圖說演算法使用JavaScript(二十四)

9-3二元樹走訪的入門捷徑

我們知道線性陣列或串列,都只能單向從頭至尾或反向走訪。所謂二元樹的走訪(Binary Tree Traversal),最簡單的說法就是「拜訪樹中所有的節點各一次」,並且在走訪後,將樹中的資料轉化為線性關係。就以下圖一個簡單的二元樹而言,每個節點都可區分為左右兩個分支。

所以共可以有ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA等6種走訪方法。如果是依照二元數特性,一律由左向右,那會只剩下三種走訪方式,分別是BAC、ABC、BCA三種。我們通常把這三種方式的命名與規則如下:

1.中序走訪(BAC,Inorder):左子樹->樹根->右子樹
2.前序走訪(ABC,Preorder):樹根->左子樹->右子樹
3.後序走訪(BCA,Postorder):左子樹->右子樹->樹根

對於這三種走訪方式,各位讀者只需要記得樹根位置就不會前中後序給搞混。例如中序法及樹根在中間,前序法是樹根在前面,後序法則是樹跟在後面。而走訪方式也一定是先左子樹後右子樹。以下針對這三種方式,為各位做更詳盡的介紹。

>>中序走訪

中序走訪(Inorder Traversal)也就是從樹的左側逐步向下方移動,直到無法移動,再追蹤此節點,並向右移動一節點。如果無法再向右移動時,可以返回上一層的父節點,重複左、中、右的步驟進行。如下所示:
1.走訪左子樹。
2.拜訪樹根。
3.走訪右子樹。

中序走訪的遞迴演算法如下:

var inorder=(ptr)=> {
if(ptr!=null) {
inorder(ptr.left);
process.stdout.write('['+ptr.data+']');
inorder(ptr.right);
}
}

>>後序走訪

後續走訪(Postorder Traversal)走訪的順序是先追蹤左子樹,再追蹤右子樹,最後處理根結點,反覆執行此步驟。如下所示:
1.走訪左子樹。
2.走訪右子樹。
3.拜訪樹根。

如下圖的後序走訪為:FHIGDEBCA

後序走訪的遞迴演算法如下:

var postorder=(ptr)=> { //後序走訪
       if (ptr!=null) {
            postorder(ptr.left);
            postorder(ptr.right);
            process.stdout.write(‘[‘+ptr.data+’] ‘);
     }
}

>>前序走訪

前序走訪(Preorder Traversal)是從根節點走訪,再往左右移動,無法繼續時,繼續向右方移動,接著再重複執行此步驟。如下所示:
1.拜訪樹根。
2.走訪左子樹。
3.走訪右子樹。

下圖的前序走訪為:ABDFGHIEC

前序走訪的遞迴演算法如下:

var preorder=(ptr)=> {
       if (ptr!=null) {
            process.stdout.write(‘[‘+ptr.data+’] ‘);
            preorder(ptr.left);
            preorder(ptr.right);
       }
}

JS                 inorder.js

class tree {
	constructor() {
		this.data=0;
		this.left=null;
		this.right=null;
	}
}

var inorder=(ptr)=> {
	if (ptr!=null) {
		inorder(ptr.left);
		process.stdout.write('['+ptr.data+'] ');
		inorder(ptr.right);
	}
}

var create_tree=(root,val)=> {
	newnode=new tree();
	newnode.data=val;
	newnode.left=null;
	newnode.right=null;
	if (root==null) {
		root=newnode;
		return root;
	}
	else {
		current=root;
		while (current!=null) {
			backup=current;
			if (current.data>val)
				current=current.left;
			else
				current=current.right;
		}
		if (backup.data>val)
			backup.left=newnode;
		else
			backup.right=newnode;

	}
	return root;
}

//主程式
data=[5,6,24,8,12,3,17,1,9];
ptr=null;
root=null;
for (i=0; i<9; i++) 
	ptr=create_tree(ptr,data[i]);
process.stdout.write('================\n');
process.stdout.write('排序完成結果:\n');
inorder(ptr);
process.stdout.write('\n');

