text:
CTDL 2005 chuong 9
Chia sẻ: Hoang Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54
lượt xem 19
download
CTDL 2005 chuong 9
Cây nhị phân
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: CTDL 2005 chuong 9
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Chöông 9 – CAÂY NHÒ PHAÂN So vôùi hieän thöïc lieân tuïc cuûa caùc caáu truùc döõ lieäu, caùc danh saùch lieân keát coù nhöõng öu ñieåm lôùn veà tính meàm deûo. Nhöng chuùng cuõng coù moät ñieåm yeáu, ñoù laø söï tuaàn töï, chuùng ñöôïc toå chöùc theo caùch maø vieäc di chuyeån treân chuùng chæ coù theå qua töøng phaàn töû moät. Trong chöông naøy chuùng ta khaéc phuïc nhöôïc ñieåm naøy baèng caùch söû duïng caùc caáu truùc döõ lieäu caây chöùa con troû. Caây ñöôïc duøng trong raát nhieàu öùng duïng, ñaëc bieät trong vieäc truy xuaát döõ lieäu. 9.1. Caùc khaùi nieäm cô baûn veà caây Moät caây (tree) - hình 9.1- goàm moät taäp höõu haïn caùc nuùt (node) vaø moät taäp höõu haïn caùc caønh (branch) noái giöõa caùc nuùt. Caønh ñi vaøo nuùt goïi laø caønh vaøo (indegree), caønh ñi ra khoûi nuùt goïi laø caønh ra (outdegree). Soá caønh ra töø moät nuùt goïi laø baäc (degree) cuûa nuùt ñoù. Neáu caây khoâng roãng thì phaûi coù moät nuùt goïi laø nuùt goác (root), nuùt naøy khoâng coù caønh vaøo. Caây trong hình 9.1 coù M laø nuùt goác. Caùc nuùt coøn laïi, moãi nuùt phaûi coù chính xaùc moät caønh vaøo. Taát caû caùc nuùt ñeàu coù theå coù 0, 1, hoaëc nhieàu hôn soá caønh ra. M A O D C N Y S E L B T X (a) M - A - - N - - C - - -B M(A(NC(B))DO(Y(TX)ELS)) - D (c) - O - - Y - - - T - - - X - - E - - L - - S (b) Hình 9.1 – Caùc caùch bieåu dieãn cuûa caây Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 183
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Nuùt laù (leaf) ñöôïc ñònh nghóa nhö laø nuùt cuûa caây maø soá caønh ra baèng 0. Caùc nuùt khoâng phaûi nuùt goác hoaëc nuùt laù thì ñöôïc goïi laø nuùt trung gian hay nuùt trong (internal node). Nuùt coù soá caønh ra khaùc 0 coù theå goïi laø nuùt cha (parent) cuûa caùc nuùt maø caønh ra cuûa noù ñi vaøo, caùc nuùt naøy cuõng ñöôïc goïi laø caùc nuùt con (child) cuûa noù. Caùc nuùt cuøng cha ñöôïc goïi laø caùc nuùt anh em (sibling) vôùi nhau. Nuùt treân nuùt cha coù theå goïi laø nuùt oâng (grandparent, trong moät soá baøi toaùn chuùng ta cuõng caàn goïi teân nhö vaäy ñeå trình baøy giaûi thuaät). Theo hình 9.1, caùc nuùt laù goàm: N, B, D, T, X, E, L, S; caùc nuùt trung gian goàm: A, C, O, Y. Nuùt Y laø cha cuûa hai nuùt T vaø X. T vaø X laø con cuûa Y, vaø laø nuùt anh em vôùi nhau. Ñöôøng ñi (path) töø nuùt n1 ñeán nuùt nk ñöôïc ñònh nghóa laø moät daõy caùc nuùt n1, n2, …, nk sao cho ni laø nuùt cha cuûa nuùt ni+1 vôùi 1≤ i< k. Chieàu daøi (length) ñöôøng ñi naøy laø soá caønh treân noù, ñoù laø k-1. Moãi nuùt coù ñöôøng ñi chieàu daøi baèng 0 ñeán chính noù. Trong moät caây, töø nuùt goác ñeán moãi nuùt coøn laïi chæ coù duy nhaát moät ñöôøng ñi. Ñoái vôùi moãi nuùt ni, ñoä saâu (depth) hay coøn goïi laø möùc (level) cuûa noù chính laø chieàu daøi ñöôøng ñi duy nhaát töø nuùt goác ñeán noù coäng 1. Nuùt goác coù möùc baèng 1. Chieàu cao (height) cuûa nuùt ni laø chieàu daøi cuûa ñöôøng ñi daøi nhaát töø noù ñeán moät nuùt laù. Moïi nuùt laù coù chieàu cao baèng 1. Chieàu cao cuûa caây baèng chieàu cao cuûa nuùt goác. Ñoä saâu cuûa caây baèng ñoä saâu cuûa nuùt laù saâu nhaát, noù luoân baèng chieàu cao cuûa caây. Neáu giöõa nuùt n1 vaø nuùt n2 coù moät ñöôøng ñi, thì n1 ñöôc goïi laø nuùt tröôùc (ancestor) cuûa n2 vaø n2 laø nuùt sau (descendant) cuûa n1. M laø nuùt tröôùc cuûa nuùt B. M laø nuùt goác, coù möùc laø 1. Ñöôøng ñi töø M ñeán B laø: M, A, C, B, coù chieàu daøi laø 3. B coù möùc laø 4. B laø nuùt laù, coù chieàu cao laø 1. Chieàu cao cuûa C laø 2, cuûa A laø 3, vaø cuûa M laø 4 chính baèng chieàu cao cuûa caây. Moät caây coù theå ñöôïc chia thaønh nhieàu caây con (subtree). Moät caây con laø baát kyø moät caáu truùc caây beân döôùi cuûa nuùt goác. Nuùt ñaàu tieân cuûa caây con laø nuùt goác cuûa noù vaø ñoâi khi ngöôøi ta duøng teân cuûa nuùt naøy ñeå goïi cho caây con. Caây con goác A (hay goïi taét laø caây con A) goàm caùc nuùt A, N, C, B. Moät caây con cuõng coù theå chia thaønh nhieàu caây con khaùc. Khaùi nieäm caây con daãn ñeán ñònh nghóa ñeä quy cho caây nhö sau: Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 184
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Ñònh nghóa: Moät caây laø taäp caùc nuùt maø - laø taäp roãng, hoaëc - coù moät nuùt goïi laø nuùt goác coù khoâng hoaëc nhieàu caây con, caùc caây con cuõng laø caây Caùc caùch bieåu dieãn caây Thoâng thöôøng coù 3 caùch bieåu dieãn caây: bieåu dieãn baèng ñoà thò – hình 9.1a, bieåu dieãn baèng caùch canh leà – hình 9.1b, vaø bieåu dieãn baèng bieåu thöùc coù daáu ngoaëc – hình 9.1c. 9.2. Caây nhò phaân 9.2.1. Caùc ñònh nghóa Ñònh nghóa: Moät caây nhò phaân hoaëc laø moät caây roãng, hoaëc bao goàm moät nuùt goïi laø nuùt goác (root) vaø hai caây nhò phaân ñöôïc goïi laø caây con beân traùi vaø caây con beân phaûi cuûa nuùt goác. Löu yù raèng ñònh nghóa naøy laø ñònh nghóa toaùn hoïc cho moät caáu truùc caây. Ñeå ñaëc taû caây nhò phaân nhö moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng, chuùng ta caàn chæ ra caùc taùc vuï coù theå thöïc hieän treân caây nhò phaân. Caùc phöông thöùc cô baûn cuûa moät caây nhò phaân toång quaùt chuùng ta baøn ñeán coù theå laø taïo caây, giaûi phoùng caây, kieåm tra caây roãng, duyeät caây,… Ñònh nghóa naøy khoâng quan taâm ñeán caùch hieän thöïc cuûa caây nhò phaân trong boä nhôù. Chuùng ta seõ thaáy ngay raèng moät bieåu dieãn lieân keát laø töï nhieân vaø deã söû duïng, nhöng caùc hieän thöïc khaùc nhö maûng lieân tuïc cuõng coù theå thích hôïp. Ñònh nghóa naøy cuõng khoâng quan taâm ñeán caùc khoùa hoaëc caùch maø chuùng ñöôïc saép thöù töï. Caây nhò phaân ñöôïc duøng cho nhieàu muïc ñích khaùc hôn laø chæ coù tìm kieám truy xuaát, do ñoù chuùng ta caàn giöõ moät ñònh nghóa toång quaùt. Tröôùc khi xem xeùt xa hôn veà caùc ñaëc tính chung cuûa caây nhò phaân, chuùng ta haõy quay veà ñònh nghóa toång quaùt vaø nhìn xem baûn chaát ñeä quy cuûa noù theå hieän nhö theá naøo trong caáu truùc cuûa moät caây nhò phaân nhoû. Tröôøng hôïp thöù nhaát, moät tröôøng hôïp cô baûn khoâng lieân quan ñeán ñeä quy, ñoù laø moät caây nhò phaân roãng. Caùch duy nhaát ñeå xaây döïng moät caây nhò phaân coù moät nuùt laø cho nuùt ñoù laø goác vaø cho hai caây con traùi vaø phaûi laø hai caây roãng. Vôùi caây coù hai nuùt, moät trong hai seõ laø goác vaø nuùt coøn laïi seõ thuoäc caây con. Hoaëc caây con traùi hoaëc caây con phaûi laø caây roãng, vaø caây coøn laïi chöùa chính xaùc chæ Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 185
- Chöông 9 – Caây nhò phaân moät nuùt. Nhö vaäy coù hai caây nhò phaân khaùc nhau coù hai nuùt. Hai caây nhò phaân coù hai nuùt coù theå ñöôïc veõ nhö sau: vaø vaø ñaây laø hai caây khaùc nhau. Chuùng ta seõ khoâng bao giôø veõ baát kyø moät phaàn naøo cuûa moät caây nhò phaân nhö sau: do chuùng ta seõ khoâng theå noùi ñöôïc nuùt beân döôùi laø con traùi hay con phaûi cuûa nuùt treân. Ñoái vôùi tröôøng hôïp caây nhò phaân coù ba nuùt, moät trong chuùng seõ laø goác, vaø hai nuùt coøn laïi coù theå ñöôïc chia giöõa caây con traùi vaø caây con phaûi theo moät trong caùc caùch sau: 2+0 1+1 0+2 Do coù theå coù hai caây nhò phaân coù hai nuùt vaø chæ coù moät caây roãng, tröôøng hôïp thöù nhaát treân cho ra hai caây nhò phaân. Tröôøng hôïp thöù ba, töông töï, cho theâm hai caây khaùc. Tröôøng hôïp giöõa, caây con traùi vaø caây con phaûi moãi caây chæ coù moät nuùt, vaø chæ coù duy nhaát moät caây nhò phaân coù moät nuùt neân tröôøng hôïp naøy chæ coù moät caây nhò phaân. Taát caû chuùng ta coù naêm caây nhò phaân coù ba nuùt: Hình 9.2- Caùc caây nhò phaân coù ba nuùt Caùc böôùc ñeå xaây döïng caây naøy laø moät ñieån hình cho caùc tröôøng hôïp lôùn hôn. Chuùng ta baét ñaàu töø goác cuûa caây vaø xem caùc nuùt coøn laïi nhö laø caùc caùch phaân chia giöõa caây con traùi vaø caây con phaûi. Caây con traùi vaø caây con phaûi luùc naøy seõ laø caùc tröôøng hôïp nhoû hôn maø chuùng ta ñaõ bieát. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 186
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Goïi N laø soá nuùt cuûa caây nhò phaân, H laø chieàu cao cuûa caây thì, Hmax = N, Hmin = ⎣log2N⎦ +1 Nmin = H, Nmax = 2H-1 Khoaûng caùch töø moät nuùt ñeán nuùt goác xaùc ñònh chi phí caàn ñeå ñònh vò noù. Chaúng haïn moät nuùt coù ñoä saâu laø 5 thì chuùng ta phaûi ñi töø nuùt goác vaø qua 5 caønh treân ñöôøng ñi töø goác ñeán noù ñeå tìm ñeán noù. Do ñoù, neáu caây caøng thaáp thì vieäc tìm ñeán caùc nuùt seõ caøng nhanh. Ñieàu naøy daãn ñeán tính chaát caân baèng cuûa caây nhò phaân. Heä soá caân baèng cuûa caây (balance factor) laø söï cheânh leäch giöõa chieàu cao cuûa hai caây con traùi vaø phaûi cuûa noù: B = HL-HR Moät caây caân baèng khi heä soá naøy baèng 0 vaø caùc caây con cuûa noù cuõng caân baèng. Moät caây nhò phaân caân baèng vôùi chieàu cao cho tröôùc seõ coù soá nuùt laø lôùn nhaát coù theå. Ngöôïc laïi, vôùi soá nuùt cho tröôùc caây nhò phaân caân baèng coù chieàu cao nhoû nhaát. Thoâng thöôøng ñieàu naøy raát khoù xaûy ra neân ñònh nghóa coù theå nôùi loûng hôn vôùi caùc trò B = –1, 0, hoaëc 1 thay vì chæ laø 0. Chuùng ta seõ hoïc kyõ hôn veà caây caân baèng AVL trong phaàn sau. Moät caây nhò phaân ñaày ñuû (complete tree) laø caây coù ñöôïc soá nuùt toái ña vôùi chieàu cao cuûa noù. Ñoù cuõng chính laø caây coù B=0 vôùi moïi nuùt. Thuaät ngöõ caây nhò phaân gaàn nhö ñaày ñuû cuõng ñöôïc duøng cho tröôøng hôïp caây coù ñöôïc chieàu cao toái thieåu cuûa noù vaø moïi nuùt ôû möùc lôùn nhaát doàn heát veà beân traùi. Hình 9.3 bieåu dieãn caây nhò phaân ñaày ñuû coù 31 nuùt. Giaû söû loaïi ñi caùc nuùt 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31 ta coù moät caây nhò phaân gaàn nhö ñaày ñuû. Hình 9.3 – Caây nhò phaân ñaày ñuû vôùi 31 nuùt. 9.2.2. Duyeät caây nhò phaân Moät trong caùc taùc vuï quan troïng nhaát ñöôïc thöïc hieän treân caây nhò phaân laø duyeät caây (traversal). Moät pheùp duyeät caây laø moät söï di chuyeån qua khaép caùc nuùt cuûa caây theo moät thöù töï ñònh tröôùc, moãi nuùt chæ ñöôïc xöû lyù moät Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 187
