樹 2 Michael Tsai 2013/3/26.

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1 樹 2 Michael Tsai 2013/3/26

2 期中考 (4/16)!! 我的想法: 關書 A4 大小一張, 雙面, 抄到你開心為止 (期末考沿用)
禁止使用放大鏡、顯微鏡 (供過小字體辨識用) XD 題目可能有 是非題 (並解釋原因) 填空題 問答題(寫algorithm, 證明題, 問complexity) 請把答案寫清楚, 部分正確就有部分給分 作弊的直接砍頭 (當掉+送學校議處)

3 線頭樹?? 所以可以把這些NULL pointer欄位拿來做什麼? root left A right left B right left
root left A right left B right left C right 浪費 浪費 left D right left E right 浪費 浪費 left F right 浪費 left G right 浪費 浪費 浪費 複習: 浪費了幾個pointer? (總共有n個node的話) A: 總共有2n個pointer, (n-1)個edge/pointer不是NULL, 所以2n-(n-1)=n+1. 所以可以把這些NULL pointer欄位拿來做什麼?

4 怎麼做Inorder Traversal? 需要多少空間? O(h)=O(n) 要記得柏智, 因為等一下要回來跑他的右邊
要記得祖詒, 因為等一下要回來跑他的右邊 柏智 要記得紹詮, 因為等一下要回來跑他的右邊 Pointer to紹詮 子欽 祖詒 Pointer to祖詒 Pointer to柏智 翊祥 紹詮 Stack 需要多少空間? O(h)=O(n) 我們就拿NULL pointers來幫忙這件事!

5 浪費掉的pointer們… 線頭樹: (Inorder) Threaded Binary Tree
1. 如果leftChild是null, 那就改成指到inorder traversal的前一個node (又稱為inorder predecessor) (此為線頭) 2. 如果rightChild是null,那就改成指到inorder traversal的後一個node (又稱為inorder successor) (此為線頭) 3. node的structure裡面放兩個額外的boolean欄位, 說明是link還是thread 效果: 之後做inorder traversal不需要stack了! O(1)!

6 Threaded binary tree長這樣
root Dummy node, 用來辨識root 1 - 1 A 1 B C D 1 E 1 F G H

7 怎麼找到inorder successor? 如果右邊不是thread, 那就找rightChild的leftChild一直走到底
Inorder Traversal? 怎麼找到inorder successor? 如果右邊不是thread, 那就找rightChild的leftChild一直走到底 如果右邊是thread, 那麼就是thread指到的地方 root 1 - 1 A 1 B C D 1 E 1 F G H

8 Threaded Binary Tree 接著, 要做inorder traversal就很簡單了
void InOrderTraversal(struct TreeNode *root) { struct TreeNode *temp=root; while(1){ temp=inorderSuccessor(temp); if (temp==root) return; printf(“%d”, temp->data); } <動腦時間> 如果要用threaded binary tree做preorder traversal呢? 首先要先想想怎麼找到preorder successor Postorder仍然無法不使用stack來做traversal! Karumanchi p.141 Space Complexity: O(1)

9 在Threaded Binary Tree裡面加一個node
root 1 - 1 A 1 B C D 1 E 1 F G G 1 H I

10 root 1 - 1 A 1 B C D I 1 1 E 1 F G H Code請參考Karumanchi p.142

11 Priority Queue 一種每次都可以拿到priority最高的element的queue 直接來定義operations
Insert(element) 把element放進queue裡面 DeleteMax() 把element拿出來. 這個element有最高的priority (可以想像, 放進去的時候有做一些排序) 另外也有FindMax(), isEmpty(), isFull等等的operation 請同學想想看, 要怎麼用已經學過的東西來做priority queue?

12 用以前學過的方法效果如何? Insert DeleteMax FindMax Unordered Array O(1) O(n)
Unordered Linked List Ordered Array Ordered Linked List Binary Search Tree O(h) (average case 𝑂 log 𝑛 ) (worst case O(n)) Binary Heap 𝑂 log 𝑛 我是遮板 我是遮板 我是遮板 我是遮板 我是遮板 我是遮板

13 Heap Definition: A max tree is a tree in which the key value in each node is no smaller (larger) than the key values in its children (if any). Definition: A max heap is a complete binary tree that is also a max tree. A min heap is a complete binary tree that is also a min tree. 有了heap, 我們要怎麼用它來 做priority queue? Root是不是永遠都是最大? 14 12 7 10 8 6

