有限集T1, T2,…,Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，并且称为根的子树( SubTree )。

4.2树的基本术语

1.结点： 树中的一个独立单元。包含一个数据元素及若干指向其子树的分支，如中的A、B、C、D等。
2. 结点的度: 结点拥有的子树数称为结点的度。例如，A的度为3,C的度为1,F的度为0。（注：度是n，就产生n条边）
3. 树的度: 树的度是树内各结点度的最大值。上图树的度为3。
4. 叶子: 度为0的结点称为叶子或终端结点。结点K、L、F、G、M、I、J都是树的叶子。
5. 非终端结点: 度不为0的结点称为非终端结点或分支结点。除根结点之外，非终端结点也称为内部结点。
6. 双亲和孩子: 结点的子树的根称为该结点的孩子，相应地，该结点称为孩子的双亲。例如，B的双亲为A，B的孩子有E和F。
7. 兄弟: 同一个双亲的孩子之间互称兄弟。例如，H、Ⅰ和J互为兄弟。
8. 祖先: 从根到该结点所经分支上的所有结点。例如，M的祖先为A、D和H。
9. 子孙: 以某结点为根的子树中的任一结点都称为该结点的子孙。如B的子孙为E、K、L和F。
10. 层次: 结点的层次从根开始定义起，根为第一层，根的孩子为第二层。树中任一结点的层次等于其双亲结点的层次加1。
11. 堂兄弟: 双亲在同一层的结点互为堂兄弟。例如，结点G与E、F、H、I、J互为堂兄弟。
12. 树的深度: 树中结点的最大层次称为树的深度或高度。图所示的树的深度为4。
13. 有序树和无序树: 如果将树中结点的各子树看成从左至右是有次序的（即不能互换),则称该树为有序树，否则称为无序树。在有序树中最左边的子树的根称为第一个孩子，最右边的称为最后一个孩子。
14. 森林: 是m ( m≥0）棵互不相交的树的集合。对树中每个结点而言，其子树的集合即为森林。由此，也可以用森林和树相互递归的定义来描述树。

4.二叉树

为何要研究二叉树：

• 所有树都能转为唯一对应的二叉树，不失一般性。
• 普通树(多叉树)若不转化为二叉树，则运算很难实现。
• 简单，规律性强。

4.1 二叉树的定义

二叉树： 二叉树是n(n≥O)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。

二叉树特点：

1. 每个结点最多有俩孩子 (二叉树中不存在度大于2的结点)。
2. 子树有左右之分，其次序不能颠倒。
3. 二叉树可以是空集合,根可以有空的左子树或空的右子树。

注：

1. 二叉树不是树的特殊情况，它们是两个概念。二叉树结点的子树要区分左子树和右子树，即使只有一棵子树也要区分，说明它是左子树，还是右子树。
2. 树当结点只有一个孩子时，就无须区分它是左还是右的次序。因此二者是不同的。这是二叉树与树的最主要的差别。

(也就是二叉树每个结点位置或者说次序都是固定的，可以是空，但是不可以说它没有位置，而树的结点位置是相对于别的结点来说的，没有别的结点时，它就无所谓左右了)，

4.2二叉树的基本形态

4.3二叉树基本操作

1. PreOrderTraverse (T)
   初始条件: 二叉树T存在。
   操作结果: 先序遍历T，对每个结点访问一次。
2. InorderTraverse (T)
   初始条件: 二叉树T存在。
   操作结果 : 中序遍历T，对每个结点访问一次。
3. PostOrderTraverse (T)
   初始条件: 二叉树T存在。
   操作结果: 后序遍历T，对每个结点访问一次。
4. CreateBiTree(&T,definition)
   初始条件：definition给出二叉树T的定义。
   操作结果：按definition构造二叉树T。

4.4二叉树的性质

4.4.1 性质1

• 在二叉树的第i层上至多有2^(i-1)个结点(i≥1)。
  

4.4.2 性质2

• 深度为k的二叉树至多有(2^k )- 1个结点（k ≥1)。

4.4.3 性质3

• 对任何一棵二叉树T，如果其叶子数为n，度为2的结点数为n2，则n0 = n2+ 1。(n0:叶子节点)
• 总边数为B = n - 1=n2×2+n1

4.4.3.1 满二叉树

满二叉树： —棵深度为k且有力2^k-1个结点的二叉树称为满二叉树。

特点：

1. 每一层上的结点数都是最大结点数（即每层都满)。
2. 叶子节点全部在最底层对满二叉树结点位置进行编号。
3. 编号规则:从根结点开始，自上而下，自左而右。每一结点位置都有元素。

4.4.3.1 完全二叉树

完全二叉树： 深度为k 的具有n个结点的二叉树，当且仅当其每一个结点都与深度为k的满二叉树中编号为1~n的结点一一对应时，称之为完全二叉树。

下面是不是呢

特点：

1. 叶子只可能分布在层次最天的两层上。
2. 对任一结点，如果其右子树的最大层次为i,则其左子树的最大层次必为i或i+1。

4.4.4性质4

具有n个结点的完全二叉树的深度为Llog2n」+ 1 。

注: Lx」:称作x的底，表示不大于x的最大整数

4.4.5 性质5

如果对一棵有n个结点的完全二叉树(深度为Llog2n」+1）的结点按层序编号(从第1层到第Llog2n」+1层，每层从左到右)，则对任一结点i (1≤i≤n)，有:

