二叉搜索树查找,插入等算法分析及ASL的推导

    小编在上一篇简书里分享了二叉搜索树的算法实现,但没有讨论下其各个算法的时间复杂度,今天小编就上次的代码来讨论下算法的时间复杂度。

    我们来看看之前二叉搜索树的查找算法【小编在原先的算法中我们添加一个全局变量count来记录程序的总执行步数】

查找算法

    我们知道,对于一个有n个节点的二叉树,如果它是不平衡的,那么它的最大深度,也就是高度为n,如下图所示:

只有左子树的二叉搜索树

    这个时候,假如我们要查找该二叉树的叶子节点,也就是上图中的节点值为1这个叶子。因为该二叉搜索树只有左子树,节点数为多少深度就为多少,高度就为多少。在这里,其高度为8。

    那么用上面的递归算法去差找这种只有左子树的二叉搜索树,可以发现前两个if语句执行了8次,后面判断if (x< root->_data)的条件语句执行了7次,return _find(root->_left, x)语句也执行了7次,最后一次找到叶子时还要执行一次return root语句,程序总执行步再加1,故总程序步数为2*8+2*7+1=31=4*8-1。同理可以推导出要是深度为n【高度为h=n】,程序执行总步数为4*n-1,故时间复杂度为O(n)。这个O(n)就是二叉搜索树的最差情况。

    对于一棵平衡的二叉搜索树,如下图,我们可以来算下它的高度。

平衡二叉树1

    假设有一颗二叉排序树,总结点数是n, 高度是h, 根结点的高度是1,

    假设也是满二叉树, n与h的关系, 有公式: n = (2^h) - 1

    也就是: h = log_2(n+1)

    因此如果二叉排序树是平衡的,则n个节点的二叉排序树的高度为log_2(n+1)

    对于一棵轴对称的二叉搜索树,每次比较都能确保减小一半范围。如下图:

平衡二叉树2

    如果我们在该二叉搜素树中查找键值为2的节点,那么我们查找该节点需要的程序执行总步数为4*h-1【h为该节点所处高度】,我们已经算出h=log_2(n+1),因此在这里查找键值为2的节点时,其所处高度为h=log_2(7+1)=3,程序执行总步数为4*3-1=11步。

    因此对于一棵平衡二叉搜索树来讲,当其查找节点高度最大,也就是为log_2(n+1)时,程序的总执行步数最多,为4*log_2(n+1)-1,时间复杂度就是O(log_2n)【书本里常记为O(log n),对于平衡二叉树而言这是最差的情况】。因此对于一棵平衡二叉搜索树来说,它一定能在O(log_2n)内完成查找。

    其实该查找算法属于分治策略的一种运用,但由于还没有涉及到分治策略,还没提及求解时间复杂度的方法,这里我们就用暂且用程序步去分析,或许不能很好的反映该算法特征,但目前我们可以使用这种方法来分析后续再来改进。

   对于二叉搜索树的插入,删除等算法也是如此,因为在进行插入操作前,有一个查找的过程,就是查找适合该键值插入的节点位置。后面的插入操作其实就是简单的指针指向等的问题,程序执行步骤为常数级别的,故可得到其最差情况下的时间复杂度为O(n)。删除节点也要查找到对应键值的节点。因此,二叉搜索树的查找,插入等性能在O(log_2n)到O(n)之间。因此,为了获得较好的查找性能,就要构造一棵平衡的二叉搜索树。

    接下来,我们来推导二叉搜索树的平均查找长度ASL(Average Search Length),其计算方法就是:第一层元素个数 *1 + 第二层元素个数 *2 + 第三层元素个数 *3+……+第n层元素个数 *n 。:

    对于高度为2,总结点数是3的二叉排序树(满二叉树),查找成功的平均查找长度为:

满二叉树1

    ASL = (1*1 + 2*2) / 3

    【第一层1个节点,其高度为1;第二层两个节点,每个节点高度为2,总高度为1*1+2*2=5,平均查找长度为5/3】

满二叉树2

    对于高度为3,总结点数是7的二叉排序树(满二叉树),查找成功的平均查找长度为:

    ASL = (1*1 + 2*2 + 3*4) / 7

    【第一层1个节点,其高度为1;第二层两个节点,每个节点高度为2,第三层4个节点,每个节点高度为3,总高度为1*1+2*2+3*4=17,平均查找长度为17/7】

    对于高度为h,总结点数是n的二叉排序树(满二叉树),查找成功的平均查找长度为:

推导过程

    这就是小编的一点知识总结,有错请指正。

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