diff --git a/docs/chapter_tree/avl_tree.md b/docs/chapter_tree/avl_tree.md index e378aa7d6..dbbdda35e 100644 --- a/docs/chapter_tree/avl_tree.md +++ b/docs/chapter_tree/avl_tree.md @@ -1,18 +1,17 @@ # AVL 树 -## AVL 树的起源 +## AVL 树起源 -在「二叉搜索树」章节中提到,如进行多次插入与删除操作后,二叉搜索树可能会退化为链表。此时所有操作的时间复杂度都会由 $O(\log n)$ 劣化至 $O(n)$ 。例如,删除结点 4 后,该二叉搜索树就会退化为链表。 +在「二叉搜索树」章节中提到,在进行多次插入与删除操作后,二叉搜索树可能会退化为链表。此时所有操作的时间复杂度都会由 $O(\log n)$ 劣化至 $O(n)$ 。如下图所示,执行两步删除结点后,该二叉搜索树就会退化为链表。 === "删除前" ![binary search tree1](avl_tree.assets/binary_search_tree1.png) === "删除后" ![binary search tree2](avl_tree.assets/binary_search_tree2.png) -为了解决这一问题,G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorithm for the organization of info -rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名,常被称为「AVL 树」。 +为了解决这一问题,G. M. Adelson-Velsky 和 E. M. Landis 在其 1962 年发表的论文 "An algorithm for the organization of information" 中提出了「平衡二叉搜索树」,并以两位作者命名,常被称为「AVL 树」。 -## AVL 树的性质 +## AVL 树性质 「AVL 树」既是「二叉搜索树」又是「平衡二叉树」,同时满足这两种二叉树的所有性质。「平衡二叉树」规定树中任意结点左右子树的高度差的绝对值不能超过 1 。本文定义: @@ -23,11 +22,11 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, 设「平衡因子」为 $f$ ,则一棵 AVL 树的任意结点的平衡因子满足 $-1 \le f \le 1$ -## AVL 树的优势 +## AVL 树优势 -提出 AVL 树的两位大佬的厉害之处在于,他们设计了一系列操作,使得 AVL 树在不断添加与删除结点后,仍然不会发生退化,进而使得各种操作的时间复杂度均能保持在 $O(\log n)$ 级别。 +提出 AVL 树的两位大佬的厉害之处在于,**他们设计了一系列操作,使得 AVL 树在不断添加与删除结点后,仍然不会发生退化**,进而使得各种操作的时间复杂度均能保持在 $O(\log n)$ 级别。 -## AVL 树的操作 +## AVL 树操作 ### 查找结点 @@ -35,17 +34,17 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, ### 插入结点 -由于平衡二叉树需要保证其任意结点的平衡因子满足限制,所以在插入结点后可能会造成 AVL 树的失衡。例如,平衡二叉树在插入结点 0 前 / 后如下图所示(括号内表示当前结点的平衡因子): +**插入结点可能会造成平衡二叉树失衡。** 例如下图(括号内数值为结点的平衡因子),插入后结点 2 和 结点 3 已经不满足平衡二叉树的性质,我们将这一现象称为「失衡」。 === "插入前" ![avl tree 1](avl_tree.assets/avl_tree1.png) === "插入后" ![avl tree 2](avl_tree.assets/avl_tree2.png) -观察发现,插入后结点 2 和 结点 3 已经不满足平衡二叉树的性质,我们将这一现象称为 **失衡** 。为了解决该问题,首先需要分析哪些结点会出现失衡,经过观察可得两条规律: +为了解决失衡问题,首先需要 **分析哪些结点会出现失衡**,经过观察可得两条规律: - 出现失衡的结点都必然出现在新插入结点与根结点的路径上; -- 在这条路径上,该插入结点的父结点一定不会失衡,即首先失衡的结点必然是父节点之上的结点; +- 在此路径上,出现失衡的结点必然是新插入结点的父结点之上的结点; !!! tip "证明" @@ -56,19 +55,22 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, 因此父结点一定不会失衡,证毕。 -现在考虑如何将一个失衡点恢复为平衡点。 +**接下来考虑如何将一个失衡点恢复为平衡点。** 我们知道二叉搜索树的中序遍历序列一定是严格升序的,而在论文中,作者定义了一种「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影响二叉树中序遍历序列的情况下,降低失衡点左右子树的高度差** 。 -我们知道对于二叉搜索树的中序遍历序列一定是严格升序的。在论文中,作者定义了一种被称为「旋转 Rotation」的操作,其可 **在不影响二叉树中序遍历序列的情况下,降低失衡点左右子树的高度差** 。 +!!! note + 换言之,「旋转」操作可以保持树为「二叉搜索树」,并且可让树逐渐变为平衡二叉树。 #### 右旋 -以上文中提到的发生失衡的 AVL 树为例,「右旋」的具体操作为: +以上文中提到的发生失衡的 AVL 树为例,首个失衡点是 **结点 2** 。将该结点记为 `node` ,其左子节点记为 `node.left` ,「右旋」就好像将这两个结点进行 “顺时针旋转” ,操作流程为: -1. 首先可以找到第一个发生失衡的点是结点 2 。 -2. 以该点为轴顺时针旋转,使该点左孩子的右子树指向该点,该点的左子树指向其左孩子的右子树。 -3. 将原本的左孩子连接至该点的父结点。 +1. 令 `node.left` 的右指针指向 `node` ; +2. 令 `node` 的左指针指向 `node.left` 的右子树。 +3. 令 `node` 的父结点指向 `node.left` ,替代原来 `node` 的位置。 -观察得知,经过右旋后,整棵二叉树已经恢复平衡,并且中序遍历序列也保持不变。 +以上流程比较晦涩难记,实际上,右旋就像是把 `node.left` “拎起来” 顺时针旋转了一下,可以使用这个动画辅助理解。 + +观察得知,经过右旋后,整棵二叉树已经恢复平衡,并且仍然为二叉搜索树。 === "Step 1" ![avl tree3](avl_tree.assets/avl_tree2.png) @@ -79,13 +81,13 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, #### 左旋 -下面来看与之对应的「左旋」,需要使用左旋的情况与右旋相似,下面以例子来说明左旋的过程: +类似地,下图中首个失衡点是 **结点 3** ,将失衡结点记为 `node` ,其右子节点记为 `node.right` ,「左旋」就好像将这两个结点进行 “逆时针旋转” ,操作流程为: -1. 首先可以找到第一个发生失衡的点是结点 3 。 -2. 以该点为轴逆时针旋转,使该点右孩子的左子树指向该点,该点的右子树指向其右孩子的左子树。 -3. 将原本的右孩子连接至该点的父结点。 +1. 令 `node.right` 的左指针指向 `node` ; +2. 令 `node` 的右指针指向 `node.right` 的左子树。 +3. 令 `node` 的父结点指向 `node.right` ,替代原来 `node` 的位置。 -与右旋相同,左旋也可以让失衡的结点恢复平衡,同时不会改变中序遍历序列。 +观察发现,**「左旋」和「右旋」操作是镜像对称的**,因此我们只需记住一个操作即可,另一个可以直接推导出来。 === "Step 1" ![rotate left1](avl_tree.assets/rotate_left1.png) @@ -96,20 +98,12 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, #### 双旋 -「双旋」分为两种,一种是「先左旋后右旋」,另一种是「先右旋后左旋」。 - -以先左后右为例,如果直接对下图二叉树的失衡点执行右旋,会发现并不能使失衡点恢复平衡。 +「双旋」是左旋和右旋的组合,一种是「先左旋后右旋」,另一种是「先右旋后左旋」。 -=== "Step 1" - ![rotate left right1](avl_tree.assets/rotate_left_right1.png) -=== "Step 2" - ![rotate left right2](avl_tree.assets/rotate_left_right2.png) +比如对于下图的失衡结点 3 ,单一使用左旋或右旋无法使该结点恢复平衡,需要「先左旋后右旋」。设结点 3 为 `node` ,其左子结点为 `node.left` ,则分为两步: - -为了解决该问题,需要「先左旋后右旋」,即分为两步: - -1. 将失衡点的左孩子执行左旋。 -2. 对失衡点执行右旋。 +1. 对 `node.left` 执行「左旋」。 +2. 对 `node` 执行「右旋」。 === "Step 1" ![rotate left right3](avl_tree.assets/rotate_left_right1.png) @@ -118,7 +112,9 @@ rmation" 中提出了「平衡二叉搜索树」,也以两位作者命名, === "Step 3" ![rotate left right5](avl_tree.assets/rotate_left_right4.png) -同理,「先左旋后右旋」是先将失衡点的左孩子执行右旋,然后对失衡点执行左旋。 +同理,「先右旋后左旋」是先对 `node.right` 执行右旋,然后对 `node` 执行左旋。 + +(图) #### 旋转选择