在 C++ 中查詢 BST 的中位數,時間複雜度為 O(n),空間複雜度為 O(1)


概念

對於給定的二叉搜尋樹 (BST),我們的任務是確定它的中位數。

對於偶數個節點,中位數 = ((n/2 個節點 + (n+1)/2 個節點) /2 對於奇數個節點,中位數 = (n+1)/2 個節點。

對於給定的 BST(具有奇數個節點)為 -

       7
      / \
     4   9
   / \   / \
  2  5  8  10

給定 BST 的中序遍歷將是:2、4、5、7、8、9、10 因此,這裡的中位數將是 7。

對於給定的 BST(具有偶數個節點)為 -

         7
        / \
       4   9
     / \  /
    2 5 8

給定 BST 的中序遍歷將是 - 2、4、5、7、8、9

因此,這裡的中位數將是 (5+7)/2 = 6。

方法

為了確定中位數,我們需要確定 BST 的中序遍歷,因為它的中序遍歷將按排序順序排列,然後確定中位數。在這裡,這個概念基於使用 O(1) 額外空間的 BST 中第 K 個最小元素。現在,如果允許我們實現額外的空間,那麼任務非常簡單,但中序遍歷實現遞迴和棧都使用空間,這裡不允許。

因此,解決方案是執行 Morris 中序遍歷,因為它不需要任何額外空間。

Morris 中序遍歷的解釋如下 -

  • 我們將 current 初始化為根節點
  • 當 current 不為 NULL 時

    如果 current 沒有左子節點

    • 列印 current 的資料
    • 移到右側,即 current = current->right
    • 否則

    • 將 current 構造為 current 的左子樹中最右側節點的右子節點
    • 移到這個左子節點,即 current = current->left

最終實現以以下方式討論 -

  • 我們使用 Morris 中序遍歷計算給定 BST 中的節點數。

  • 之後,再次執行 Morris 中序遍歷,同時計算節點數並驗證計數是否等於中位數點。

為了考慮偶數個節點,實現了一個額外的指標指向前一個節點。

示例

 現場演示

/* C++ program to find the median of BST in O(n) time and O(1)
space*/
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
/* Implements a binary search tree Node1 which has data, pointer
to left child and a pointer to right child */
struct Node1{
   int data1;
   struct Node1* left1, *right1;
};
//Shows a utility function to create a new BST node
struct Node1 *newNode(int item1){
   struct Node1 *temp1 = new Node1;
   temp1->data1 = item1;
   temp1->left1 = temp1->right1 = NULL;
   return temp1;
}
/* Shows a utility function to insert a new node with
given key in BST */
struct Node1* insert(struct Node1* node1, int key1){
   /* It has been seen that if the tree is empty, return a new node
   */
   if (node1 == NULL) return newNode(key1);
      /* Else, recur down the tree */
      if (key1 < node1->data1)
         node1->left1 = insert(node1->left1, key1);
      else if (key1 > node1->data1)
         node1->right1 = insert(node1->right1, key1);
         /* return the (unchanged) node pointer */
      return node1;
}
/* Shows function to count nodes in a binary search tree
using Morris Inorder traversal*/
int counNodes(struct Node1 *root1){
   struct Node1 *current1, *pre1;
   // Used to initialise count of nodes as 0
   int count1 = 0;
   if (root1 == NULL)
      return count1;
      current1 = root1;
   while (current1 != NULL){
      if (current1->left1 == NULL){
         // Now count node if its left is NULL
         count1++;
         // Go to its right
         current1 = current1->right1;
      } else {
         /* Determine the inorder predecessor of current */
         pre1 = current1->left1;
         while (pre1->right1 != NULL &&
            pre1->right1 != current1)
            pre1 = pre1->right1;
            /* Construct current1 as right child of its inorder predecessor */
         if(pre1->right1 == NULL){
            pre1->right1 = current1;
            current1 = current1->left1;
         }
         /* we have to revert the changes made in if part to restore the original tree i.e., fix the right child of predecssor */
         else {
            pre1->right1 = NULL;
            // Now increment count if the current
            // node is to be visited
            count1++;
            current1 = current1->right1;
         } /* End of if condition pre1->right1 == NULL */
      } /* End of if condition current1->left1 == NULL*/
   } /* End of while */
   return count1;
}
/* Shows function to find median in O(n) time and O(1) space
using Morris Inorder traversal*/
int findMedian(struct Node1 *root1){
   if (root1 == NULL)
      return 0;
   int count1 = counNodes(root1);
   int currCount1 = 0;
   struct Node1 *current1 = root1, *pre1, *prev1;
   while (current1 != NULL){
      if (current1->left1 == NULL){
         // Now count current node
         currCount1++;
         // Verify if current node is the median
         // Odd case
         if (count1 % 2 != 0 && currCount1 == (count1+1)/2)
            return prev1->data1;
         // Even case
         else if (count1 % 2 == 0 && currCount1 == (count1/2)+1)
            return (prev1->data1 + current1->data1)/2;
            // Now update prev1 for even no. of nodes
         prev1 = current1;
         //Go to the right
         current1 = current1->right1;
      } else {
         /* determine the inorder predecessor of current1 */
         pre1 = current1->left1;
         while (pre1->right1 != NULL && pre1->right1 != current1)
            pre1 = pre1->right1;
         /* Construct current1 as right child of its inorder
         predecessor */
         if (pre1->right1 == NULL){
            pre1->right1 = current1;
            current1 = current1->left1;
         }
         /* We have to revert the changes made in if part to restore the original
         tree i.e., fix the right child of predecssor */
         else {
            pre1->right1 = NULL;
            prev1 = pre1;
            // Now count current node
            currCount1++;
            // Verify if the current node is the median
            if (count1 % 2 != 0 && currCount1 == (count1+1)/2 )
               return current1->data1;
            else if (count1%2==0 && currCount1 == (count1/2)+1)
               return (prev1->data1+current1->data1)/2;
            // Now update prev1 node for the case of even
            // no. of nodes
            prev1 = current1;
            current1 = current1->right1;
         } /* End of if condition pre1->right1 == NULL */
      } /* End of if condition current1->left1 == NULL*/
   } /* End of while */
}
/* Driver program to test above functions*/
int main(){
   /* Let us create following BST
      7
      / \
     4   9
   / \  / \
  2  5 8  10 */
   struct Node1 *root1 = NULL;
   root1 = insert(root1, 7);
   insert(root1, 4);
   insert(root1, 2);
   insert(root1, 5);
   insert(root1, 9);
   insert(root1, 8);
   insert(root1, 10);
   cout << "\nMedian of BST is(for odd no. of nodes) "<< findMedian(root1)         <<endl;
   /* Let us create following BST
       7
      / \
     4   9
    / \  /
   2  5 8
   */
   struct Node1 *root2 = NULL;
   root2 = insert(root2, 7);
   insert(root2, 4);
   insert(root2, 2);
   insert(root2, 5);
   insert(root2, 9);
   insert(root2, 8);
   cout << "\nMedian of BST is(for even no. of nodes) "
   << findMedian(root2);
   return 0;
}

輸出

Median of BST is(for odd no. of nodes) 7
Median of BST is(for even no. of nodes) 6

更新於: 2020-07-25

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