- Chöông 9 – Caây nhò phaân laàn duy nhaát. Cuõng nhö pheùp duyeät treân caùc caáu truùc döõ lieäu khaùc, haønh ñoäng maø chuùng ta caàn laøm khi gheù qua moät nuùt seõ phuï thuoäc vaøo öùng duïng. Ñoái vôùi caùc danh saùch, caùc nuùt naèm theo moät thöù töï töï nhieân töø nuùt ñaàu ñeán nuùt cuoái, vaø pheùp duyeät cuõng theo thöù töï naøy. Tuy nhieân, ñoái vôùi caùc caây, coù raát nhieàu thöù töï khaùc nhau ñeå duyeät qua caùc nuùt. Coù 2 caùch tieáp caän chính khi duyeät caây: duyeät theo chieàu saâu vaø duyeät theo chieàu roäng. Duyeät theo chieàu saâu (defth-first traversal): moïi nuùt sau cuûa moät nuùt con ñöôïc duyeät tröôùc khi sang moät nuùt con khaùc. Duyeät theo chieàu roäng (breadth-first traversal): moïi nuùt trong cuøng moät möùc ñöôïc duyeät tröôùc khi sang möùc khaùc. 9.2.2.1. Duyeät theo chieàu saâu Taïi moät nuùt cho tröôùc, coù ba vieäc maø chuùng ta muoán laøm: gheù nuùt naøy, duyeät caây con beân traùi, duyeät caây con beân phaûi. Söï khaùc nhau giöõa caùc phöông aùn duyeät laø chuùng ta quyeát ñònh gheù nuùt ñoù tröôùc hoaëc sau khi duyeät hai caây con, hoaëc giöõa khi duyeät hai caây con. Neáu chuùng ta goïi coâng vieäc gheù moät nuùt laø V, duyeät caây con traùi laø L, duyeät caây con phaûi laø R, thì coù ñeán saùu caùch keát hôïp giöõa chuùng: VLR LVR LRV VRL RVL RLV. Caùc thöù töï duyeät caây chuaån Theo quy öôùc chuaån, saùu caùch duyeät treân giaûm xuoáng chæ coøn ba bôûi chuùng ta chæ xem xeùt caùc caùch maø trong ñoù caây con traùi ñöôïc duyeät tröôùc caây con phaûi. Ba caùch coøn laïi roõ raøng laø töông töï vì chuùng chính laø nhöõng thöù töï ngöôïc cuûa ba caùch chuaån. Caùc caùch chuaån naøy ñöôïc ñaëït teân nhö sau: VLR LVR LRV preorder inorder postorder Caùc teân naøy ñöôïc choïn töông öùng vôùi böôùc maø nuùt ñaõ cho ñöôïc gheù ñeán. Trong pheùp duyeät preorder, nuùt ñöôïc gheù tröôùc caùc caây con; trong pheùp duyeät inorder, noù ñöôïc gheù ñeán giöõa khi duyeät hai caây con; vaø trong pheùp duyeät postorder, goác cuûa caây ñöôïc gheù sau hai caây con cuûa noù. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 188
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Pheùp duyeät inorder ñoâi khi coøn ñöôïc goïi laø pheùp duyeät ñoái xöùng (symmetric order), vaø postorder ñöôïc goïi laø endorder. Caùc ví duï ñôn giaûn Trong ví duï thöù nhaát, chuùng ta haõy xeùt caây nhò phaân sau: 1 2 3 Vôùi pheùp duyeät preorder, goác caây mang nhaõn 1 ñöôïc gheù ñaàu tieân, sau ñoù pheùp duyeät di chuyeån sang caây con traùi. Caây con traùi chæ chöùa moät nuùt coù nhaõn laø 2, nuùt naøy ñöôïc duyeät thöù hai. Sau ñoù pheùp duyeät chuyeån sang caây con phaûi cuûa nuùt goác, cuoái cuøng laø nuùt mang nhaõn 3 ñöôïc gheù. Vaäy pheùp duyeät preorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 2, 3. Tröôùc khi goác cuûa caây ñöôïc gheù theo thöù töï inorder, chuùng ta phaûi duyeät caây con traùi cuûa noù tröôùc. Do ñoù nuùt mang nhaõn 2 ñöôïc gheù ñaàu tieân. Ñoù laø nuùt duy nhaát trong caây con traùi. Sau ñoù pheùp duyeät chuyeån ñeán nuùt goác mang nhaõn 1, vaø cuoái cuøng duyeät qua caây con phaûi. Vaäy pheùp duyeät inorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 2, 1, 3. Vôùi pheùp duyeät postorder, chuùng ta phaûi duyeät caùc hai caây con traùi vaø phaûi tröôùc khi gheù nuùt goác. Tröôùc tieân chuùng ta ñi ñeán caây con beân traùi chæ coù moät nuùt mang nhaõn 2, vaø noù ñöôïc gheù ñaàu tieân. Tieáp theo, chuùng ta duyeät qua caây con phaûi, gheù nuùt 3, vaø cuoái cuøng chuùng ta gheù nuùt 1. Pheùp duyeät postorder duyeät caùc nuùt theo thöù töï 2, 3, 1. Ví duï thöù hai phöùc taïp hôn, chuùng ta haõy xem xeùt caây nhò phaân döôùi ñaây: 1 2 3 5 4 Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 189
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Töông töï caùch laøm treân chuùng ta coù pheùp duyeät preorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 2, 3, 4, 5. Pheùp duyeät inorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 4, 3, 5, 2. Pheùp duyeät postorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 4, 5, 3, 2, 1. Caây bieåu thöùc Caùch choïn caùc teân preorder, inorder, vaø postorder cho ba pheùp duyeät caây treân khoâng phaûi laø tình côø, noù lieân quan chaët cheõ ñeán moät trong nhöõng öùng duïng, ñoù laø caùc caây bieåu thöùc. Moät caây bieåu thöùc (expression tree) ñöôïc taïo neân töø caùc toaùn haïng ñôn giaûn vaø caùc toaùn töû (soá hoïc hoaëc luaän lyù) cuûa bieåu thöùc baèng caùch thay theá caùc toaùn haïng ñôn giaûn baèng caùc nuùt laù cuûa moät caây nhò phaân vaø caùc toaùn töû baèng caùc nuùt beân trong caây. Ñoái vôùi moãi toaùn töû hai ngoâi, caây con traùi chöùa moïi toaùn haïng vaø moïi toaùn töû thuoäc toaùn haïng beân traùi cuûa toaùn töû ñoù, vaø caây con phaûi chöùa moïi toaùn haïng vaø moïi toaùn töû thuoäc toaùn haïng beân phaûi cuûa noù. Hình 9.4 – Caây bieåu thöùc Ñoái vôùi toaùn töû moät ngoâi, moät trong hai caây con seõ roãng. Chuùng ta thöôøng vieát moät vaøi toaùn töû moät ngoâi phía beân traùi cuûa toaùn haïng cuûa chuùng, chaúng haïn daáu tröø (pheùp laáy soá aâm) hoaëc caùc haøm chuaån nhö log() vaø cos(). Caùc toaùn töû moät ngoâi khaùc ñöôïc vieát beân phaûi cuûa toaùn haïng, chaúng haïn haøm giai thöøa ()! hoaëc haøm bình phöông ()2. Ñoâi khi caû hai phía ñeàu hôïp leä, nhö pheùp laáy ñaïo haøm coù theå vieát d/dx phía beân traùi, hoaëc ()’ phía beân phaûi, hoaëc toaùn töû taêng ++ coù aûnh höôûng Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 190
- Chöông 9 – Caây nhò phaân khaùc nhau khi naèm beân traùi hoaëc naèm beân phaûi. Neáu toaùn töû ñöôïc ghi beân traùi, thì trong caây bieåu thöùc noù seõ coù caây con traùi roãng, nhö vaäy toaùn haïng seõ xuaát hieän beân phaûi cuûa noù trong caây. Ngöôïc laïi, neáu toaùn töû xuaát hieän beân phaûi, thì caây con phaûi cuûa noù seõ roãng, vaø toaùn haïng seõ laø caây con traùi cuûa noù. Moät soá caây bieåu thöùc cuûa moät vaøi bieåu thöùc ñôn giaûn ñöôïc minh hoïa trong hình 9.4. Hình 9.5 bieåu dieãn moät coâng thöùc baäc hai phöùc taïp hôn. Ba thöù töï duyeät caây chuaån cho caây bieåu thöùc naøy lieät keâ trong hình 9.6. Hình 9.5 – Caây bieåu thöùc cho coâng thöùc baäc hai. Caùc teân cuûa caùc pheùp duyeät lieân quan ñeán caùc daïng Balan cuûa bieåu thöùc: duyeät caây bieåu thöùc theo preorder laø daïng prefix, trong ñoù moãi toaùn töû naèm tröôùc caùc toaùn haïng cuûa noù; duyeät caây bieåu thöùc theo inorder laø daïng infix (caùch vieát bieåu thöùc quen thuoäc cuûa chuùng ta); duyeät caây bieåu thöùc theo postorder laø daïng postfix, moïi toaùn haïng naèm tröôùc toaùn töû cuûa chuùng. Nhö vaäy caùc caây con traùi vaø caây con phaûi cuûa moãi nuùt luoân laø caùc toaùn haïng cuûa noù, vaø vò trí töông ñoái cuûa moät toaùn töû so vôùi caùc toaùn haïng cuûa noù trong ba daïng Balan hoaøn toaøn gioáng vôùi thöù töï töông ñoái cuûa caùc laàn gheù caùc thaønh phaàn naøy theo moät trong ba pheùp duyeät caây bieåu thöùc. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 191
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Hình 9.6 – Caùc thöù tö duyeät cho caây bieåu thöùc Caây so saùnh Hình 9.7 – Caây so saùnh ñeå tìm nhò phaân Chuùng ta haõy xem laïi ví duï trong hình 9.7 vaø ghi laïi keát quaû cuûa ba pheùp duyeät caây chuaån nhö sau: preorder: Jim Dot Amy Ann Guy Eva Jan Ron Kay Jon Kim Tim Roy Tom inorder: Amy Ann Dot Eva Guy Jan Jim Jon Kay Kim Ron Roy Tim Tom postorder:Ann Amy Eva Jan Guy Dot Jon Kim Kay Roy Tom Tim Ron Jim Pheùp duyeät inorder cho caùc teân coù thöù töï theo alphabet. Caùch taïo moät caây so saùnh nhö hình 9.7 nhö sau: di chuyeån sang traùi khi khoùa cuûa nuùt caàn theâm nhoû hôn khoùa cuûa nuùt ñang xeùt, ngöôïc laïi thì di chuyeån sang phaûi. Nhö vaäy caây nhò phaân treân ñaõ ñöôïc xaây döïng sao cho moïi nuùt trong caây con traùi cuûa moãi nuùt coù thöù töï nhoû hôn thöù töï cuûa noù, vaø moïi nuùt trong caây con phaûi coù thöù töï lôùn hôn noù. Do ñoái vôùi moãi nuùt, pheùp duyeät inorder seõ duyeät qua caùc nuùt trong caây con traùi tröôùc, roài ñeán chính noù, vaø cuoái cuøng laø caùc nuùt trong caây con phaûi, neân chuùng ta coù ñöôïc caùc nuùt theo thöù töï. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 192
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Trong phaàn sau chuùng ta seõ tìm hieåu caùc caây nhò phaân vôùi ñaëc tính treân, chuùng coøn ñöôïc goïi laø caùc caây nhò phaân tìm kieám (binary search tree), do chuùng raát coù ích vaø hieäu quaû cho yeâu caàu tìm kieám. 9.2.2.2. Duyeät theo chieàu roäng Thöù töï duyeät caây theo chieàu roäng laø thöù töï duyeät heát möùc naøy ñeán möùc kia, coù theå töø möùc cao ñeán möùc thaáp hoaëc ngöôïc laïi. Trong moãi möùc coù theå duyeät töø traùi sang phaûi hoaëc töø phaûi sang traùi. Ví duï caây trong hình 9.7 neáu duyeät theo chieàu roäng töø möùc thaáp ñeán möùc cao, trong moãi möùc duyeät töø traùi sang phaûi, ta coù: Jim, Dot, Ron, Amy, Guy, Kay, Tim, Ann, Eva, Jan, Jon, Kim, Roy, Tom. 9.2.3. Hieän thöïc lieân keát cuûa caây nhò phaân Chuùng ta haõy xem xeùt caùch bieåu dieãn cuûa caùc nuùt ñeå xaây döïng neân caây. 9.2.3.1. Caáu truùc cô baûn cho moät nuùt trong caây nhò phaân Hình 9.8 – Caây nhò phaân lieân keát Moãi nuùt cuûa moät caây nhò phaân (cuõng laø goác cuûa moät caây con naøo ñoù) coù hai caây con traùi vaø phaûi. Caùc caây con naøy coù theå ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua caùc con troû chæ ñeán caùc nuùt goác cuûa noù. Chuùng ta coù ñaëc taû sau: template struct Binary_node { // Caùc thaønh phaàn. Entry data; Binary_node *left; Binary_node *right; Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 193
