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| 1 | +二叉搜索树的特性是,任何一个节点的值: |
| 2 | + |
| 3 | +- 都大于左子树任意节点。 |
| 4 | +- 都小于右子树任意节点。 |
| 5 | + |
| 6 | +因为二叉搜索树的特性,我们可以更高效的应用算法。 |
| 7 | + |
| 8 | +## 精读 |
| 9 | + |
| 10 | +还记得 [《算法 - 二叉树》](https://github.com/ascoders/weekly/blob/master/%E7%AE%97%E6%B3%95/201.%E7%B2%BE%E8%AF%BB%E3%80%8A%E7%AE%97%E6%B3%95%20-%20%E4%BA%8C%E5%8F%89%E6%A0%91%E3%80%8B.md) 提到的 [二叉树的最近公公祖先](https://github.com/ascoders/weekly/blob/master/%E7%AE%97%E6%B3%95/201.%E7%B2%BE%E8%AF%BB%E3%80%8A%E7%AE%97%E6%B3%95%20-%20%E4%BA%8C%E5%8F%89%E6%A0%91%E3%80%8B.md) 问题吗?如果这是一颗二叉搜索树,是不是存在更巧妙的解法?你可以暂停先思考一下。 |
| 11 | + |
| 12 | +### 二叉搜索树的最近公共祖先 |
| 13 | + |
| 14 | +二叉搜索树的最近公共祖先是一道简单题,题目如下: |
| 15 | + |
| 16 | +> 给定一个二叉搜索树, 找到该树中两个指定节点的最近公共祖先。 |
| 17 | +> |
| 18 | +> 百度百科中最近公共祖先的定义为:“对于有根树 `T` 的两个结点 `p`、`q`,最近公共祖先表示为一个结点 `x`,满足 `x` 是 `p`、`q` 的祖先且 `x` 的深度尽可能大(一个节点也可以是它自己的祖先)。” |
| 19 | +
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| 20 | +第一个判断条件是相同的,即当前节点值等于 `p` 或 `q` 任意一个,则当前节点就是其最近公共祖先。 |
| 21 | + |
| 22 | +如果不是呢?同时考虑二叉搜索树与公共祖先的特性可以发现: |
| 23 | + |
| 24 | +1. 如果 `p` `q` 两个节点分别位于当前节点的左 or 右边,则当前节点符合要求。 |
| 25 | +2. 如果 `p` `q` 值一个大于,一个小于当前节点,说明 `p` `q` 分布在当前节点左右两侧。 |
| 26 | + |
| 27 | +基于以上考虑,可以仅通过值大小来判断,因此题目就被简化了。 |
| 28 | + |
| 29 | +接下来看一道入门题,即如何验证一颗二叉树是二叉搜索树。 |
| 30 | + |
| 31 | +### 验证二叉搜索树 |
| 32 | + |
| 33 | +验证二叉搜索树是一道中等题,题目如下: |
| 34 | + |
| 35 | +> 给定一个二叉树,判断其是否是一个有效的二叉搜索树。 |
| 36 | +> |
| 37 | +> 假设一个二叉搜索树具有如下特征: |
| 38 | +> |
| 39 | +> - 节点的左子树只包含小于当前节点的数。 |
| 40 | +> - 节点的右子树只包含大于当前节点的数。 |
| 41 | +> - 所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。 |
| 42 | +
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| 43 | +这道题看上去就应该用非常优雅的递归来实现。 |
| 44 | + |
| 45 | +二叉搜索树最重要的就是对节点值的限制,我们如果能正确卡住每个节点的值,就可以判断了。 |
| 46 | + |
| 47 | +如何判断节点值是否正确呢?我们可以用递归的方式倒推,即从根节点开始,假设根节点值为 `x`,那么左树节点的值就必须小于 `x`,再往左,那么值就要小于(假设第一个左节点值为 `x1`) `x1`,右树也是一样判断,因此就可以写出答案: |
| 48 | + |
| 49 | +```typescript |
| 50 | +function isValidBST(node: TreeNode, min = -Infinity, max = Infinity) { |
| 51 | + if (node === null) return true |
| 52 | + // 判断值范围是否合理 |
| 53 | + if (node.val < min || node.val > max) return false |
| 54 | + // 继续递归,并且根据二叉搜索树特定,进一步缩小最大、最小值的锁定范围 |
| 55 | + return |
| 56 | + // 左子树值 max 为当前节点值 |
| 57 | + isValidBST(node.left, min, node.val) && |
| 58 | + // 右子树值 min 为当前节点值 |
| 59 | + isValidBST(node.right, node.val, max) && |
| 60 | +} |
| 61 | +``` |
| 62 | + |
| 63 | +接下来看一些简单的二叉搜索树操作问题,比如删除二叉搜索树中的节点。 |
| 64 | + |
| 65 | +### 删除二叉搜索树中的节点 |
| 66 | + |
| 67 | +删除二叉搜索树中的节点是一道中等题,题目如下: |
| 68 | + |
| 69 | +> 给定一个二叉搜索树的根节点 root 和一个值 key,删除二叉搜索树中的 key 对应的节点,并保证二叉搜索树的性质不变。返回二叉搜索树(有可能被更新)的根节点的引用。 |
| 70 | +> |
| 71 | +> 一般来说,删除节点可分为两个步骤: |
| 72 | +> |
| 73 | +> 1. 首先找到需要删除的节点; |
| 74 | +> 2. 如果找到了,删除它。 |
| 75 | +> |
| 76 | +> 说明: 要求算法时间复杂度为 `O(h)`,`h` 为树的高度。 |
| 77 | +
