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证明AVL树的上界和下界_证明avl树高度的上界。下界呢?

证明avl树高度的上界。下界呢?

对于n个节点的AVL树,其高度最低的时候肯定为叶子节点只在最后一层和倒数第二层的时候。即对于 2 k − 1 < n ≦ 2 k + 1 − 1 2^k-1< n\leqq 2^{k+1}-1 2k1<n2k+11的时候下界都为 k k k。因此下界为 h = ┌ l o g 2 ( n + 1 ) ┐ − 1 h=\ulcorner log_2(n+1)\urcorner-1 h=log2(n+1)1

对于上界,我们可以将问题转换为高度为 h h h的树最少有多少节点。

最少的节点情况下:

在这里插入图片描述

我们设高度为 h h h的树最少节点为 S ( h ) S(h) S(h),观察不难发现
S ( 1 ) = 1 S(1)=1 S(1)=1

S ( 2 ) = 2 S(2)=2 S(2)=2

S ( h ) = S ( h − 1 ) + S ( h − 2 ) + 1 S(h)=S(h-1)+S(h-2)+1 S(h)=S(h1)+S(h2)+1

将递推式变形得到:
S ( h ) + 1 = [ S ( h − 1 ) + 1 ] + [ S ( h − 2 ) + 1 ] S(h)+1=[S(h-1)+1]+[S(h-2)+1] S(h)+1=[S(h1)+1]+[S(h2)+1]
我们不妨令 F ( h ) = S ( h ) + 1 F(h)=S(h)+1 F(h)=S(h)+1,则上述递推式变为
F ( 1 ) = 2 F(1)=2 F(1)=2

F ( 2 ) = 3 F(2)=3 F(2)=3

F ( h ) = F ( h − 1 ) + F ( h − 2 ) F(h)=F(h-1)+F(h-2) F(h)=F(h1)+F(h2)

由线性特征根法,特征方程为 x 2 = x + 1 x^2=x+1 x2=x+1,解方程得到 x 1 = 1 − 5 2 , x 2 = 1 + 5 2 x_1=\frac{1-\sqrt{5}}{2},x_2=\frac{1+\sqrt{5}}{2} x1=215 ,x2=21+5

得到数列的通项为 F ( h ) = A x 1 n + B x 2 n F(h)=Ax_1^n+Bx_2^n F(h)=Ax1n+Bx2n,带入 F ( 1 ) , F ( 2 ) F(1),F(2) F(1),F(2),得到递推式为
F ( h ) = 5 − 3 5 10 ( 1 − 5 2 ) h + 5 + 3 5 10 ( 1 + 5 2 ) h F(h)=\frac{5-3\sqrt{5}}{10}(\frac{1-\sqrt{5}}{2})^h+\frac{5+3\sqrt{5}}{10}(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^h F(h)=10535 (215 )h+105+35 (21+5 )h

S ( h ) = 5 − 3 5 10 ( 1 − 5 2 ) h + 5 + 3 5 10 ( 1 + 5 2 ) h − 1 S(h)=\frac{5-3\sqrt{5}}{10}(\frac{1-\sqrt{5}}{2})^h+\frac{5+3\sqrt{5}}{10}(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^h-1 S(h)=10535 (215 )h+105+35 (21+5 )h1

h h h比较大的时候前一项约等于0,因此上界为
S ( h ) ≐ 5 + 3 5 10 ( 1 + 5 2 ) h − 1 S(h)\doteq\frac{5+3\sqrt{5}}{10}(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^h-1 S(h)105+35 (21+5 )h1

h = 1.44 l o g 2 ( n + 1 ) − 0.328 h=1.44log_2(n+1)-0.328 h=1.44log2(n+1)0.328

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