- Chöông 9 – Caây nhò phaân // constructors: Binary_node(); Binary_node(const Entry &x); }; Binary_node chöùa hai constructor ñeàu khôûi gaùn caùc thuoäc tính con troû laø NULL moãi khi ñoái töôïng ñöôïc taïo ra. Trong hình 9.8, chuùng ta thaáy nhöõng tham chieáu NULL, tuy nhieân chuùng ta coù theå quy öôùc raèng caùc caây con roãng vaø caùc caønh ñeán noù coù theå boû qua khoâng caàn hieån thò khi veõ caây. 9.2.3.2. Ñaëc taû caây nhò phaân Moät caây nhò phaân coù moät hieän thöïc töï nhieân trong vuøng nhôù lieân keát. Cuõng nhö caùc caáu truùc lieân keát, chuùng ta seõ caáp phaùt ñoäng caùc nuùt, noái keát chuùng laïi vôùi nhau. Chuùng ta chæ caàn moät con troû chæ ñeán nuùt goác cuûa caây. template class Binary_tree { public: Binary_tree(); bool empty() const; void preorder(void (*visit)(Entry &)); void inorder(void (*visit)(Entry &)); void postorder(void (*visit)(Entry &)); int size() const; void clear(); int height() const; void insert(const Entry &); Binary_tree (const Binary_tree &original); Binary_tree & operator =(const Binary_tree &original); ~Binary_tree(); protected: // Caùc haøm ñeä quy phuï trôï: void recursive_inorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) void recursive_preorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) void recursive_postorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) Binary_node *root; }; Vôùi con troû root, coù theå deã daøng nhaän ra moät caây nhò phaân roãng bôûi bieåu thöùc root == NULL; vaø khi taïo moät caây nhò phaân môùi chuùng ta chæ caàn gaùn root baèng NULL. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 194
- Chöông 9 – Caây nhò phaân template Binary_tree::Binary_tree() /* post: Caây nhò phaân roãng ñöôïc taïo ra. */ { root = NULL; } Phöông thöùc empty kieåm tra xem moät caây nhò phaân coù roãng hay khoâng: template bool Binary_tree::empty() const /* post: Traû veà true neáu caäy roãng, ngöôïc laïi traû veà false. */ { return root == NULL; } 9.2.3.3. Duyeät caây Baây giôø chuùng ta seõ xaây döïng caùc phöông thöùc duyeät moät caây nhò phaân lieân keát theo caû ba pheùp duyeät cô baûn. Cuõng nhö tröôùc kia, chuùng ta seõ giaû söû nhö chuùng ta ñaõ coù haøm visit ñeå thöïc hieän moät coâng vieäc mong muoán naøo ñoù cho moãi nuùt cuûa caây. Vaø nhö caùc haøm duyeät cho nhöõng caáu truùc döõ lieäu khaùc, con troû haøm visit seõ laø moät thoâng soá hình thöùc cuûa caùc haøm duyeät caây. Trong caùc haøm duyeät caây, chuùng ta caàn gheù ñeán nuùt goác vaø duyeät caùc caây con cuûa noù. Ñeä quy seõ laøm cho vieäc duyeät caùc caây con trôû neân heát söùc deã daøng. Caùc caây con ñöôïc tìm thaáy nhôø caùc con troû trong nuùt goác, do ñoù caùc con troû naøy caàn ñöôïc chuyeån cho caùc laàn goïi ñeä quy. Moãi phöông thöùc duyeät caàn goïi haøm ñeä quy coù moät thoâng soá con troû. Chaúng haïn, phöông thöùc duyeät inorder ñöôïc vieát nhö sau: template void Binary_tree::inorder(void (*visit)(Entry &)) /* post: Caây ñöôïc duyeät theo thöù töï inorder uses: Haøm recursive_inorder */ { recursive_inorder(root, visit); } Moät caùch toång quaùt, chuùng ta nhaän thaáy moät caùch toång quaùt raèng baát kyø phöông thöùc naøo cuûa Binary_tree maø baûn chaát laø moät quaù trình ñeä quy cuõng ñöôïc hieän thöïc baèng caùch goïi moät haøm ñeä quy phuï trôï coù thoâng soá laø goác cuûa caây. Haøm duyeät inorder phuï trôï ñöôïc hieän thöïc baèng caùch goïi ñeä quy ñôn giaûn nhö sau: Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 195
- Chöông 9 – Caây nhò phaân template void Binary_tree::recursive_inorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï inorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { recursive_inorder(sub_root->left, visit); (*visit)(sub_root->data); recursive_inorder(sub_root->right, visit); } } Caùc phöông thöùc duyeät khaùc cuõng ñöôïc xaây döïng moät caùch töông töï baèng caùch goïi caùc haøm ñeä quy phuï trôï. caùc haøm ñeä quy phuï trôï coù hieän thöïc nhö sau: template void Binary_tree::recursive_preorder(Binary_node *sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï preorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { (*visit)(sub_root->data); recursive_preorder(sub_root->left, visit); recursive_preorder(sub_root->right, visit); } } template void Binary_tree::recursive_postorder(Binary_node *sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï postorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { recursive_postorder(sub_root->left, visit); recursive_postorder(sub_root->right, visit); (*visit)(sub_root->data); } } Chöông trình duyeät caây theo chieàu roäng luoân phaûi söû duïng ñeán CTDL haøng ñôïi. Neáu duyeät theo thöù töï töø möùc thaáp ñeán möùc cao, moãi möùc duyeät töø traùi sang phaûi, tröôùc tieân nuùt goác ñöôïc ñöa vaøo haøng ñôïi. Coâng vieäc ñöôïc laëp cho ñeán khi Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 196
- Chöông 9 – Caây nhò phaân haøng ñôïi roãng: laáy moät nuùt ra khoûi haøng ñôïi, xöû lyù cho noù, ñöa caùc nuùt con cuûa noù vaøo haøng ñôïi (theo ñuùng thöù töï töø traùi sang phaûi). Caùc bieán theå khaùc cuûa pheùp duyeät caây theo chieàu roäng cuõng voâ cuøng ñôn giaûn, sinh vieân coù theå töï suy nghó theâm. Chuùng ta ñeå phaàn hieän thöïc caùc phöông thöùc cuûa caây nhò phaân nhö height, size, vaø clear nhö laø baøi taäp. Caùc phöông thöùc naøy cuõng ñöôïc hieän thöïc deã daøng baèng caùch goïi caùc haøm ñeä quy phuï trôï. Trong phaàn baøi taäp chuùng ta cuõng seõ vieát phöông thöùc insert ñeå theâm caùc phaàn töû vaøo caây nhò phaân, phöông thöùc naøy caàn ñeå taïo moät caây nhò phaân, sau ñoù, keát hôïp vôùi caùc phöông thöùc neâu treân, chuùng ta seõ kieåm tra lôùp Binary_tree maø chuùng ta xaây döïng ñöôïc. Trong phaàn sau cuûa chöông naøy, chuùng ta seõ xaây döïng caùc lôùp daãn xuaát töø caây nhò phaân coù nhieàu ñaëc tính vaø höõu ích hôn (caùc lôùp daãn xuaát naøy seõ coù caùc phöông thöùc theâm hoaëc loaïi phaàn töû trong caây thích hôïp vôùi ñaëc tính cuûa töøng loaïi caây). Coøn hieän taïi thì chuùng ta khoâng neân theâm nhöõng phöông thöùc nhö vaäy vaøo caây nhò phaân cô baûn. Maëc duø lôùp Binary_tree cuûa chuùng ta xuaát hieän chæ nhö laø moät lôùp voû maø caùc phöông thöùc cuûa noù ñeàu ñaåy caùc coâng vieäc caàn laøm ñeán cho caùc haøm phuï trôï, baûn thaân noù laïi mang moät yù nghóa quan troïng. Lôùp naøy taäp trung vaøo noù nhieàu haøm khaùc nhau vaø cung caáp moät giao dieän thuaän tieän töông töï caùc kieåu döõ lieäu tröøu töôïng khaùc. Hôn nöõa, chính lôùp môùi coù theå cung caáp tính ñoùng kín: khoâng coù noù thì caùc döõ lieäu trong caây khoâng ñöôïc baûo veä moät caùch an toaøn vaø deã daøng bò thaâm nhaäp vaø söûa ñoåi ngoaøi yù muoán. Cuoái cuøng, chuùng ta coù theå thaáy lôùp Binary_tree coøn laøm moät lôùp cô sôû cho caùc lôùp khaùc daãn xuaát töø noù höõu ích hôn. 9.3. Caây nhò phaân tìm kieám Chuùng ta haõy xem xeùt vaán ñeà tìm kieám moät khoùa trong moät danh saùch lieân keát. Khoâng coù caùch naøo khaùc ngoaøi caùch di chuyeån treân danh saùch moãi laàn moät phaàn töû, vaø do ñoù vieäc tìm kieám treân danh saùch lieân keát luoân laø tìm tuaàn töï. Vieäc tìm kieám seõ trôû neân nhanh hôn nhieàu neáu chuùng ta söû duïng danh saùch lieân tuïc vaø tìm nhò phaân. Tuy nhieân, danh saùch lieân tuïc laïi khoâng phuø hôïp vôùi söï bieán ñoäng döõ lieäu. Giaû söû chuùng ta cuõng caàn thay ñoåi danh saùch thöôøng xuyeân, theâm caùc phaàn töû môùi hoaëc loaïi caùc phaàn töû hieän coù. Nhö vaäy danh saùch lieân tuïc seõ chaäm hôn nhieàu so vôùi danh saùch lieân keát, do vieäc theâm vaø loaïi phaàn töû trong danh saùch lieân tuïc moãi laàn ñeàu ñoøi hoûi phaûi di chuyeån nhieàu phaàn töû sang caùc vò trí khaùc. Trong danh saùch lieân keát chæ caàn thay ñoåi moät vaøi con troû maø thoâi. Vaán ñeà chuû choát trong phaàn naøy chính laø: Lieäu chuùng ta coù theå tìm moät hieän thöïc cho caùc danh saùch coù thöù töï maø trong ñoù chuùng ta coù theå tìm kieám, hoaëc theâm bôùt phaàn töû ñeàu raát nhanh? Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 197
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Caây nhò phaân cho moät lôøi giaûi toát cho vaán ñeà naøy. Baèng caùch ñaët caùc entry cuûa moät danh saùch coù thöù töï vaøo trong caùc nuùt cuûa moät caây nhò phaân, chuùng ta seõ thaáy raèng chuùng ta coù theå tìm moät khoùa cho tröôùc qua O(log n) böôùc, gioáng nhö tìm nhò phaân, ñoàng thôøi chuùng ta cuõng coù giaûi thuaät theâm vaø loaïi phaàn töû trong O(log n) thôøi gian. Ñònh nghóa: Moät caây nhò phaân tìm kieám (binary search tree -BST) laø moät caây hoaëc roãng hoaëc trong ñoù moãi nuùt coù moät khoùa (naèm trong phaàn döõ lieäu cuûa noù) vaø thoûa caùc ñieàu kieän sau: 1. Khoùa cuûa nuùt goác lôùn hôn khoùa cuûa baát kyø nuùt naøo trong caây con traùi cuûa noù. 2. Khoùa cuûa nuùt goác nhoû hôn khoùa cuûa baát kyø nuùt naøo trong caây con phaûi cuûa noù. 3. Caây con traùi vaø caây con phaûi cuûa goác cuõng laø caùc caây nhò phaân tìm kieám. Hai ñaëc tính ñaàu tieân moâ taû thöù töï lieân quan ñeán khoùa cuûa nuùt goác, ñaëc tính thöù ba môû roäng chuùng ñeán moïi nuùt trong caây; do ñoù chuùng ta coù theå tieáp tuïc söû duïng caáu truùc ñeä quy cuûa caây nhò phaân. Chuùng ta ñaõ vieát ñònh nghóa naøy theo caùch maø noù baûo ñaûm raèng khoâng coù hai phaàn töû trong moät caây nhò phaân tìm kieám coù cuøng khoùa, do caùc khoùa trong caây con traùi chính xaùc laø nhoû hôn khoùa cuûa goác, vaø caùc khoùa cuûa caây con phaûi cuõng chính xaùc laø lôùn hôn khoùa cuûa goác. Chuùng ta coù theå thay ñoåi ñònh nghóa ñeå cho pheùp caùc phaàn töû truøng khoùa. Tuy nhieân trong phaàn naøy chuùng ta coù theå giaû söû raèng: Khoâng coù hai phaàn töû trong moät caây nhò phaân tìm kieám coù truøng khoùa. Caùc caây nhò phaân trong hình 9.7 vaø 9.8 laø caùc caây nhò phaân tìm kieám, do quyeát ñònh di chuyeån sang traùi hoaëc phaûi taïi moãi nuùt döïa treân caùch so saùnh caùc khoùa trong ñònh nghóa cuûa moät caây tìm kieám. 9.3.1. Caùc danh saùch coù thöù töï vaø caùc caùch hieän thöïc Ñaõ ñeán luùc baét ñaàu xaây döïng caùc phöông thöùc C++ ñeå xöû lyù cho caây nhò phaân tìm kieám, chuùng ta neân löu yù raèng coù ít nhaát laø ba quan ñieåm khaùc nhau döôùi ñaây: • Chuùng ta coù theå xem caây nhò phaân tìm kieám nhö moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng môùi vôùi ñònh nghóa vaø caùc phöông thöùc cuûa noù; • Do caây nhò phaân tìm kieám laø moät daïng ñaëc bieät cuûa caây nhò phaân, chuùng ta coù theå xem caùc phöông thöùc cuûa noù nhö caùc daïng ñaëc bieät cuûa caùc phöông thöùc cuûa caây nhò phaân; • Do caùc phaàn töû trong caây nhò phaân tìm kieám coù chöùa caùc khoùa, vaø do chuùng ñöôïc gaùn döõ lieäu ñeå truy xuaát thoâng tin theo caùch töông töï nhö caùc danh saùch coù thöù töï, chuùng ta coù theå nghieân cöùu caây nhò phaân tìm kieám nhö laø moät hieän thöïc môùi cuûa kieåu döõ lieäu tröøu töôïng danh saùch coù thöù töï (ordered list ADT). Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 198
