完全二叉树(Complete Binary Tree)的特性

在上一篇文章《二叉树(Binary Tree)类型特点》中我们了解了二叉树的一些常见类型和特点,这篇我们专注说下完全二叉树的特性。

附图1

tree_four.jpg

完全二叉树特性:

  • 度为1 的节点只有左子树
  • 度为1 的节点要么是1个,要么是0个
  • 同样节点数量的二叉树,完全二叉树高度是最小的

假设高度为h( h ≥ 1 )的完全二叉树,那么至少\color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1}个节点;最多有\color{red}{2^h}\color{red}{-}\color{red}{1}个节点;总节点数量为n\color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1}\color{red}{n} < \color{red}{2^h} , \color{red}{h-1}\color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} < \color{red}{h} ,伪代码:h = floor ( \color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} ) + \color{red}{1} , floor () 是向下取整的意思

「附图一」为列推导:
只少有\color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1}个节点:
\color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1} = \color{red}{2^0} + \color{red}{2^1} + \color{red}{2^2} + …… + \color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^2} + \color{red}{1}
最多有\color{red}{2^h}\color{red}{-}\color{red}{1}个节点:
\color{red}{2^h}\color{red}{-}\color{red}{1} = \color{red}{2^0} + \color{red}{2^1} + \color{red}{2^2} + …… + \color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1} , 即满二叉树 。
总节点数量为n ,\color{red}{2^h}\color{red}{^-}\color{red}{^1}\color{red}{n} < \color{red}{2^h} , \color{red}{h-1}\color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} < \color{red}{h}; 推导过程:
假如 \color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} = 4.8 ,则h= 5 ; \color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} = 5.2 , h= 6 ; \color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n}= 6.0 ,h= 7; 由此可得:h = \color{red}{\log}_\color{red}{2}\color{red}{n} 向下取整 +\color{red}{1} 的结果
向下取整(floor) 和 向上取整(ceiling) 是不遵循四舍五入原则的

日常开发中的 除法默认都是向下取整的。以 Java 为例

int a = 5 / 2 ;
// 结果为2 ;不是2.5

一颗有n (n > 0 )个节点的完全二叉树 , 从上到下、从左到右对节点从1开始编号, 对任意第i个节点 :

  • 如果i = 1 ;它是节点
  • 如果i > 1 ;它的节点 编号是 floor( i / 2 ),即:i / 2 向下取整
  • 如果 2 * i ≤ n ;它的子节点 编号是 2 * i
  • 如果 2 * i > n ;它没有左子节点
  • 如果 2 * i + 1 ≤ n ;它的子节点 编号是 2 * i +1
  • 如果 2 * i + 1 > n ;它没有右子节点

一颗有n (n > 0 )个节点的完全二叉树 , 从上到下、从左到右对节点从0开始编号, 对任意第i个节点 :

  • 如果i = 0 ;它是节点
  • 如果i > 0 ;它的节点 编号是 floor( ( i - 1)/ 2 ),即:( i - 1)/ 2 向下取整
  • 如果 2 * i ≤ n -1 ;它的子节点 编号是 2 * i + 1
  • 如果 2 * i > n - 1 ;它没有左子节点
  • 如果 2 * i + 2 ≤ n - 1 ;它的子节点 编号是 2 * i +2
  • 如果 2 * i + 2 > n - 1 ;它没有右子节点

假设有一颗完全二叉树的 总结点数量为 \color{red}{N} ,则他有多少个叶子节点

假设: 叶子节点数量为:\color{red}{n}_\color{red}{0} ; 度为1 的节点数量为\color{red}{n}_\color{red}{1}; 度为2 的节点数量为\color{red}{n}_\color{red}{2}
总节点数量为 \color{red}{N} = \color{red}{n}_\color{red}{0} + \color{red}{n}_\color{red}{1} +\color{red}{n}_\color{red}{2} ,且 \color{red}{n}_\color{red}{0} = \color{red}{n}_\color{red}{2} +\color{red}{1} ; 则:\color{red}{N} = \color{red}{2}\color{red}{n}_\color{red}{0} +\color{red}{n}_\color{red}{1} - \color{red}{1}
完全二叉树中 度为1的节点要么为0, 要么为1 ;所以:
(1)当\color{red}{n}_\color{red}{1} = 1 时; \color{red}{N} = \color{red}{2}\color{red}{n}_\color{red}{0}\color{red}{N} 必为偶数 ;
叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = \color{red}{\frac{N}{2} }
非叶子节点数量: \color{red}{n}_\color{red}{1} + \color{red}{n}_\color{red}{2} = \color{red}{\frac{N}{2} }
(2)当\color{red}{n}_\color{red}{1} = 0 时; \color{red}{N} = \color{red}{2}\color{red}{n}_\color{red}{0}\color{red}{N} 必为奇数 ;
叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = \color{red}{\frac{N+1}{2} }
非叶子节点数量: \color{red}{n}_\color{red}{1} + \color{red}{n}_\color{red}{2} = \color{red}{\frac{N-1}{2} }
由此可得:
总结点数量为 \color{red}{N}
第一种方式:
\color{red}{N}是偶数 ,叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = \color{red}{\frac{N}{2} }
\color{red}{N}是奇数 ,叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = \color{red}{\frac{N+1}{2} }
则叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = floor( \color{red}{\frac{N+1}{2} } ) ;floor( )是向下取整,
非叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{1} + \color{red}{n}_\color{red}{2} = floor( \color{red}{\frac{N}{2} } ) ;floor() 是向下取整
代码中:

n0 = (n+ 1 )/ 2

n0 = n+ 1 >> 1

第二种方式:
叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{0} = ceiling( \color{red}{\frac{N}{2} } ) ;ceiling() 是向上取整
非叶子节点数量为: \color{red}{n}_\color{red}{1} + \color{red}{n}_\color{red}{2} = ceiling( \color{red}{\frac{N-1}{2} } ) ;ceiling() 是向上取整

在国外的一些教材中对一些特殊的二叉树会有一些不同的名字,下面简单的说明一下:

完满二叉树 (Full Binary Tree)

所有非叶子节点的度都为2 ; 也就是国内说的 “ 真二叉树”

完美二叉树 (Perfect Binary Tree)

所有非叶子节点的度都为2 ,且所有的叶子节点都在最后一层; 也就是国内说的 “ 满二叉树”

完全二叉树 (Complete Binary Tree)

和国内的定义是一样的

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