14 Insert一個element到Heap
加入的時候每次都能夠繼續維持是一個max heap 怎麼加? 1. 既然是complete binary tree, 所以一定要加在下一個該出現的地方, 把新的element放在那邊. 2. 循序往root的方向移動, 一直到不違反parent > child的規則為止 Time complexity? 14 12 7 10 8 6 20 需要和6比嗎? 不用! 因為原本6的parent就會比它大了! 因此20只會更大! 𝑂( log 𝑛 )

15 從Heap DeleteMax一個element
從root拿走一個element (最大的) 調整位置, 繼續維持是一個max heap 1. 首先既然是complete binary tree 拿掉的位置就沒有別的選擇. 2. 把拿掉的位置的element, 拿到root的地方. 和child中比較大 的比較. 如果比其小則與其交換. 重複以上步驟直到不再違反 parent > child的規則為止. Time complexity? 21 15 20 14 10 需要跟15和20都比! 因為如果拿到不是最大的child, 則可能違反heap原則! 𝑂( log 𝑛 )

16 用什麼data structure來implement heap?
Array? 比較簡單? 偷懶? 可以. 因為每次都只會加在最後面 (complete binary tree) 複習 “怎麼在記憶體裡面記一棵樹呢? Array法”, Binary Tree版

17 怎麼在記憶體裡面記一棵樹呢? Array法 Binary Tree (每個node最多有2個children) 某個node的parent?
觀察: Index為i的node, 其parent之index為 (𝑖−1)/2 怎麼找某個node的children 觀察: Index為i的node, 其children之index為 2𝑖+1 ~ 2𝑖+2 這樣要找parent或是child都非常方便! [0] A [1]-[2] B D [5]-[6] [3]-[4] E F H J

18 討論時間 給一個沒有處理過的array, 怎麼用最少的時間把它變成heap? 概念:
原本的array可以看成一個還沒排好的binary tree(還不是heap) Leaf的部分不用處理 (因為它們沒有children, 不會違反heap原則) 從最後一個(index最大的)非leaf node開始處理 (跟下面的比) Time complexity=O(n) !

19 How to “heapify” an array?
方法一: 每次Insert一個element進去heap. 4 1 3 2 16 9 14 8 7 所花的時間 為h 這樣所花的時間複雜度是多少? 每新insert一個element進去heap, 所花的時間最多為O(h)=O(log n) h: 當時的高度 n: 當時的element數目 假設最後總共有N個element, 總時間複雜度會是O(N log N)嗎? 4 1 3 2 16 9 14 8 7

20 方法一: 時間複雜度分析 則所花時間為: 2 1 +2× 2 2 +3× 2 3 +…+𝐻× 2 𝐻
= 𝑖=1 𝐻 2 𝑖 + 𝑖=2 𝐻 2 𝑖 +…+ 𝑖=𝐻 𝐻 2 𝑖 = 𝑗=1 𝐻 𝑖=𝑗 𝐻 2 𝑖 = 𝑗=1 𝐻 2 𝑗−1 𝑖=𝑗 𝐻 2 𝑖−𝑗+1 = 𝑗=1 𝐻 2 𝑗−1 𝑖=1 𝐻−𝑗+1 2 𝑖 = 𝑗=1 𝐻 2 𝑗−1 ⋅2 2 𝐻−𝑗+1 −1 = 𝑗=1 𝐻 2 𝐻+1 − 2 𝑗 =𝐻 2 𝐻+1 −2 2 𝐻 −1 = 𝐻−1 2 𝐻+1 +2 h=0 h=1 h=2 … … h=H

21 方法一: 時間複雜度分析 時間為: 𝐻−1 2 𝐻+1 +2 又H為heap高度, N為element數目, 則兩者可有下列關係:
時間為: 𝐻−1 2 𝐻+1 +2 又H為heap高度, N為element數目, 則兩者可有下列關係: 𝐻= log 2 𝑁+1 −1 (檢查看看對否?) 因此所花時間以N表示為: log 2 𝑁+1 − log 2 𝑁 ≤ (log 2 𝑁 +1) 2 ( log 2 𝑁 +1) +2 = (log 2 𝑁 +1) 2𝑁 +2 =𝑂 𝑁 log 𝑁 h=0 h=1 h=2 … … h=H