1. 如果i=1，则结点i是二叉树的根，无双亲;
   如果i>1，则其双亲是结点Li / 2」。
2. 如果2i> n，则结点i为叶子结点，无左孩子;否则，其左孩子是结点2i。
3. 如果2i+ 1 > n，则结点i无右孩子;否则，其右孩子是结点2i + 1。

4.5二叉树的存储

提要：

4.5.1顺序存储

完全二叉树

非完全二叉树

4.5.2链式存储

4.5.2.1二叉链表

节点构成：

结论：

• 在n个结点的二叉链表中，有n+1个空指针域。
• 必有2n个链域。除根结点外,每个结点有且仅有一个双亲，所以只会有n -1个结点的链域存放指针。

4.5.2.2三叉链表

节点构成：

4.6二叉树的遍历

4.6.1主要三种遍历

DLR——先（根)序遍历，
LDR——中（根)序遍历，
LRD——后 (根)序遍历。

例1：三种遍历

答案：先ABELDHMIJ
中ELBAMHIDJ
后LEBMIHJDA

例2：中缀转后缀表达式

先序: - + ax b- c d / e f
中序: a + bx c - d - e / f
后序: a bc d -×+e f / -

前缀表达式，中缀表达式，后缀表达式一一对应先序，中序，后序。

4.6.2 根据遍历序列确定二叉树

由二叉树的先序序列和中序序列，或由二叉树的后序序列和中序序列可以确定唯一一棵二叉树

4.7二叉遍历的具体实现

深度优先遍历（DFS）：DLR, LDR, LRD

广度优先遍历（BFS）

4.7.1先序DLR

Status PreOrderTraverse(BiTree T){
	if(T==NULL)	return OK;//空二叉树
	else{
		visit(T);//访问根结点  	// // cout<<T->data;
		PreOrderTraverse(T-> lchild);//递归遍历左子树
		PreOrderTraverse(T-> rchild);//递归遍历右子树
		}
}
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4.7.2中序LDR

Status InOrderTraverse(BiTree T){
	if(T==NULL) return OK;//空二叉树
	else{
		InOrderTraverse(T->lchild);//递归遍历左子树
		visit(T);//访问根结点;  // cout<<T->data;
		InOrderTraverse(T->rchild);//递归遍历右子树
		}
}
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4.7.3后序LRD

Status PostOrderTraverse(BiTree T){//后序
	if(T==NULL) return OK;
	else{
		PostOrderTraverse(T->lchild);
		PostOrderTraverse(T->rchild);
		cout<<T->data;
	}

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4.7.4中序遍历的非递归算法

void InOrderTraverse (BiTree T){//中序遍历二叉树T的非递归算法
	Initstack (S) ; p=T;
	q=new BiTNode;
	while(p|| !StackEmpty(S))
	{
		if(p)	//p非空
		{
			Push(S,p);	//根指针进栈
			p=p-> lchild;//根指针进栈,遍历左子树
			}
		else{			//p为空
			Pop(S,q);		//退栈
			cout<<q- >data;	//访问根结点
			p=q-> rchild;	//遍历右子树
		}
	}
}
		
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4.7.5广度优先遍历

层序遍历： 对于一颗二叉树，从根结点开始，按从上到下、从左到右的顺序;访问每一个结点。(注：用队列存储元素)

步骤：

1. 根节点入队；
2. 根节点的孩子入队；
3. 一个根节点出队；
4. 这个根节点的左右孩子出队。

4.8二叉树的建立

4.8.1先序遍历建立二叉树的二叉链表

void CreateBiTree (BiTree &T )
{//按先序次序输人二叉树中结点的值(一个字符),创建二叉链表表示的二叉树T
	cin>>ch;
	if(ch=='#') T=NULL;//递归结束，建空树
	else//递归创建二叉树
	{
		T=new BiTNode;		//生成根结点
		T-> data=ch;		//根结点数据域置为ch
		CreateBiTree (T-> lchild) ;//递归创建左子树
		CreateBiTree (T-> rchild); //递归创建右子树街小
	}
}

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4.8.2复制二叉树

先序遍历的思想

void Copy (BiTree T, BiTree . &NewT)
	{//复制一棵和T完全相同的二叉树
	if (T==NULL)//如果是空树，递归结束
	{
		NewT=NULL;
		return 0;
	}
	else
	{
		NewT=new BiTNode;
		NewT-> data=T-> data;//复制根结点
		Copy (T-> lchild, NewT-> lchild) ;//递归复制左子树
		Copy (T-> rchild, NewT-> rchild) ;//递归复制右子树
	}
}

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4.8.3计算二叉树的深度

后序遍历的思想

int Depth(BiTree T)
{//计算二叉树T的深度
	if (T==NULL) return 0;//如果是空树，深度为0，递归结束
	else
		{
			m=Depth (T->lchi1d) ;//递归计算左子树的深度记为m butol叫_
			n=Depth (T->rchild) ;//递归计算右子树的深度记为n
			if (m>n) return (m+1) ;//二叉树的深度为m与n的较大者加1
			else return (n+1);
		}
}
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4.8.4计算二叉树中节点个数

int NodeCount (BiTree T)
	{//统计二叉树T中结点的个数
		if (T==NULL) return 0;//如果是空树，则结点个数为0,递归结束
		else return NodeCount (T->lchild) +NodeCount (T->rchild) +1;
		//否则结点个数为左子树的结点个数+右子树的结点个数+1
}
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4.9线索二叉树

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