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| 78 | +要删除二叉搜索树的节点,找到节点本身并不难,因为如果值小了,就从左子树找;如果值大了,就从右子树找,这本身查找起来是非常简单的。难点在于,如何保证删除元素后,这棵树还是一颗二叉搜索树? |
| 79 | + |
| 80 | +假设我们删除的是叶子结点,很显然,二叉搜索树任意子树都是二叉搜索树,我们又没有破坏其他节点的关系,因此直接删除就行了,最简单。 |
| 81 | + |
| 82 | +如果删除的不是叶子结点,那么谁来 “上位” 代替这个节点呢?题目要求复杂度为 `O(h)` 显然不能重新构造,我们需要仔细考虑。 |
| 83 | + |
| 84 | +假设删除的节点存在右节点,那么肯定从右节点找到一个代替值移上来,找谁呢?找右节点的最小值呀,最小值很好找的,找完代替后,相当于 **问题转移为删除这个最小值节点,递归就完事了。** |
| 85 | + |
| 86 | +假设删除的节点存在左节点,但是没有右节点,那就从左节点找一个最大的替换掉,同理递归删除找到的节点。 |
| 87 | + |
| 88 | +可以看到,删除二叉搜索树,为了让二叉搜索树性质保持不变,需要不断进行重复子问题的递归删除节点。 |
| 89 | + |
| 90 | +当你掌握二叉搜索树特性后,可以尝试构造二叉搜索树了,下面就是一道让你任意构造二叉搜索树的题目:不同的二叉搜索树。 |
| 91 | + |
| 92 | +### 不同的二叉搜索树 |
| 93 | + |
| 94 | +不同的二叉搜索树是一道中等题,题目如下: |
| 95 | + |
| 96 | +> 给你一个整数 `n` ,求恰由 `n` 个节点组成且节点值从 `1` 到 `n` 互不相同的 **二叉搜索树** 有多少种?返回满足题意的二叉搜索树的种数。 |
| 97 | +
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| 98 | +这道题重点在于动态规划思维 + 笛卡尔积组合的思维。 |
| 99 | + |
| 100 | +需要将所有可能性想象为确定了根节点后,左右子树到底有几种组合方式? |
| 101 | + |
| 102 | +举个例子,假设 `n=10`,那么这 10 个节点,假设我取第 3 个节点为根节点,那么左子树有 2 个节点,右子树有 7 个节点,这种组合情况就有 `DP(2) * DP(7)` 这么多,假设 `DP(n)` 表示 n 个节点能组成任意二叉搜索树的数量。 |
| 103 | + |
| 104 | +这仅是第 3 个节点为根节点的情况,实际上每个节点作为根节点都是不同的树(轴对称也算不同的),那么我们就要从第 1 个节点计算到第 `n` 个节点。 |
| 105 | + |
| 106 | +因此答案就出来了,我们先考虑特殊情况 `DP(0)=1` `DP(1)=1`,所以: |
| 107 | + |
| 108 | +```typescript |
| 109 | +function numTrees(n: number) { |
| 110 | + const dp: number[] = [1, 1] |
| 111 | + |
| 112 | + for (let i = 2; i <= n; i++) { |
| 113 | + for (let j = 1; j <= i; j++) { |
| 114 | + dp[i] += dp[j - 1] * dp[i - j] |
| 115 | + } |
| 116 | + } |
| 117 | + |
| 118 | + return dp[n] |
| 119 | +} |
| 120 | +``` |
| 121 | + |
| 122 | +最后再看一道找值题,并不是找最大值,而是找第 k 大值。 |
| 123 | + |
| 124 | +### 二叉搜索树的第 K 大节点 |
| 125 | + |
| 126 | +二叉搜索树的第 K 大节点是一道简单题,题目如下: |
| 127 | + |
| 128 | +> 给定一棵二叉搜索树,请找出其中第 `k` 大的节点。 |
| 129 | +
|
| 130 | +这道题之所以简单,是因为二叉搜索树的中序遍历是从小到大的,因此只要倒序中序遍历,就可以找到第 `k` 大的节点。 |
| 131 | + |
| 132 | +倒序中序遍历,即右、根、左。 |
| 133 | + |
| 134 | +这道题就解决啦。 |
| 135 | + |
| 136 | +## 总结 |
| 137 | + |
| 138 | +二叉搜索树的特性很简单,就是根节点值夹在左右子树中间,利用这个特性几乎可以解决一切相关问题。 |
| 139 | + |
| 140 | +但通过上面几个例子可以发现,仅熟悉二叉搜索树特性还是不够的,一些题目需要结合二叉树中序遍历、公共祖先特征等通用算法思路结合来解决,因此学会融会贯通很重要。 |
| 141 | + |
| 142 | +> 讨论地址是:[精读《算法 - 二叉搜索树》· Issue #337 · dt-fe/weekly](https://github.com/dt-fe/weekly/issues/337) |
| 143 | +
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| 144 | +**如果你想参与讨论,请 [点击这里](https://github.com/dt-fe/weekly),每周都有新的主题,周末或周一发布。前端精读 - 帮你筛选靠谱的内容。** |
| 145 | + |
| 146 | +> 关注 **前端精读微信公众号** |
| 147 | +
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| 148 | +<img width=200 src="https://img.alicdn.com/tfs/TB165W0MCzqK1RjSZFLXXcn2XXa-258-258.jpg"> |
| 149 | + |
| 150 | +> 版权声明:自由转载-非商用-非衍生-保持署名([创意共享 3.0 许可证](https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.zh)) |
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