22 How to “heapify” an array?
方法二: 從最後一個element開始往前，每次組成一個以該node為root的小heap 4 1 3 2 16 9 14 8 7 Leaves不用看 (下面沒有東西, 一定是heap) 要怎麼找到第一個非leaf的node? 從第一個非leaf的node開始檢查, 往下檢查/移動到符合heap性質為止. 每處理完一個node, 那個node為root的sub-tree會變成一個heap 等到第一個node(root)也處理好的時候，整個binary tree就變成heap了 這樣的話, 時間複雜度會變好嗎? 所花的時間 為H-h 4 1 3 2 16 9 14 8 7

23 方法二: 時間複雜度分析 所花的時間為: 𝐻+2 𝐻−1 + 2 2 𝐻−2 +…+ 2 𝐻−1 ⋅1 = 𝑖=0 𝐻 2 𝑖 (𝐻−𝑖)
𝐻+2 𝐻− 𝐻−2 +…+ 2 𝐻−1 ⋅1 = 𝑖=0 𝐻 2 𝑖 (𝐻−𝑖) Let 𝑆= 𝑖=0 𝐻 2 𝑖 (𝐻−𝑖). 2𝑆=2𝐻+4 𝐻−1 +…+ 2 𝐻 2𝑆−𝑆=−𝐻+2+4+…+ 2 𝐻 𝑆= 2 𝐻+1 −𝐻−2 又𝐻= log 2 𝑁+1 −1 2 log 2 𝑁+1 − log 2 𝑁+1 −3 ≤2𝑁− log 2 𝑁+1 −3 =𝑂(𝑁) h=0 h=1 h=2 … … h=H

24 Heapsort: 利用heap來排序 如何利用heap排序? 先用剛剛的heapify方法把整個array變成heap.
每次從heap拿出一個最大的, (和尾巴交換), 然後把原本尾巴的element依序往下檢查/交換直到符合heap性質. 重複步驟2一直到heap變成空的. 𝑂(𝑁) 𝑂(𝑁 log 𝑁 ) Total: 𝑂(𝑁 log 𝑁 ) 請同學試試看! (參考Cormen p.161 Figure 6.4)

25 Expression Tree 用一棵樹來代表expression Leaf nodes: operand
Non-leaf nodes: operator (A+B*C)/D 如何以expression tree表示? Traversal的方法可以對應到不同的expression表示法: Preorder  prefix Inorder  infix Postorder  postfix 因此expression tree建好以後可以: 轉換不同的expression表示法 計算結果(Boolean或一般數學式) Evaluate satisfiability of a boolean expression 使用標準traversal方法: code非常簡單! / + D A * B C Good reference:

26 建立Expression Tree 假設給的expression為postorder 例: ABC*+D/
Stack which can hold pointers to a node 最後在stack裡面的一個entry就是我們要的expression tree! / D + C A * B A B C

27 計算邏輯運算式 變數可為True or False 三種operator: ¬ 𝑛𝑜𝑡 ,∧ 𝑎𝑛𝑑 ,∨ 𝑜𝑟 可以使用括號
例如 𝑥 1 ∧¬ 𝑥 2 ∨ ¬ 𝑥 1 ∧ 𝑥 3 ∨¬ 𝑥 3 如何計算當 𝑥 1 , 𝑥 2 , 𝑥 3 =(𝑇,𝑇,𝐹)時的結果? 進階題: 如何找出所有組合使得結果為true?

28 計算邏輯運算式 typedef struct TreeNode { struct TreeNode *left, *right;
int data; //either operator or operand int value; } ; 𝑥 1 , 𝑥 2 , 𝑥 3 =(T,T,F) 𝑥 1 ∧¬ 𝑥 2 ∨ ¬ 𝑥 1 ∧ 𝑥 3 ∨¬ 𝑥 3 =? ∨ 儲存此一subtree的計算結果 用什麼traversal方法? Postorder! ∨ 𝑥 3 ∧ ∧ 答案: postorder 𝑥 1 𝑥 3 𝑥 2 𝑥 1

29 邏輯運算式: Satisfiability Problem
Satisifiability: 是否可以被滿足  有沒有一組truth assignment 可以使得最後boolean expression的結果為true 如何evaluate satisfiability of a boolean expression? for (all 2 𝑛 possible combinations) { generate the next combination; replace the variables by their values; evaluate root by traversing it in postorder; if (root->value) { printf(<combination>); return; } printf("No satisfiable combination\n"); Pseudo-code: 不是真的程式碼, 但是每一個步驟(可用文字表示)夠詳細, 足以解釋如何執行.

30 Today’s Reading Assignments
Karumanchi 6.11, Problem [49-52],59 Cormen ch 6 Karumanchi , Problem 7,12,13