PHP               inorder.php

                         inorder-gpt.php

目前,還是沒辦法解決二元樹-20250660
吳老師建議查ChatGPT查查看,inorder-中序尋訪可以解,
但是binary_search的inorder有問題。

class TreeNode {
public $val;
public $left;
public $right;
public function __construct($val) {
$this->val = $val;
$this->left = null;
$this->right = null;
}
}
// 中序走訪函式
function inorderTraversal($node) {
if ($node === null) {
return;
}
// 遞迴走訪左子樹
inorderTraversal($node->left);
// 處理當前節點
echo $node->val . " ";
// 遞迴走訪右子樹
inorderTraversal($node->right);
}
// 建立範例二元樹
// 1
// / \
// 2 3
// / \
// 4 5
$root = new TreeNode(1);
$root->left = new TreeNode(2);
$root->right = new TreeNode(3);
$root->left->left = new TreeNode(4);
$root->left->right = new TreeNode(5);
// 執行中序走訪
echo "中序走訪結果: ";
inorderTraversal($root); // 預期輸出:4 2 5 1 3

圖說演算法使用JavaScript(二十三)

9-2鏈結串列實作二元樹

所謂鏈結串列實作二元樹,就是利用鏈結串列來儲存二元樹。基本上,使用串列來表示二元樹的好處是對於節點的增加與刪除相當容易,缺點是很難找到父節點,除非在每一節點多增加一個欄位。以上述宣告而言,此節點所存放的資料型態為整數。寫成如下宣告:

class tree {
       constructor() {
              this.data=0;
              this.left=null;
              this.right=null;
        }
}

以串列方式建立二元樹的演算法如下:

var creat_tree=(root,val)=> {
       newnode=new tree();
       newnode.data=val;
       newnode.left=null;
       newnode.right=null;
       if (root==null) {
            root=newnode;
            return root;
      }
      else {
            current=root;
            while (current!=null) {
                  back=current;
                  if (current.data>val)
                      current=current.left;
                  else
                  current=current.right;
      }
      if (back.data>val)
             backup.left=newnode;
      else
             backup.right=newnode;
     }
       return root;
}

JS               list_tree.js

class tree {
	constructor() {
		this.data=0;
		this.left=null;
		this.right=null;
	}
}
var create_tree=(root,val)=> {
	newnode=new tree();
	newnode.data=val;
	newnode.left=null;
	newnode.right=null;
	if (root==null) {
		root=newnode;
		return root;
	}
	else {
		current=root;
		while (current!=null) {
			backup=current;
			if (current.data>val)
				current=current.left;
			else
				current=current.right;
		}
		if (backup.data>val)
			backup.left=newnode;
		else
			backup.right=newnode;
	}
	return root;
}
data=[5,6,24,8,12,3,17,1,9];
ptr=null;
root=null;
for (i=0; i<9; i++) 
	ptr=create_tree(ptr,data[i]);
process.stdout.write('左子樹:\n');
root=ptr.left;
while (root!=null) {
	process.stdout.write(root.data+'\n');
	root=root.left;
}
process.stdout.write('------------------------------\n');
process.stdout.write('右子樹:\n');
root=ptr.right;
while (root!=null) {
	process.stdout.write(root.data+'\n');
	root=root.right;
}
process.stdout.write('\n');

PHP               list_tree.php

class Node {
    public $data;
    public $left;
    public $right;

    public function __construct($data) {
        $this->data = $data;
        $this->left = null;
        $this->right = null;
    }
}

// 定義二元搜尋樹類別
class BinaryTree {
    public $root;

    public function __construct() {
        $this->root = null;
    }

    // 插入節點(遞迴方式)
    public function insert($data) {
        $this->root = $this->insertRecursively($this->root, $data);
    }

    private function insertRecursively($node, $data) {
        if ($node === null) {
            return new Node($data);
        }

        if ($data < $node->data) {
            $node->left = $this->insertRecursively($node->left, $data);
        } else {
            $node->right = $this->insertRecursively($node->right, $data);
        }

        return $node;
    }

    // 中序遍歷(in-order traversal)
    public function inorderTraversal($node) {
        if ($node !== null) {
            $this->inorderTraversal($node->left);
            echo $node->data . " ";
            $this->inorderTraversal($node->right);
        }
    }
}