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Trong thöïc teá, ñoâi khi caùc laäp trình vieân chæ taäp trung vaøo moät trong ba quan ñieåm treân, vaø chuùng ta cuõng seõ nhö theá. Chuùng ta seõ ñaëc taû lôùp caây nhò phaân tìm kieám daãn xuaát töø caây nhò phaân. Nhö vaäy, lôùp caây nhò phaân cuûa chuùng ta laïi bieåu dieãn cho moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng khaùc. Tuy nhieân, lôùp môùi seõ thöøa keá caùc phöông thöùc cuûa lôùp caây nhò phaân tröôùc kia. Baèng caùch naøy, söï söû duïng lôùp thöøa keá nhaán maïnh vaøo hai quan ñieåm treân. Quan ñieåm thöù ba thöôøng ñöôïc nhìn thaáy trong caùc öùng duïng cuûa caây nhò phaân tìm kieám. Chöông trình cuûa ngöôøi söû duïng coù theå duøng lôùp cuûa chuùng ta ñeå giaûi quyeát caùc baøi toaùn saép thöù töï vaø tìm kieám lieân quan ñeán danh saùch coù thöù töï. Chuùng ta ñaõ ñöa ra nhöõng khai baùo C++ cho pheùp xöû lyù cho caây nhò phaân. Chuùng ta seõ söû duïng hieän thöïc naøy cuûa caây nhò phaân laøm cô sôû cho lôùp caây nhò phaân tìm kieám. template class Search_tree: public Binary_tree { public: Error_code insert(const Record &new_data); Error_code remove(const Record &old_data); Error_code tree_search(Record &target) const; private: // Caùc haøm ñeä quy phuï trôï. }; Do lôùp caây nhò phaân tìm kieám thöøa keá töø lôùp nhò phaân, chuùng ta coù theå duøng laïi caùc phöông thöùc ñaõ ñònh nghóa treân caây nhò phaân toång quaùt cho caây nhò phaân tìm kieám. Caùc phöông thöùc naøy laø constructor, destructor, clear, empty, size, height, vaø caùc phöông thöùc duyeät preorder, inorder, postorder. Ñeå theâm vaøo caùc phöông thöùc naøy, moät caây nhò phaân tìm kieám caàn theâm caùc phöông thöùc chuyeân bieät hoùa nhö insert, remove, vaø tree_search. 9.3.2. Tìm kieám treân caây Phöông thöùc môùi quan troïng ñaàu tieân cuûa caây nhò phaân tìm kieám laø: tìm moät phaàn töû vôùi moät khoùa cho tröôùc trong caây nhò phaân tìm kieám lieân keát. Ñaëc taû cuûa phöông thöùc nhö sau: Error_code Search_tree :: tree_search (Record &target) const; post: Neáu coù moät phaàn töû coù khoùa truøng vôùi khoùa trong target, thì target ñöôïc cheùp ñeø bôûi phaàn töû naøy, phöông thöùc traû veà success; ngöôïc laïi phöông thöùc traû veà not_present. ÔÛ ñaây chuùng ta duøng lôùp Record nhö ñaõ moâ taû trong chöông 7. Ngoaøi thuoäc tính thuoäc lôùp Key daønh cho khoùa, trong Record coù theå coøn nhieàu thaønh phaàn döõ lieäu khaùc. Trong caùc öùng duïng, phöông thöùc naøy thöôøng ñöôïc goïi vôùi thoâng soá target chæ chöùa trò cuûa thaønh phaàn khoùa. Neáu tìm thaáy khoùa caàn tìm, phöông thöùc seõ boå sung caùc döõ lieäu ñaày ñuû vaøo caùc thaønh phaàn khaùc coøn laïi cuûa Record. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 199
- Chöông 9 – Caây nhò phaân 9.3.2.1. Chieán löôïc Ñeå tìm moät khoùa, tröôùc tieân chuùng ta so saùnh noù vôùi khoùa cuûa nuùt goác trong caây. Neáu so truøng, giaûi thuaät döøng. Ngöôïc laïi, chuùng ta ñi sang caây con traùi hoaëc caây con phaûi vaø laëp laïi vieäc tìm kieám trong caây con naøy. Ví duï, chuùng ta caàn tìm teân Kim trong caây nhò phaân tìm kieám hình 9.7 vaø 9.8. Chuùng ta so saùnh Kim vôùi phaàn töû taïi nuùt goác, Jim. Do Kim lôùn hôn Jim theo thöù töï alphabet, chuùng ta ñi sang phaûi vaø tieáp tuïc so saùnh Kim vôùi Ron. Do Kim nhoû hôn Jon, chuùng ta di chuyeån sang traùi, so saùnh Kim vôùi Kay. Chuùng ta laïi di chuyeån sang phaûi vaø gaëp ñöôïc phaàn töû caàn tìm. Ñaây roõ raøng laø moät quaù trình ñeä quy, cho neân chuùng ta seõ hieän thöïc phöông thöùc naøy baèng caùch goïi moät haøm ñeä quy phuï trôï. Lieäu ñieàu kieän döøng cuûa vieäc tìm kieám ñeä quy laø gì? Roõ raøng laø, neáu chuùng ta tìm thaáy phaàn töû caàn tìm, haøm seõ keát thuùc thaønh coâng. Neáu khoâng, chuùng ta seõ cöù tieáp tuïc tìm cho ñeán khi gaëp moät caây roãng, trong tröôøng hôïp naøy vieäc tìm kieám thaát baïi. Haøm ñeä quy tìm kieám phuï trôï seõ traû veà moät con troû chæ ñeán phaàn töû ñöôïc tìm thaáy. Maëc duø con troû naøy coù theå ñöôïc söû duïng ñeå truy xuaát ñeán döõ lieäu löu trong ñoái töôïng caây, nhöng chæ coù caùc haøm laø nhöõng phöông thöùc cuûa caây môùi coù theå goïi haøm tìm kieám phuï trôï naøy (vì chæ coù chuùng môùi coù theå gôûi thuoäc tính root cuûa caây laøm thoâng soá). Nhö vaäy, vieäc traû veà con troû ñeán moät nuùt seõ khoâng vi phaïm ñeán tính ñoùng kín cuûa caây khi nhìn töø öùng duïng beân ngoaøi. Chuùng ta coù ñaëc taû sau ñaây cuûa haøm tìm kieám phuï trôï. Binary_node *Search_tree :: search_for_node (Binary_node *sub_root, const Record &target) const; pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán moät caây con cuûa lôùp Search_tree. post:Neáu khoùa cuûa target khoâng coù trong caây con sub_tree, haøm traû veà NULL; ngöôïc laïi, haøm traû veà con troû ñeán nuùt chöùa target. 9.3.2.2. Phieân baûn ñeä quy Caùch ñôn giaûn nhaát ñeå vieát haøm tìm kieám treân laø duøng ñeä quy: template Binary_node *Search_tree::search_for_node( Binary_node* sub_root, const Record &target) const { if (sub_root == NULL || sub_root->data == target) return sub_root; else if (sub_root->data < target) return search_for_node(sub_root->right, target); else return search_for_node(sub_root->left, target); } Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 200
- Chöông 9 – Caây nhò phaân 9.3.2.3. Khöû ñeä quy Ñeä quy xuaát hieän trong haøm treân chæ laø ñeä quy ñuoâi, ñoù laø leänh cuoái cuøng ñöôïc thöïc hieän trong haøm. Baèng caùch söû duïng voøng laëp, ñeä quy ñuoâi luoân coù theå ñöôïc thay theá bôûi söï laëp laïi nhieàu laàn. Trong tröôøng hôïp naøy chuùng ta caàn vieát voøng laëp theá cho leänh if ñaàu tieân, vaø thay ñoåi thoâng soá sub_root ñeå noù di chuyeån xuoáng caùc caønh cuûa caây. template Binary_node *Search_tree::search_for_node( Binary_node *sub_root, const Record &target) const { while (sub_root != NULL && sub_root->data != target) if (sub_root->data < target) sub_root = sub_root->right; else sub_root = sub_root->left; return sub_root; } 9.3.2.4. Phöông thöùc tree_search Phöông thöùc tree_search ñôn giaûn chæ goïi haøm phuï trôï search_for_node ñeå tìm nuùt chöùa khoùa truøng vôùi khoùa caàn tìm trong caây tìm kieám nhò phaân. Sau ñoù noù trích döõ lieäu caàn thieát vaø traû veà Error_code töông öùng. template Error_code Search_tree::tree_search(Record &target) const /* post: Neáu tìm thaáy khoùa caàn tìm trong target, phöông thöùc seõ boå sung caùc döõ lieäu ñaày ñuû vaøo caùc thaønh phaàn khaùc coøn laïi cuûa target vaø traø veà success. Ngöôïc laïi traû veà not_present. Caû hai tröôøng hôïp caây ñeàu khoâng thay ñoåi. Uses: Haøm search_for_node */ { Error_code result = success; Binary_node *found = search_for_node(root, target); if (found == NULL) result = not_present; else target = found->data; return result; } 9.3.2.5. Haønh vi cuûa giaûi thuaät Chuùng ta thaáy raèng tree_search döïa treân cô sôû cuûa tìm nhò phaân. Neáu chuùng ta thöïc hieän tìm nhò phaân treân moät danh saùch coù thöù töï, chuùng ta thaáy raèng tìm nhò phaân thöïc hieän caùc pheùp so saùnh hoaøn toaøn gioáng nhö tree_search. Chuùng ta cuõng ñaõ bieát tìm nhò phaân thöïc hieän O(log n) laàn so saùnh ñoái vôùi danh saùch coù chieàu daøi n. Ñieàu naøy thöïc söï toát so vôùi caùc phöông phaùp tìm kieám khaùc, do log n taêng raát chaäm khi n taêng. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 201
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Caây trong hình 9.9a laø caây toát nhaát ñoái vôùi vieäc tìm kieám. Caây caøng “raäm raïp” caøng toát: noù coù chieàu cao nhoû nhaát ñoái vôùi soá nuùt cho tröôùc. Soá nuùt naèm giöõa nuùt goác vaø nuùt caàn tìm, keå caû nuùt caàn tìm, laø soá laàn so saùnh caàn thöïc hieän khi tìm kieám. Vì vaäy, caây caøng raäm raïp thì soá laàn so saùnh naøy caøng nhoû. Khoâng phaûi chuùng ta luoân coù theå döï ñoaùn tröôùc hình daïng cuûa moät caây nhò phaân tìm kieám tröôùc khi caây ñöôïc taïo ra, vaø caây ôû hình (b) laø moät caây ñieån hình thöôøng coù nhaát so vôùi caây ôû hình (a). Trong caây naøy, vieäc tìm phaàn töû c caàn boán laàn so saùnh, coøn hình (a) chæ caàn ba laàn so saùnh. Tuy nhieân, caây ôû hình (b) vaãn coøn töông ñoái raäm raïp vaø vieäc tìm kieám treân noù chæ dôû hôn moät ít so vôùi caây toái öu trong hình (a). Hình 9.9 – Moät vaøi caây nhò phaân tìm kieám coù caùc khoùa gioáng nhau Trong hình (c), caây ñaõ trôû neân suy thoaùi, vaø vieäc tìm phaàn töû c caàn ñeán 6 laàn so saùnh. Hình (d) vaø (e) caùc caây ñaõ trôû thaønh chuoãi caùc maéc xích. Khi tìm treân caùc chuoãi maéc xích nhö vaäy, tree_search khoâng theå laøm ñöôïc gì khaùc hôn laø duyeät töø phaàn töû naøy sang phaàn töû kia. Noùi caùch khaùc, tree_search khi thöïc hieän treân chuoãi caùc maéc xích nhö vaäy ñaõ suy thoaùi thaønh tìm tuaàn töï. Trong tröôøng hôïp xaáu Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 202
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Quản lý cơ sở dữ liệu với Microsoft SQL Server 2005 part 9
27 p | 140 | 87
-
CTDL 2005 chuong 14
12 p | 65 | 16
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 2 - GV. Phạm Mạnh Cương
15 p | 42 | 15
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 6 - GV. Phạm Mạnh Cương
11 p | 35 | 14
-
Bài giảng Vi xử lý - Chương 9: Ứng dụng
17 p | 41 | 14
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 8 - GV. Phạm Mạnh Cương
18 p | 26 | 13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 3 - GV. Phạm Mạnh Cương
43 p | 27 | 13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 7 - GV. Phạm Mạnh Cương
19 p | 26 | 13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 4 - GV. Phạm Mạnh Cương
51 p | 32 | 12
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 5 - GV. Phạm Mạnh Cương
15 p | 30 | 11
-
Bài giảng Phân tích, thiết kế và cài đặt hệ thống thông tin: Chương 9 - PGS.TS. Đặng Minh Ất
20 p | 47 | 10
-
CHƯƠNG 9 TẬP TIN (FILE)
36 p | 61 | 9
-
Bài giảng Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: Chương 9 - ThS. Nguyễn Minh Vi
97 p | 43 | 9
-
Bài giảng Cơ sở dữ liệu quan hệ và SQL: Chương 9 - CĐ CNTT Hữu nghị Việt Hàn
79 p | 91 | 9
-
Bài giảng Hệ cơ sở dữ liệu: Chương 9 - ThS. Trịnh Thị Ngọc Linh
9 p | 46 | 7
-
Bài giảng Hệ quản trị CSDL FoxPro: Chương 9 - CĐSP Quảng Trị
20 p | 33 | 7
-
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu: Chương 9 - Nguyễn Xuân Vinh
66 p | 30 | 3

markdown:
# CTDL 2005 chuong 9
Chia sẻ: Hoang Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54
lượt xem 19
download
![](http://image1.tailieu.vn/document/thumbnail/2009/20091103/hoang3/80x100/ctdl_2005_chuong_9_1252.jpg)
##
CTDL 2005 chuong 9
[Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ](javascript:void(0);)
Download
![](http://static1.tailieu.vn/b2013az/templates/version1/default/images/down16x21.png)
Cây nhị phân
Bình luận(0)
[Đăng nhập để gửi bình luận!](javascript:void(0);)
##
Nội dung Text: CTDL 2005 chuong 9
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Chöông 9 – CAÂY NHÒ PHAÂN So vôùi hieän thöïc lieân tuïc cuûa caùc caáu truùc döõ lieäu, caùc danh saùch lieân keát coù nhöõng öu ñieåm lôùn veà tính meàm deûo. Nhöng chuùng cuõng coù moät ñieåm yeáu, ñoù laø söï tuaàn töï, chuùng ñöôïc toå chöùc theo caùch maø vieäc di chuyeån treân chuùng chæ coù theå qua töøng phaàn töû moät. Trong chöông naøy chuùng ta khaéc phuïc nhöôïc ñieåm naøy baèng caùch söû duïng caùc caáu truùc döõ lieäu caây chöùa con troû. Caây ñöôïc duøng trong raát nhieàu öùng duïng, ñaëc bieät trong vieäc truy xuaát döõ lieäu. 9.1. Caùc khaùi nieäm cô baûn veà caây Moät caây (tree) - hình 9.1- goàm moät taäp höõu haïn caùc nuùt (node) vaø moät taäp höõu haïn caùc caønh (branch) noái giöõa caùc nuùt. Caønh ñi vaøo nuùt goïi laø caønh vaøo (indegree), caønh ñi ra khoûi nuùt goïi laø caønh ra (outdegree). Soá caønh ra töø moät nuùt goïi laø baäc (degree) cuûa nuùt ñoù. Neáu caây khoâng roãng thì phaûi coù moät nuùt goïi laø nuùt goác (root), nuùt naøy khoâng coù caønh vaøo. Caây trong hình 9.1 coù M laø nuùt goác. Caùc nuùt coøn laïi, moãi nuùt phaûi coù chính xaùc moät caønh vaøo. Taát caû caùc nuùt ñeàu coù theå coù 0, 1, hoaëc nhieàu hôn soá caønh ra. M A O D C N Y S E L B T X (a) M - A - - N - - C - - -B M(A(NC(B))DO(Y(TX)ELS)) - D (c) - O - - Y - - - T - - - X - - E - - L - - S (b) Hình 9.1 – Caùc caùch bieåu dieãn cuûa caây Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 183
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Nuùt laù (leaf) ñöôïc ñònh nghóa nhö laø nuùt cuûa caây maø soá caønh ra baèng 0. Caùc nuùt khoâng phaûi nuùt goác hoaëc nuùt laù thì ñöôïc goïi laø nuùt trung gian hay nuùt trong (internal node). Nuùt coù soá caønh ra khaùc 0 coù theå goïi laø nuùt cha (parent) cuûa caùc nuùt maø caønh ra cuûa noù ñi vaøo, caùc nuùt naøy cuõng ñöôïc goïi laø caùc nuùt con (child) cuûa noù. Caùc nuùt cuøng cha ñöôïc goïi laø caùc nuùt anh em (sibling) vôùi nhau. Nuùt treân nuùt cha coù theå goïi laø nuùt oâng (grandparent, trong moät soá baøi toaùn chuùng ta cuõng caàn goïi teân nhö vaäy ñeå trình baøy giaûi thuaät). Theo hình 9.1, caùc nuùt laù goàm: N, B, D, T, X, E, L, S; caùc nuùt trung gian goàm: A, C, O, Y. Nuùt Y laø cha cuûa hai nuùt T vaø X. T vaø X laø con cuûa Y, vaø laø nuùt anh em vôùi nhau. Ñöôøng ñi (path) töø nuùt n1 ñeán nuùt nk ñöôïc ñònh nghóa laø moät daõy caùc nuùt n1, n2, …, nk sao cho ni laø nuùt cha cuûa nuùt ni+1 vôùi 1≤ i< k. Chieàu daøi (length) ñöôøng ñi naøy laø soá caønh treân noù, ñoù laø k-1. Moãi nuùt coù ñöôøng ñi chieàu daøi baèng 0 ñeán chính noù. Trong moät caây, töø nuùt goác ñeán moãi nuùt coøn laïi chæ coù duy nhaát moät ñöôøng ñi. Ñoái vôùi moãi nuùt ni, ñoä saâu (depth) hay coøn goïi laø möùc (level) cuûa noù chính laø chieàu daøi ñöôøng ñi duy nhaát töø nuùt goác ñeán noù coäng 1. Nuùt goác coù möùc baèng 1. Chieàu cao (height) cuûa nuùt ni laø chieàu daøi cuûa ñöôøng ñi daøi nhaát töø noù ñeán moät nuùt laù. Moïi nuùt laù coù chieàu cao baèng 1. Chieàu cao cuûa caây baèng chieàu cao cuûa nuùt goác. Ñoä saâu cuûa caây baèng ñoä saâu cuûa nuùt laù saâu nhaát, noù luoân baèng chieàu cao cuûa caây. Neáu giöõa nuùt n1 vaø nuùt n2 coù moät ñöôøng ñi, thì n1 ñöôc goïi laø nuùt tröôùc (ancestor) cuûa n2 vaø n2 laø nuùt sau (descendant) cuûa n1. M laø nuùt tröôùc cuûa nuùt B. M laø nuùt goác, coù möùc laø 1. Ñöôøng ñi töø M ñeán B laø: M, A, C, B, coù chieàu daøi laø 3. B coù möùc laø 4. B laø nuùt laù, coù chieàu cao laø 1. Chieàu cao cuûa C laø 2, cuûa A laø 3, vaø cuûa M laø 4 chính baèng chieàu cao cuûa caây. Moät caây coù theå ñöôïc chia thaønh nhieàu caây con (subtree). Moät caây con laø baát kyø moät caáu truùc caây beân döôùi cuûa nuùt goác. Nuùt ñaàu tieân cuûa caây con laø nuùt goác cuûa noù vaø ñoâi khi ngöôøi ta duøng teân cuûa nuùt naøy ñeå goïi cho caây con. Caây con goác A (hay goïi taét laø caây con A) goàm caùc nuùt A, N, C, B. Moät caây con cuõng coù theå chia thaønh nhieàu caây con khaùc. Khaùi nieäm caây con daãn ñeán ñònh nghóa ñeä quy cho caây nhö sau: Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 184
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Ñònh nghóa: Moät caây laø taäp caùc nuùt maø - laø taäp roãng, hoaëc - coù moät nuùt goïi laø nuùt goác coù khoâng hoaëc nhieàu caây con, caùc caây con cuõng laø caây Caùc caùch bieåu dieãn caây Thoâng thöôøng coù 3 caùch bieåu dieãn caây: bieåu dieãn baèng ñoà thò – hình 9.1a, bieåu dieãn baèng caùch canh leà – hình 9.1b, vaø bieåu dieãn baèng bieåu thöùc coù daáu ngoaëc – hình 9.1c. 9.2. Caây nhò phaân 9.2.1. Caùc ñònh nghóa Ñònh nghóa: Moät caây nhò phaân hoaëc laø moät caây roãng, hoaëc bao goàm moät nuùt goïi laø nuùt goác (root) vaø hai caây nhò phaân ñöôïc goïi laø caây con beân traùi vaø caây con beân phaûi cuûa nuùt goác. Löu yù raèng ñònh nghóa naøy laø ñònh nghóa toaùn hoïc cho moät caáu truùc caây. Ñeå ñaëc taû caây nhò phaân nhö moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng, chuùng ta caàn chæ ra caùc taùc vuï coù theå thöïc hieän treân caây nhò phaân. Caùc phöông thöùc cô baûn cuûa moät caây nhò phaân toång quaùt chuùng ta baøn ñeán coù theå laø taïo caây, giaûi phoùng caây, kieåm tra caây roãng, duyeät caây,… Ñònh nghóa naøy khoâng quan taâm ñeán caùch hieän thöïc cuûa caây nhò phaân trong boä nhôù. Chuùng ta seõ thaáy ngay raèng moät bieåu dieãn lieân keát laø töï nhieân vaø deã söû duïng, nhöng caùc hieän thöïc khaùc nhö maûng lieân tuïc cuõng coù theå thích hôïp. Ñònh nghóa naøy cuõng khoâng quan taâm ñeán caùc khoùa hoaëc caùch maø chuùng ñöôïc saép thöù töï. Caây nhò phaân ñöôïc duøng cho nhieàu muïc ñích khaùc hôn laø chæ coù tìm kieám truy xuaát, do ñoù chuùng ta caàn giöõ moät ñònh nghóa toång quaùt. Tröôùc khi xem xeùt xa hôn veà caùc ñaëc tính chung cuûa caây nhò phaân, chuùng ta haõy quay veà ñònh nghóa toång quaùt vaø nhìn xem baûn chaát ñeä quy cuûa noù theå hieän nhö theá naøo trong caáu truùc cuûa moät caây nhò phaân nhoû. Tröôøng hôïp thöù nhaát, moät tröôøng hôïp cô baûn khoâng lieân quan ñeán ñeä quy, ñoù laø moät caây nhò phaân roãng. Caùch duy nhaát ñeå xaây döïng moät caây nhò phaân coù moät nuùt laø cho nuùt ñoù laø goác vaø cho hai caây con traùi vaø phaûi laø hai caây roãng. Vôùi caây coù hai nuùt, moät trong hai seõ laø goác vaø nuùt coøn laïi seõ thuoäc caây con. Hoaëc caây con traùi hoaëc caây con phaûi laø caây roãng, vaø caây coøn laïi chöùa chính xaùc chæ Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 185
- Chöông 9 – Caây nhò phaân moät nuùt. Nhö vaäy coù hai caây nhò phaân khaùc nhau coù hai nuùt. Hai caây nhò phaân coù hai nuùt coù theå ñöôïc veõ nhö sau: vaø vaø ñaây laø hai caây khaùc nhau. Chuùng ta seõ khoâng bao giôø veõ baát kyø moät phaàn naøo cuûa moät caây nhò phaân nhö sau: do chuùng ta seõ khoâng theå noùi ñöôïc nuùt beân döôùi laø con traùi hay con phaûi cuûa nuùt treân. Ñoái vôùi tröôøng hôïp caây nhò phaân coù ba nuùt, moät trong chuùng seõ laø goác, vaø hai nuùt coøn laïi coù theå ñöôïc chia giöõa caây con traùi vaø caây con phaûi theo moät trong caùc caùch sau: 2+0 1+1 0+2 Do coù theå coù hai caây nhò phaân coù hai nuùt vaø chæ coù moät caây roãng, tröôøng hôïp thöù nhaát treân cho ra hai caây nhò phaân. Tröôøng hôïp thöù ba, töông töï, cho theâm hai caây khaùc. Tröôøng hôïp giöõa, caây con traùi vaø caây con phaûi moãi caây chæ coù moät nuùt, vaø chæ coù duy nhaát moät caây nhò phaân coù moät nuùt neân tröôøng hôïp naøy chæ coù moät caây nhò phaân. Taát caû chuùng ta coù naêm caây nhò phaân coù ba nuùt: Hình 9.2- Caùc caây nhò phaân coù ba nuùt Caùc böôùc ñeå xaây döïng caây naøy laø moät ñieån hình cho caùc tröôøng hôïp lôùn hôn. Chuùng ta baét ñaàu töø goác cuûa caây vaø xem caùc nuùt coøn laïi nhö laø caùc caùch phaân chia giöõa caây con traùi vaø caây con phaûi. Caây con traùi vaø caây con phaûi luùc naøy seõ laø caùc tröôøng hôïp nhoû hôn maø chuùng ta ñaõ bieát. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 186
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Goïi N laø soá nuùt cuûa caây nhò phaân, H laø chieàu cao cuûa caây thì, Hmax = N, Hmin = ⎣log2N⎦ +1 Nmin = H, Nmax = 2H-1 Khoaûng caùch töø moät nuùt ñeán nuùt goác xaùc ñònh chi phí caàn ñeå ñònh vò noù. Chaúng haïn moät nuùt coù ñoä saâu laø 5 thì chuùng ta phaûi ñi töø nuùt goác vaø qua 5 caønh treân ñöôøng ñi töø goác ñeán noù ñeå tìm ñeán noù. Do ñoù, neáu caây caøng thaáp thì vieäc tìm ñeán caùc nuùt seõ caøng nhanh. Ñieàu naøy daãn ñeán tính chaát caân baèng cuûa caây nhò phaân. Heä soá caân baèng cuûa caây (balance factor) laø söï cheânh leäch giöõa chieàu cao cuûa hai caây con traùi vaø phaûi cuûa noù: B = HL-HR Moät caây caân baèng khi heä soá naøy baèng 0 vaø caùc caây con cuûa noù cuõng caân baèng. Moät caây nhò phaân caân baèng vôùi chieàu cao cho tröôùc seõ coù soá nuùt laø lôùn nhaát coù theå. Ngöôïc laïi, vôùi soá nuùt cho tröôùc caây nhò phaân caân baèng coù chieàu cao nhoû nhaát. Thoâng thöôøng ñieàu naøy raát khoù xaûy ra neân ñònh nghóa coù theå nôùi loûng hôn vôùi caùc trò B = –1, 0, hoaëc 1 thay vì chæ laø 0. Chuùng ta seõ hoïc kyõ hôn veà caây caân baèng AVL trong phaàn sau. Moät caây nhò phaân ñaày ñuû (complete tree) laø caây coù ñöôïc soá nuùt toái ña vôùi chieàu cao cuûa noù. Ñoù cuõng chính laø caây coù B=0 vôùi moïi nuùt. Thuaät ngöõ caây nhò phaân gaàn nhö ñaày ñuû cuõng ñöôïc duøng cho tröôøng hôïp caây coù ñöôïc chieàu cao toái thieåu cuûa noù vaø moïi nuùt ôû möùc lôùn nhaát doàn heát veà beân traùi. Hình 9.3 bieåu dieãn caây nhò phaân ñaày ñuû coù 31 nuùt. Giaû söû loaïi ñi caùc nuùt 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31 ta coù moät caây nhò phaân gaàn nhö ñaày ñuû. Hình 9.3 – Caây nhò phaân ñaày ñuû vôùi 31 nuùt. 9.2.2. Duyeät caây nhò phaân Moät trong caùc taùc vuï quan troïng nhaát ñöôïc thöïc hieän treân caây nhò phaân laø duyeät caây (traversal). Moät pheùp duyeät caây laø moät söï di chuyeån qua khaép caùc nuùt cuûa caây theo moät thöù töï ñònh tröôùc, moãi nuùt chæ ñöôïc xöû lyù moät Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 187
