算法练习:不同的二叉搜索树(动态规划)

一.前言

LeetCode题目:96. 不同的二叉搜索树
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。

示例 1:

输入:n = 3
输出:5

示例2:

输入:n = 1
输出:1

题目很简洁,但是分析起来却有点复杂,首先搞清楚什么是二叉搜索树。二叉搜索树分为左子树和右子树,左子树还能再分为左子树和右子树,就像这样:


二叉搜索树有三个条件:

  1. 若它的左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值
  2. 若它的右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值
  3. 它的左、右子树也分别为二叉搜索树

二.分析思考

我们将dp数组定义为1 到 n 互不相同的二叉搜索树的个数,先来尝试写写 n = 1n = 2的情况

这两个其实还挺简单的,再来看看 n = 3 的时候


这个时候不同的二叉搜索树就有5个了,我们来看看这五个是怎么根据前面的结果推导出来的。此图片中前两棵树是根据dp[2]中的第一个二叉搜索树得出来的,他们结构都是一样的,都是没有左子树,右子树有两个结点。而dp[3]中的第三和第四棵树同理和dp[2]中的第二棵树结构相同。

那么dp[3]中最后一棵树是怎么来的呢,我们将眼光放宽一点,这时候会发现它和dp[1]中那棵树结构很相似!

继续探索一下这个规律:

  • 二叉搜索树当以 1 为起点时,它的个数为右子树的个数dp[2];
  • 二叉搜索树当以 2 为起点时,它的个数为右子树的个数dp[1] * 左子树的个数dp[1];
  • 二叉搜索树当以 3 为起点时,它的个数为左子树的个数dp[2];
    则总共的二叉搜索树为:dp[2] + dp[1] * dp[1] + dp[2]
    注:定义dp[0] = 1,使之符合下面通式的规律

我们将这个规律扩展到 n,我们需要计算出从 1 到 n 为起点的每一个二叉搜索树的个数,因此需要循环来遍历,则总共的二叉搜索树为:dp[i] += dp[i - j] * dp[j -1],其中i 为外层循环且i <= nj 为内层循环且 j <= i
为了验证一下这个规律,我们继续往下写一组二叉搜索树,当n = 4

其中二叉搜索树为个数为:dp[0] * dp[3] + dp[1] * dp[2] + dp[2] * dp[1] + dp[3] * dp[0] = 14,确实符合上述规律...

三.代码

分析完了,现在就来看看代码,如果还有点疑惑说不定看了代码就豁然开朗了。

class Solution {
    public int numTrees(int n) {
        int[] dp = new int[n + 1];
        dp[0] = 1;
        dp[1] = 1;
        for(int i = 2; i <= n; i++){
            for(int j = 1; j <= i; j++){
                dp[i] += dp[i - j] * dp[j -1];
            }
        }
        return dp[n];
    }
}

ps.虽然代码只有这么点,但是分析和思考过程却远远不止这点,要想掌握动态规划还得多加练习和总结啊。

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