// 使用範例
$tree = new BinaryTree();
$tree->insert(50);
$tree->insert(30);
$tree->insert(70);
$tree->insert(20);
$tree->insert(40);
$tree->insert(60);
$tree->insert(80);

echo "中序遍歷結果: ";
$tree->inorderTraversal($tree->root);

PHP                  create_tree.php

用class實作二元數:目前中序走訪函數有問題

改為另一個PHP解法   create_tree-1.php

class TreeNode {
    public $value;
    public $left;
    public $right;

    public function __construct($value) {
        $this->value = $value;
        $this->left = null;
        $this->right = null;
    }
}

function insertBST($root, $value) {
    if ($root === null) {
        return new TreeNode($value);
    }
    if ($value < $root->value) {
        $root->left = insertBST($root->left, $value);
    } else {
        $root->right = insertBST($root->right, $value);
    }
    return $root;
}

// 測試:建 BST
$values = [10, 5, 15, 3, 7, 12, 18];
$root = null;

foreach ($values as $val) {
    $root = insertBST($root, $val);
}

// 中序遍歷 BST
function inorderTraversal($node) {
    if ($node === null) return;
    inorderTraversal($node->left);
    echo $node->value . ' ';
    inorderTraversal($node->right);
}

inorderTraversal($root); // 輸出:3 5 7 10 12 15 18

圖說演算法使用JavaScript(二十二)

9-1陣列實作二元樹

如果使用循序的一維陣列來表示二元樹,首先可將此二元樹假想成一個完滿二元樹(Full Binary Tree),而且第k個階度具有2^(k-1)個節點,並且依序存放在此一維陣列中。首先來看看使用一維陣列建立二元樹的表示方法及索引值的配置:

從上圖中,我們可以看到此一維陣列中的索引值有以下關係:

1.左子樹索引值是父節點索引值*2
2.右子樹索引值是父節點索引值*2+1

接著就來看如何以一維陣列建立二元樹的實例,事實上就是建立一個二元搜尋樹,這是一種很好的排序應用模式,因為在建立二元樹的同時,資料已經經過初步的比較判斷,並依照二元樹的建立規則來存放資料。所謂二元搜尋樹具有以下特點:

1.可以是空集合,但若不是空集合則節點上一定要有健值。
2.每一個樹根的值須大於左子樹的值。
3.每一個樹根的值需小於右子樹的值。
4.左右子樹也是二元搜尋樹。
5.樹的每個節點值都不同。

JS                  array_tree.js

length=8;
data=[6,3,5,9,7,8,4,2];
btree=[];
for (i=0; i<16; i++)  btree[i]=0;
	process.stdout.write("原始陣列內容: \n");

for (i=0; i<length; i++) 
	process.stdout.write("[" +data[i] + "] ");
	process.stdout.write('\n');

	for (i=0; i<length; i++) {
		for (level=1; btree[level] !=0;) {
			if (data[i] > btree[level])
				level=level*2+1;
			else
				level=level*2;
		}
		btree[level]=data[i];
	}
process.stdout.write("二元樹內容:\n");
for (i=1; i<16; i++)
	process.stdout.write("[" + btree[i] + "] ");
process.stdout.write('\n');

PHP                array_tree.php

$length=8;
$brtree=array();
$data=array(6,3,5,9,7,8,4,2);
echo "<br>原始陣列:<br>";
print_arr($data);
echo "<br>";

for ($i=0; $i<$length; $i++) {
	for ($level=1; $brtree[$level]!=0;) {
		if ($data[$i]>$brtree[$level])
			$level=$level*2+1;
		else
			$level=$level*2;
	}
	$brtree[$level]=$data[$i];
}

//$brtree = asort($brtree);
//print_arr($brtree);
//echo "<-here<br>";
$count=$length*2;
$new_brtree=array();
for ($j=1; $j<=$count; $j++) {
	if (!$brtree[$j]) 
		$value=0;
	else 
		$value=$brtree[$j];
	//echo "{$j}-[{$value}]   ";
	$new_brtree[]=$value;
}

print_arr($new_brtree);


function print_arr ($arr) {
	$i=0;
	foreach ($arr as $key =>$value){
		$key=$key+1;
		echo $key."[".$value."]   ";
		//echo ($i%8==0 && $i!=0) ? "<br>":"   ";
		$i++;
	}
}