- Chöông 9 – Caây nhò phaân laàn duy nhaát. Cuõng nhö pheùp duyeät treân caùc caáu truùc döõ lieäu khaùc, haønh ñoäng maø chuùng ta caàn laøm khi gheù qua moät nuùt seõ phuï thuoäc vaøo öùng duïng. Ñoái vôùi caùc danh saùch, caùc nuùt naèm theo moät thöù töï töï nhieân töø nuùt ñaàu ñeán nuùt cuoái, vaø pheùp duyeät cuõng theo thöù töï naøy. Tuy nhieân, ñoái vôùi caùc caây, coù raát nhieàu thöù töï khaùc nhau ñeå duyeät qua caùc nuùt. Coù 2 caùch tieáp caän chính khi duyeät caây: duyeät theo chieàu saâu vaø duyeät theo chieàu roäng. Duyeät theo chieàu saâu (defth-first traversal): moïi nuùt sau cuûa moät nuùt con ñöôïc duyeät tröôùc khi sang moät nuùt con khaùc. Duyeät theo chieàu roäng (breadth-first traversal): moïi nuùt trong cuøng moät möùc ñöôïc duyeät tröôùc khi sang möùc khaùc. 9.2.2.1. Duyeät theo chieàu saâu Taïi moät nuùt cho tröôùc, coù ba vieäc maø chuùng ta muoán laøm: gheù nuùt naøy, duyeät caây con beân traùi, duyeät caây con beân phaûi. Söï khaùc nhau giöõa caùc phöông aùn duyeät laø chuùng ta quyeát ñònh gheù nuùt ñoù tröôùc hoaëc sau khi duyeät hai caây con, hoaëc giöõa khi duyeät hai caây con. Neáu chuùng ta goïi coâng vieäc gheù moät nuùt laø V, duyeät caây con traùi laø L, duyeät caây con phaûi laø R, thì coù ñeán saùu caùch keát hôïp giöõa chuùng: VLR LVR LRV VRL RVL RLV. Caùc thöù töï duyeät caây chuaån Theo quy öôùc chuaån, saùu caùch duyeät treân giaûm xuoáng chæ coøn ba bôûi chuùng ta chæ xem xeùt caùc caùch maø trong ñoù caây con traùi ñöôïc duyeät tröôùc caây con phaûi. Ba caùch coøn laïi roõ raøng laø töông töï vì chuùng chính laø nhöõng thöù töï ngöôïc cuûa ba caùch chuaån. Caùc caùch chuaån naøy ñöôïc ñaëït teân nhö sau: VLR LVR LRV preorder inorder postorder Caùc teân naøy ñöôïc choïn töông öùng vôùi böôùc maø nuùt ñaõ cho ñöôïc gheù ñeán. Trong pheùp duyeät preorder, nuùt ñöôïc gheù tröôùc caùc caây con; trong pheùp duyeät inorder, noù ñöôïc gheù ñeán giöõa khi duyeät hai caây con; vaø trong pheùp duyeät postorder, goác cuûa caây ñöôïc gheù sau hai caây con cuûa noù. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 188
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Pheùp duyeät inorder ñoâi khi coøn ñöôïc goïi laø pheùp duyeät ñoái xöùng (symmetric order), vaø postorder ñöôïc goïi laø endorder. Caùc ví duï ñôn giaûn Trong ví duï thöù nhaát, chuùng ta haõy xeùt caây nhò phaân sau: 1 2 3 Vôùi pheùp duyeät preorder, goác caây mang nhaõn 1 ñöôïc gheù ñaàu tieân, sau ñoù pheùp duyeät di chuyeån sang caây con traùi. Caây con traùi chæ chöùa moät nuùt coù nhaõn laø 2, nuùt naøy ñöôïc duyeät thöù hai. Sau ñoù pheùp duyeät chuyeån sang caây con phaûi cuûa nuùt goác, cuoái cuøng laø nuùt mang nhaõn 3 ñöôïc gheù. Vaäy pheùp duyeät preorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 2, 3. Tröôùc khi goác cuûa caây ñöôïc gheù theo thöù töï inorder, chuùng ta phaûi duyeät caây con traùi cuûa noù tröôùc. Do ñoù nuùt mang nhaõn 2 ñöôïc gheù ñaàu tieân. Ñoù laø nuùt duy nhaát trong caây con traùi. Sau ñoù pheùp duyeät chuyeån ñeán nuùt goác mang nhaõn 1, vaø cuoái cuøng duyeät qua caây con phaûi. Vaäy pheùp duyeät inorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 2, 1, 3. Vôùi pheùp duyeät postorder, chuùng ta phaûi duyeät caùc hai caây con traùi vaø phaûi tröôùc khi gheù nuùt goác. Tröôùc tieân chuùng ta ñi ñeán caây con beân traùi chæ coù moät nuùt mang nhaõn 2, vaø noù ñöôïc gheù ñaàu tieân. Tieáp theo, chuùng ta duyeät qua caây con phaûi, gheù nuùt 3, vaø cuoái cuøng chuùng ta gheù nuùt 1. Pheùp duyeät postorder duyeät caùc nuùt theo thöù töï 2, 3, 1. Ví duï thöù hai phöùc taïp hôn, chuùng ta haõy xem xeùt caây nhò phaân döôùi ñaây: 1 2 3 5 4 Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 189
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Töông töï caùch laøm treân chuùng ta coù pheùp duyeät preorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 2, 3, 4, 5. Pheùp duyeät inorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 1, 4, 3, 5, 2. Pheùp duyeät postorder seõ gheù caùc nuùt theo thöù töï 4, 5, 3, 2, 1. Caây bieåu thöùc Caùch choïn caùc teân preorder, inorder, vaø postorder cho ba pheùp duyeät caây treân khoâng phaûi laø tình côø, noù lieân quan chaët cheõ ñeán moät trong nhöõng öùng duïng, ñoù laø caùc caây bieåu thöùc. Moät caây bieåu thöùc (expression tree) ñöôïc taïo neân töø caùc toaùn haïng ñôn giaûn vaø caùc toaùn töû (soá hoïc hoaëc luaän lyù) cuûa bieåu thöùc baèng caùch thay theá caùc toaùn haïng ñôn giaûn baèng caùc nuùt laù cuûa moät caây nhò phaân vaø caùc toaùn töû baèng caùc nuùt beân trong caây. Ñoái vôùi moãi toaùn töû hai ngoâi, caây con traùi chöùa moïi toaùn haïng vaø moïi toaùn töû thuoäc toaùn haïng beân traùi cuûa toaùn töû ñoù, vaø caây con phaûi chöùa moïi toaùn haïng vaø moïi toaùn töû thuoäc toaùn haïng beân phaûi cuûa noù. Hình 9.4 – Caây bieåu thöùc Ñoái vôùi toaùn töû moät ngoâi, moät trong hai caây con seõ roãng. Chuùng ta thöôøng vieát moät vaøi toaùn töû moät ngoâi phía beân traùi cuûa toaùn haïng cuûa chuùng, chaúng haïn daáu tröø (pheùp laáy soá aâm) hoaëc caùc haøm chuaån nhö log() vaø cos(). Caùc toaùn töû moät ngoâi khaùc ñöôïc vieát beân phaûi cuûa toaùn haïng, chaúng haïn haøm giai thöøa ()! hoaëc haøm bình phöông ()2. Ñoâi khi caû hai phía ñeàu hôïp leä, nhö pheùp laáy ñaïo haøm coù theå vieát d/dx phía beân traùi, hoaëc ()’ phía beân phaûi, hoaëc toaùn töû taêng ++ coù aûnh höôûng Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 190
- Chöông 9 – Caây nhò phaân khaùc nhau khi naèm beân traùi hoaëc naèm beân phaûi. Neáu toaùn töû ñöôïc ghi beân traùi, thì trong caây bieåu thöùc noù seõ coù caây con traùi roãng, nhö vaäy toaùn haïng seõ xuaát hieän beân phaûi cuûa noù trong caây. Ngöôïc laïi, neáu toaùn töû xuaát hieän beân phaûi, thì caây con phaûi cuûa noù seõ roãng, vaø toaùn haïng seõ laø caây con traùi cuûa noù. Moät soá caây bieåu thöùc cuûa moät vaøi bieåu thöùc ñôn giaûn ñöôïc minh hoïa trong hình 9.4. Hình 9.5 bieåu dieãn moät coâng thöùc baäc hai phöùc taïp hôn. Ba thöù töï duyeät caây chuaån cho caây bieåu thöùc naøy lieät keâ trong hình 9.6. Hình 9.5 – Caây bieåu thöùc cho coâng thöùc baäc hai. Caùc teân cuûa caùc pheùp duyeät lieân quan ñeán caùc daïng Balan cuûa bieåu thöùc: duyeät caây bieåu thöùc theo preorder laø daïng prefix, trong ñoù moãi toaùn töû naèm tröôùc caùc toaùn haïng cuûa noù; duyeät caây bieåu thöùc theo inorder laø daïng infix (caùch vieát bieåu thöùc quen thuoäc cuûa chuùng ta); duyeät caây bieåu thöùc theo postorder laø daïng postfix, moïi toaùn haïng naèm tröôùc toaùn töû cuûa chuùng. Nhö vaäy caùc caây con traùi vaø caây con phaûi cuûa moãi nuùt luoân laø caùc toaùn haïng cuûa noù, vaø vò trí töông ñoái cuûa moät toaùn töû so vôùi caùc toaùn haïng cuûa noù trong ba daïng Balan hoaøn toaøn gioáng vôùi thöù töï töông ñoái cuûa caùc laàn gheù caùc thaønh phaàn naøy theo moät trong ba pheùp duyeät caây bieåu thöùc. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 191
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Hình 9.6 – Caùc thöù tö duyeät cho caây bieåu thöùc Caây so saùnh Hình 9.7 – Caây so saùnh ñeå tìm nhò phaân Chuùng ta haõy xem laïi ví duï trong hình 9.7 vaø ghi laïi keát quaû cuûa ba pheùp duyeät caây chuaån nhö sau: preorder: Jim Dot Amy Ann Guy Eva Jan Ron Kay Jon Kim Tim Roy Tom inorder: Amy Ann Dot Eva Guy Jan Jim Jon Kay Kim Ron Roy Tim Tom postorder:Ann Amy Eva Jan Guy Dot Jon Kim Kay Roy Tom Tim Ron Jim Pheùp duyeät inorder cho caùc teân coù thöù töï theo alphabet. Caùch taïo moät caây so saùnh nhö hình 9.7 nhö sau: di chuyeån sang traùi khi khoùa cuûa nuùt caàn theâm nhoû hôn khoùa cuûa nuùt ñang xeùt, ngöôïc laïi thì di chuyeån sang phaûi. Nhö vaäy caây nhò phaân treân ñaõ ñöôïc xaây döïng sao cho moïi nuùt trong caây con traùi cuûa moãi nuùt coù thöù töï nhoû hôn thöù töï cuûa noù, vaø moïi nuùt trong caây con phaûi coù thöù töï lôùn hôn noù. Do ñoái vôùi moãi nuùt, pheùp duyeät inorder seõ duyeät qua caùc nuùt trong caây con traùi tröôùc, roài ñeán chính noù, vaø cuoái cuøng laø caùc nuùt trong caây con phaûi, neân chuùng ta coù ñöôïc caùc nuùt theo thöù töï. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 192
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Trong phaàn sau chuùng ta seõ tìm hieåu caùc caây nhò phaân vôùi ñaëc tính treân, chuùng coøn ñöôïc goïi laø caùc caây nhò phaân tìm kieám (binary search tree), do chuùng raát coù ích vaø hieäu quaû cho yeâu caàu tìm kieám. 9.2.2.2. Duyeät theo chieàu roäng Thöù töï duyeät caây theo chieàu roäng laø thöù töï duyeät heát möùc naøy ñeán möùc kia, coù theå töø möùc cao ñeán möùc thaáp hoaëc ngöôïc laïi. Trong moãi möùc coù theå duyeät töø traùi sang phaûi hoaëc töø phaûi sang traùi. Ví duï caây trong hình 9.7 neáu duyeät theo chieàu roäng töø möùc thaáp ñeán möùc cao, trong moãi möùc duyeät töø traùi sang phaûi, ta coù: Jim, Dot, Ron, Amy, Guy, Kay, Tim, Ann, Eva, Jan, Jon, Kim, Roy, Tom. 9.2.3. Hieän thöïc lieân keát cuûa caây nhò phaân Chuùng ta haõy xem xeùt caùch bieåu dieãn cuûa caùc nuùt ñeå xaây döïng neân caây. 9.2.3.1. Caáu truùc cô baûn cho moät nuùt trong caây nhò phaân Hình 9.8 – Caây nhò phaân lieân keát Moãi nuùt cuûa moät caây nhò phaân (cuõng laø goác cuûa moät caây con naøo ñoù) coù hai caây con traùi vaø phaûi. Caùc caây con naøy coù theå ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua caùc con troû chæ ñeán caùc nuùt goác cuûa noù. Chuùng ta coù ñaëc taû sau: template struct Binary_node { // Caùc thaønh phaàn. Entry data; Binary_node *left; Binary_node *right; Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 193
- Chöông 9 – Caây nhò phaân // constructors: Binary_node(); Binary_node(const Entry &x); }; Binary_node chöùa hai constructor ñeàu khôûi gaùn caùc thuoäc tính con troû laø NULL moãi khi ñoái töôïng ñöôïc taïo ra. Trong hình 9.8, chuùng ta thaáy nhöõng tham chieáu NULL, tuy nhieân chuùng ta coù theå quy öôùc raèng caùc caây con roãng vaø caùc caønh ñeán noù coù theå boû qua khoâng caàn hieån thò khi veõ caây. 9.2.3.2. Ñaëc taû caây nhò phaân Moät caây nhò phaân coù moät hieän thöïc töï nhieân trong vuøng nhôù lieân keát. Cuõng nhö caùc caáu truùc lieân keát, chuùng ta seõ caáp phaùt ñoäng caùc nuùt, noái keát chuùng laïi vôùi nhau. Chuùng ta chæ caàn moät con troû chæ ñeán nuùt goác cuûa caây. template class Binary_tree { public: Binary_tree(); bool empty() const; void preorder(void (*visit)(Entry &)); void inorder(void (*visit)(Entry &)); void postorder(void (*visit)(Entry &)); int size() const; void clear(); int height() const; void insert(const Entry &); Binary_tree (const Binary_tree &original); Binary_tree & operator =(const Binary_tree &original); ~Binary_tree(); protected: // Caùc haøm ñeä quy phuï trôï: void recursive_inorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) void recursive_preorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) void recursive_postorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) Binary_node *root; }; Vôùi con troû root, coù theå deã daøng nhaän ra moät caây nhò phaân roãng bôûi bieåu thöùc root == NULL; vaø khi taïo moät caây nhò phaân môùi chuùng ta chæ caàn gaùn root baèng NULL. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 194
- Chöông 9 – Caây nhò phaân template Binary_tree::Binary_tree() /* post: Caây nhò phaân roãng ñöôïc taïo ra. */ { root = NULL; } Phöông thöùc empty kieåm tra xem moät caây nhò phaân coù roãng hay khoâng: template bool Binary_tree::empty() const /* post: Traû veà true neáu caäy roãng, ngöôïc laïi traû veà false. */ { return root == NULL; } 9.2.3.3. Duyeät caây Baây giôø chuùng ta seõ xaây döïng caùc phöông thöùc duyeät moät caây nhò phaân lieân keát theo caû ba pheùp duyeät cô baûn. Cuõng nhö tröôùc kia, chuùng ta seõ giaû söû nhö chuùng ta ñaõ coù haøm visit ñeå thöïc hieän moät coâng vieäc mong muoán naøo ñoù cho moãi nuùt cuûa caây. Vaø nhö caùc haøm duyeät cho nhöõng caáu truùc döõ lieäu khaùc, con troû haøm visit seõ laø moät thoâng soá hình thöùc cuûa caùc haøm duyeät caây. Trong caùc haøm duyeät caây, chuùng ta caàn gheù ñeán nuùt goác vaø duyeät caùc caây con cuûa noù. Ñeä quy seõ laøm cho vieäc duyeät caùc caây con trôû neân heát söùc deã daøng. Caùc caây con ñöôïc tìm thaáy nhôø caùc con troû trong nuùt goác, do ñoù caùc con troû naøy caàn ñöôïc chuyeån cho caùc laàn goïi ñeä quy. Moãi phöông thöùc duyeät caàn goïi haøm ñeä quy coù moät thoâng soá con troû. Chaúng haïn, phöông thöùc duyeät inorder ñöôïc vieát nhö sau: template void Binary_tree::inorder(void (*visit)(Entry &)) /* post: Caây ñöôïc duyeät theo thöù töï inorder uses: Haøm recursive_inorder */ { recursive_inorder(root, visit); } Moät caùch toång quaùt, chuùng ta nhaän thaáy moät caùch toång quaùt raèng baát kyø phöông thöùc naøo cuûa Binary_tree maø baûn chaát laø moät quaù trình ñeä quy cuõng ñöôïc hieän thöïc baèng caùch goïi moät haøm ñeä quy phuï trôï coù thoâng soá laø goác cuûa caây. Haøm duyeät inorder phuï trôï ñöôïc hieän thöïc baèng caùch goïi ñeä quy ñôn giaûn nhö sau: Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 195
- Chöông 9 – Caây nhò phaân template void Binary_tree::recursive_inorder(Binary_node*sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï inorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { recursive_inorder(sub_root->left, visit); (*visit)(sub_root->data); recursive_inorder(sub_root->right, visit); } } Caùc phöông thöùc duyeät khaùc cuõng ñöôïc xaây döïng moät caùch töông töï baèng caùch goïi caùc haøm ñeä quy phuï trôï. caùc haøm ñeä quy phuï trôï coù hieän thöïc nhö sau: template void Binary_tree::recursive_preorder(Binary_node *sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï preorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { (*visit)(sub_root->data); recursive_preorder(sub_root->left, visit); recursive_preorder(sub_root->right, visit); } } template void Binary_tree::recursive_postorder(Binary_node *sub_root, void (*visit)(Entry &)) /* pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán goác cuûa moät caây con. post: Caây con ñöôïc duyeät theo thöù töï postorder. uses: Haøm recursive_inorder ñöôïc goïi ñeä quy. */ { if (sub_root != NULL) { recursive_postorder(sub_root->left, visit); recursive_postorder(sub_root->right, visit); (*visit)(sub_root->data); } } Chöông trình duyeät caây theo chieàu roäng luoân phaûi söû duïng ñeán CTDL haøng ñôïi. Neáu duyeät theo thöù töï töø möùc thaáp ñeán möùc cao, moãi möùc duyeät töø traùi sang phaûi, tröôùc tieân nuùt goác ñöôïc ñöa vaøo haøng ñôïi. Coâng vieäc ñöôïc laëp cho ñeán khi Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 196
- Chöông 9 – Caây nhò phaân haøng ñôïi roãng: laáy moät nuùt ra khoûi haøng ñôïi, xöû lyù cho noù, ñöa caùc nuùt con cuûa noù vaøo haøng ñôïi (theo ñuùng thöù töï töø traùi sang phaûi). Caùc bieán theå khaùc cuûa pheùp duyeät caây theo chieàu roäng cuõng voâ cuøng ñôn giaûn, sinh vieân coù theå töï suy nghó theâm. Chuùng ta ñeå phaàn hieän thöïc caùc phöông thöùc cuûa caây nhò phaân nhö height, size, vaø clear nhö laø baøi taäp. Caùc phöông thöùc naøy cuõng ñöôïc hieän thöïc deã daøng baèng caùch goïi caùc haøm ñeä quy phuï trôï. Trong phaàn baøi taäp chuùng ta cuõng seõ vieát phöông thöùc insert ñeå theâm caùc phaàn töû vaøo caây nhò phaân, phöông thöùc naøy caàn ñeå taïo moät caây nhò phaân, sau ñoù, keát hôïp vôùi caùc phöông thöùc neâu treân, chuùng ta seõ kieåm tra lôùp Binary_tree maø chuùng ta xaây döïng ñöôïc. Trong phaàn sau cuûa chöông naøy, chuùng ta seõ xaây döïng caùc lôùp daãn xuaát töø caây nhò phaân coù nhieàu ñaëc tính vaø höõu ích hôn (caùc lôùp daãn xuaát naøy seõ coù caùc phöông thöùc theâm hoaëc loaïi phaàn töû trong caây thích hôïp vôùi ñaëc tính cuûa töøng loaïi caây). Coøn hieän taïi thì chuùng ta khoâng neân theâm nhöõng phöông thöùc nhö vaäy vaøo caây nhò phaân cô baûn. Maëc duø lôùp Binary_tree cuûa chuùng ta xuaát hieän chæ nhö laø moät lôùp voû maø caùc phöông thöùc cuûa noù ñeàu ñaåy caùc coâng vieäc caàn laøm ñeán cho caùc haøm phuï trôï, baûn thaân noù laïi mang moät yù nghóa quan troïng. Lôùp naøy taäp trung vaøo noù nhieàu haøm khaùc nhau vaø cung caáp moät giao dieän thuaän tieän töông töï caùc kieåu döõ lieäu tröøu töôïng khaùc. Hôn nöõa, chính lôùp môùi coù theå cung caáp tính ñoùng kín: khoâng coù noù thì caùc döõ lieäu trong caây khoâng ñöôïc baûo veä moät caùch an toaøn vaø deã daøng bò thaâm nhaäp vaø söûa ñoåi ngoaøi yù muoán. Cuoái cuøng, chuùng ta coù theå thaáy lôùp Binary_tree coøn laøm moät lôùp cô sôû cho caùc lôùp khaùc daãn xuaát töø noù höõu ích hôn. 9.3. Caây nhò phaân tìm kieám Chuùng ta haõy xem xeùt vaán ñeà tìm kieám moät khoùa trong moät danh saùch lieân keát. Khoâng coù caùch naøo khaùc ngoaøi caùch di chuyeån treân danh saùch moãi laàn moät phaàn töû, vaø do ñoù vieäc tìm kieám treân danh saùch lieân keát luoân laø tìm tuaàn töï. Vieäc tìm kieám seõ trôû neân nhanh hôn nhieàu neáu chuùng ta söû duïng danh saùch lieân tuïc vaø tìm nhò phaân. Tuy nhieân, danh saùch lieân tuïc laïi khoâng phuø hôïp vôùi söï bieán ñoäng döõ lieäu. Giaû söû chuùng ta cuõng caàn thay ñoåi danh saùch thöôøng xuyeân, theâm caùc phaàn töû môùi hoaëc loaïi caùc phaàn töû hieän coù. Nhö vaäy danh saùch lieân tuïc seõ chaäm hôn nhieàu so vôùi danh saùch lieân keát, do vieäc theâm vaø loaïi phaàn töû trong danh saùch lieân tuïc moãi laàn ñeàu ñoøi hoûi phaûi di chuyeån nhieàu phaàn töû sang caùc vò trí khaùc. Trong danh saùch lieân keát chæ caàn thay ñoåi moät vaøi con troû maø thoâi. Vaán ñeà chuû choát trong phaàn naøy chính laø: Lieäu chuùng ta coù theå tìm moät hieän thöïc cho caùc danh saùch coù thöù töï maø trong ñoù chuùng ta coù theå tìm kieám, hoaëc theâm bôùt phaàn töû ñeàu raát nhanh? Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 197
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Caây nhò phaân cho moät lôøi giaûi toát cho vaán ñeà naøy. Baèng caùch ñaët caùc entry cuûa moät danh saùch coù thöù töï vaøo trong caùc nuùt cuûa moät caây nhò phaân, chuùng ta seõ thaáy raèng chuùng ta coù theå tìm moät khoùa cho tröôùc qua O(log n) böôùc, gioáng nhö tìm nhò phaân, ñoàng thôøi chuùng ta cuõng coù giaûi thuaät theâm vaø loaïi phaàn töû trong O(log n) thôøi gian. Ñònh nghóa: Moät caây nhò phaân tìm kieám (binary search tree -BST) laø moät caây hoaëc roãng hoaëc trong ñoù moãi nuùt coù moät khoùa (naèm trong phaàn döõ lieäu cuûa noù) vaø thoûa caùc ñieàu kieän sau: 1. Khoùa cuûa nuùt goác lôùn hôn khoùa cuûa baát kyø nuùt naøo trong caây con traùi cuûa noù. 2. Khoùa cuûa nuùt goác nhoû hôn khoùa cuûa baát kyø nuùt naøo trong caây con phaûi cuûa noù. 3. Caây con traùi vaø caây con phaûi cuûa goác cuõng laø caùc caây nhò phaân tìm kieám. Hai ñaëc tính ñaàu tieân moâ taû thöù töï lieân quan ñeán khoùa cuûa nuùt goác, ñaëc tính thöù ba môû roäng chuùng ñeán moïi nuùt trong caây; do ñoù chuùng ta coù theå tieáp tuïc söû duïng caáu truùc ñeä quy cuûa caây nhò phaân. Chuùng ta ñaõ vieát ñònh nghóa naøy theo caùch maø noù baûo ñaûm raèng khoâng coù hai phaàn töû trong moät caây nhò phaân tìm kieám coù cuøng khoùa, do caùc khoùa trong caây con traùi chính xaùc laø nhoû hôn khoùa cuûa goác, vaø caùc khoùa cuûa caây con phaûi cuõng chính xaùc laø lôùn hôn khoùa cuûa goác. Chuùng ta coù theå thay ñoåi ñònh nghóa ñeå cho pheùp caùc phaàn töû truøng khoùa. Tuy nhieân trong phaàn naøy chuùng ta coù theå giaû söû raèng: Khoâng coù hai phaàn töû trong moät caây nhò phaân tìm kieám coù truøng khoùa. Caùc caây nhò phaân trong hình 9.7 vaø 9.8 laø caùc caây nhò phaân tìm kieám, do quyeát ñònh di chuyeån sang traùi hoaëc phaûi taïi moãi nuùt döïa treân caùch so saùnh caùc khoùa trong ñònh nghóa cuûa moät caây tìm kieám. 9.3.1. Caùc danh saùch coù thöù töï vaø caùc caùch hieän thöïc Ñaõ ñeán luùc baét ñaàu xaây döïng caùc phöông thöùc C++ ñeå xöû lyù cho caây nhò phaân tìm kieám, chuùng ta neân löu yù raèng coù ít nhaát laø ba quan ñieåm khaùc nhau döôùi ñaây: • Chuùng ta coù theå xem caây nhò phaân tìm kieám nhö moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng môùi vôùi ñònh nghóa vaø caùc phöông thöùc cuûa noù; • Do caây nhò phaân tìm kieám laø moät daïng ñaëc bieät cuûa caây nhò phaân, chuùng ta coù theå xem caùc phöông thöùc cuûa noù nhö caùc daïng ñaëc bieät cuûa caùc phöông thöùc cuûa caây nhò phaân; • Do caùc phaàn töû trong caây nhò phaân tìm kieám coù chöùa caùc khoùa, vaø do chuùng ñöôïc gaùn döõ lieäu ñeå truy xuaát thoâng tin theo caùch töông töï nhö caùc danh saùch coù thöù töï, chuùng ta coù theå nghieân cöùu caây nhò phaân tìm kieám nhö laø moät hieän thöïc môùi cuûa kieåu döõ lieäu tröøu töôïng danh saùch coù thöù töï (ordered list ADT). Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 198
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Trong thöïc teá, ñoâi khi caùc laäp trình vieân chæ taäp trung vaøo moät trong ba quan ñieåm treân, vaø chuùng ta cuõng seõ nhö theá. Chuùng ta seõ ñaëc taû lôùp caây nhò phaân tìm kieám daãn xuaát töø caây nhò phaân. Nhö vaäy, lôùp caây nhò phaân cuûa chuùng ta laïi bieåu dieãn cho moät kieåu döõ lieäu tröøu töôïng khaùc. Tuy nhieân, lôùp môùi seõ thöøa keá caùc phöông thöùc cuûa lôùp caây nhò phaân tröôùc kia. Baèng caùch naøy, söï söû duïng lôùp thöøa keá nhaán maïnh vaøo hai quan ñieåm treân. Quan ñieåm thöù ba thöôøng ñöôïc nhìn thaáy trong caùc öùng duïng cuûa caây nhò phaân tìm kieám. Chöông trình cuûa ngöôøi söû duïng coù theå duøng lôùp cuûa chuùng ta ñeå giaûi quyeát caùc baøi toaùn saép thöù töï vaø tìm kieám lieân quan ñeán danh saùch coù thöù töï. Chuùng ta ñaõ ñöa ra nhöõng khai baùo C++ cho pheùp xöû lyù cho caây nhò phaân. Chuùng ta seõ söû duïng hieän thöïc naøy cuûa caây nhò phaân laøm cô sôû cho lôùp caây nhò phaân tìm kieám. template class Search_tree: public Binary_tree { public: Error_code insert(const Record &new_data); Error_code remove(const Record &old_data); Error_code tree_search(Record &target) const; private: // Caùc haøm ñeä quy phuï trôï. }; Do lôùp caây nhò phaân tìm kieám thöøa keá töø lôùp nhò phaân, chuùng ta coù theå duøng laïi caùc phöông thöùc ñaõ ñònh nghóa treân caây nhò phaân toång quaùt cho caây nhò phaân tìm kieám. Caùc phöông thöùc naøy laø constructor, destructor, clear, empty, size, height, vaø caùc phöông thöùc duyeät preorder, inorder, postorder. Ñeå theâm vaøo caùc phöông thöùc naøy, moät caây nhò phaân tìm kieám caàn theâm caùc phöông thöùc chuyeân bieät hoùa nhö insert, remove, vaø tree_search. 9.3.2. Tìm kieám treân caây Phöông thöùc môùi quan troïng ñaàu tieân cuûa caây nhò phaân tìm kieám laø: tìm moät phaàn töû vôùi moät khoùa cho tröôùc trong caây nhò phaân tìm kieám lieân keát. Ñaëc taû cuûa phöông thöùc nhö sau: Error_code Search_tree :: tree_search (Record &target) const; post: Neáu coù moät phaàn töû coù khoùa truøng vôùi khoùa trong target, thì target ñöôïc cheùp ñeø bôûi phaàn töû naøy, phöông thöùc traû veà success; ngöôïc laïi phöông thöùc traû veà not_present. ÔÛ ñaây chuùng ta duøng lôùp Record nhö ñaõ moâ taû trong chöông 7. Ngoaøi thuoäc tính thuoäc lôùp Key daønh cho khoùa, trong Record coù theå coøn nhieàu thaønh phaàn döõ lieäu khaùc. Trong caùc öùng duïng, phöông thöùc naøy thöôøng ñöôïc goïi vôùi thoâng soá target chæ chöùa trò cuûa thaønh phaàn khoùa. Neáu tìm thaáy khoùa caàn tìm, phöông thöùc seõ boå sung caùc döõ lieäu ñaày ñuû vaøo caùc thaønh phaàn khaùc coøn laïi cuûa Record. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 199
- Chöông 9 – Caây nhò phaân 9.3.2.1. Chieán löôïc Ñeå tìm moät khoùa, tröôùc tieân chuùng ta so saùnh noù vôùi khoùa cuûa nuùt goác trong caây. Neáu so truøng, giaûi thuaät döøng. Ngöôïc laïi, chuùng ta ñi sang caây con traùi hoaëc caây con phaûi vaø laëp laïi vieäc tìm kieám trong caây con naøy. Ví duï, chuùng ta caàn tìm teân Kim trong caây nhò phaân tìm kieám hình 9.7 vaø 9.8. Chuùng ta so saùnh Kim vôùi phaàn töû taïi nuùt goác, Jim. Do Kim lôùn hôn Jim theo thöù töï alphabet, chuùng ta ñi sang phaûi vaø tieáp tuïc so saùnh Kim vôùi Ron. Do Kim nhoû hôn Jon, chuùng ta di chuyeån sang traùi, so saùnh Kim vôùi Kay. Chuùng ta laïi di chuyeån sang phaûi vaø gaëp ñöôïc phaàn töû caàn tìm. Ñaây roõ raøng laø moät quaù trình ñeä quy, cho neân chuùng ta seõ hieän thöïc phöông thöùc naøy baèng caùch goïi moät haøm ñeä quy phuï trôï. Lieäu ñieàu kieän döøng cuûa vieäc tìm kieám ñeä quy laø gì? Roõ raøng laø, neáu chuùng ta tìm thaáy phaàn töû caàn tìm, haøm seõ keát thuùc thaønh coâng. Neáu khoâng, chuùng ta seõ cöù tieáp tuïc tìm cho ñeán khi gaëp moät caây roãng, trong tröôøng hôïp naøy vieäc tìm kieám thaát baïi. Haøm ñeä quy tìm kieám phuï trôï seõ traû veà moät con troû chæ ñeán phaàn töû ñöôïc tìm thaáy. Maëc duø con troû naøy coù theå ñöôïc söû duïng ñeå truy xuaát ñeán döõ lieäu löu trong ñoái töôïng caây, nhöng chæ coù caùc haøm laø nhöõng phöông thöùc cuûa caây môùi coù theå goïi haøm tìm kieám phuï trôï naøy (vì chæ coù chuùng môùi coù theå gôûi thuoäc tính root cuûa caây laøm thoâng soá). Nhö vaäy, vieäc traû veà con troû ñeán moät nuùt seõ khoâng vi phaïm ñeán tính ñoùng kín cuûa caây khi nhìn töø öùng duïng beân ngoaøi. Chuùng ta coù ñaëc taû sau ñaây cuûa haøm tìm kieám phuï trôï. Binary_node *Search_tree :: search_for_node (Binary_node *sub_root, const Record &target) const; pre: sub_root hoaëc laø NULL hoaëc chæ ñeán moät caây con cuûa lôùp Search_tree. post:Neáu khoùa cuûa target khoâng coù trong caây con sub_tree, haøm traû veà NULL; ngöôïc laïi, haøm traû veà con troû ñeán nuùt chöùa target. 9.3.2.2. Phieân baûn ñeä quy Caùch ñôn giaûn nhaát ñeå vieát haøm tìm kieám treân laø duøng ñeä quy: template Binary_node *Search_tree::search_for_node( Binary_node* sub_root, const Record &target) const { if (sub_root == NULL || sub_root->data == target) return sub_root; else if (sub_root->data < target) return search_for_node(sub_root->right, target); else return search_for_node(sub_root->left, target); } Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 200
- Chöông 9 – Caây nhò phaân 9.3.2.3. Khöû ñeä quy Ñeä quy xuaát hieän trong haøm treân chæ laø ñeä quy ñuoâi, ñoù laø leänh cuoái cuøng ñöôïc thöïc hieän trong haøm. Baèng caùch söû duïng voøng laëp, ñeä quy ñuoâi luoân coù theå ñöôïc thay theá bôûi söï laëp laïi nhieàu laàn. Trong tröôøng hôïp naøy chuùng ta caàn vieát voøng laëp theá cho leänh if ñaàu tieân, vaø thay ñoåi thoâng soá sub_root ñeå noù di chuyeån xuoáng caùc caønh cuûa caây. template Binary_node *Search_tree::search_for_node( Binary_node *sub_root, const Record &target) const { while (sub_root != NULL && sub_root->data != target) if (sub_root->data < target) sub_root = sub_root->right; else sub_root = sub_root->left; return sub_root; } 9.3.2.4. Phöông thöùc tree_search Phöông thöùc tree_search ñôn giaûn chæ goïi haøm phuï trôï search_for_node ñeå tìm nuùt chöùa khoùa truøng vôùi khoùa caàn tìm trong caây tìm kieám nhò phaân. Sau ñoù noù trích döõ lieäu caàn thieát vaø traû veà Error_code töông öùng. template Error_code Search_tree::tree_search(Record &target) const /* post: Neáu tìm thaáy khoùa caàn tìm trong target, phöông thöùc seõ boå sung caùc döõ lieäu ñaày ñuû vaøo caùc thaønh phaàn khaùc coøn laïi cuûa target vaø traø veà success. Ngöôïc laïi traû veà not_present. Caû hai tröôøng hôïp caây ñeàu khoâng thay ñoåi. Uses: Haøm search_for_node */ { Error_code result = success; Binary_node *found = search_for_node(root, target); if (found == NULL) result = not_present; else target = found->data; return result; } 9.3.2.5. Haønh vi cuûa giaûi thuaät Chuùng ta thaáy raèng tree_search döïa treân cô sôû cuûa tìm nhò phaân. Neáu chuùng ta thöïc hieän tìm nhò phaân treân moät danh saùch coù thöù töï, chuùng ta thaáy raèng tìm nhò phaân thöïc hieän caùc pheùp so saùnh hoaøn toaøn gioáng nhö tree_search. Chuùng ta cuõng ñaõ bieát tìm nhò phaân thöïc hieän O(log n) laàn so saùnh ñoái vôùi danh saùch coù chieàu daøi n. Ñieàu naøy thöïc söï toát so vôùi caùc phöông phaùp tìm kieám khaùc, do log n taêng raát chaäm khi n taêng. Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 201
- Chöông 9 – Caây nhò phaân Caây trong hình 9.9a laø caây toát nhaát ñoái vôùi vieäc tìm kieám. Caây caøng “raäm raïp” caøng toát: noù coù chieàu cao nhoû nhaát ñoái vôùi soá nuùt cho tröôùc. Soá nuùt naèm giöõa nuùt goác vaø nuùt caàn tìm, keå caû nuùt caàn tìm, laø soá laàn so saùnh caàn thöïc hieän khi tìm kieám. Vì vaäy, caây caøng raäm raïp thì soá laàn so saùnh naøy caøng nhoû. Khoâng phaûi chuùng ta luoân coù theå döï ñoaùn tröôùc hình daïng cuûa moät caây nhò phaân tìm kieám tröôùc khi caây ñöôïc taïo ra, vaø caây ôû hình (b) laø moät caây ñieån hình thöôøng coù nhaát so vôùi caây ôû hình (a). Trong caây naøy, vieäc tìm phaàn töû c caàn boán laàn so saùnh, coøn hình (a) chæ caàn ba laàn so saùnh. Tuy nhieân, caây ôû hình (b) vaãn coøn töông ñoái raäm raïp vaø vieäc tìm kieám treân noù chæ dôû hôn moät ít so vôùi caây toái öu trong hình (a). Hình 9.9 – Moät vaøi caây nhò phaân tìm kieám coù caùc khoùa gioáng nhau Trong hình (c), caây ñaõ trôû neân suy thoaùi, vaø vieäc tìm phaàn töû c caàn ñeán 6 laàn so saùnh. Hình (d) vaø (e) caùc caây ñaõ trôû thaønh chuoãi caùc maéc xích. Khi tìm treân caùc chuoãi maéc xích nhö vaäy, tree_search khoâng theå laøm ñöôïc gì khaùc hôn laø duyeät töø phaàn töû naøy sang phaàn töû kia. Noùi caùch khaùc, tree_search khi thöïc hieän treân chuoãi caùc maéc xích nhö vaäy ñaõ suy thoaùi thaønh tìm tuaàn töï. Trong tröôøng hôïp xaáu Giaùo trình Caáu truùc Döõ lieäu vaø Giaûi thuaät 202
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Quản lý cơ sở dữ liệu với Microsoft SQL Server 2005 part 9
27 p |
140 |
87
-
CTDL 2005 chuong 14
12 p |
65 |
16
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 2 - GV. Phạm Mạnh Cương
15 p |
42 |
15
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 6 - GV. Phạm Mạnh Cương
11 p |
35 |
14
-
Bài giảng Vi xử lý - Chương 9: Ứng dụng
17 p |
41 |
14
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 8 - GV. Phạm Mạnh Cương
18 p |
26 |
13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 3 - GV. Phạm Mạnh Cương
43 p |
27 |
13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 7 - GV. Phạm Mạnh Cương
19 p |
26 |
13
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 4 - GV. Phạm Mạnh Cương
51 p |
32 |
12
-
Bài giảng Microsoft SQL Server 2005: Chương 5 - GV. Phạm Mạnh Cương
15 p |
30 |
11
-
Bài giảng Phân tích, thiết kế và cài đặt hệ thống thông tin: Chương 9 - PGS.TS. Đặng Minh Ất
20 p |
47 |
10
-
CHƯƠNG 9 TẬP TIN (FILE)
36 p |
61 |
9
-
Bài giảng Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: Chương 9 - ThS. Nguyễn Minh Vi
97 p |
43 |
9
-
Bài giảng Cơ sở dữ liệu quan hệ và SQL: Chương 9 - CĐ CNTT Hữu nghị Việt Hàn
79 p |
91 |
9
-
Bài giảng Hệ cơ sở dữ liệu: Chương 9 - ThS. Trịnh Thị Ngọc Linh
9 p |
46 |
7
-
Bài giảng Hệ quản trị CSDL FoxPro: Chương 9 - CĐSP Quảng Trị
20 p |
33 |
7
-
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu: Chương 9 - Nguyễn Xuân Vinh
66 p |
30 |
3

Server: Apache/2.2.31 (CentOS)

Set-Cookie: TLDEVNamespace=eu89fo84ab8a61bvnf9ld2ima3; path=/; domain=.tailieu.vn; HttpOnly