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itcharge committed Feb 28, 2022
1 parent 166180a commit d45cbe9
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如图所示,这 `3` 棵树都是二叉搜索树。

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二叉树具有一个特性,即:**左子树的节点值 < 根节点值 < 右子树的节点值**

根据这个特性,如果我们以中序遍历的方式遍历整个二叉搜索树时,会得到一个递增序列。例如,一棵二叉搜索树的中序遍历序列如下图所示。

## 2. 二叉搜索树的查找

> **二叉搜索树的查找**:在二叉搜索树中查找值为 `val` 的节点。
### 2.1 二叉搜索树的查找算法步骤

按照二叉搜索树的定义,在进行元素查找时,我们只需要根据情况判断需要往左还是往右走。这样,每次根据情况判断都会缩小查找范围,从而提高查找效率。二叉树的查找步骤如下:

1. 如果二叉搜索树为空,则查找失败,结束查找,并返回空指针节点 `None`
2. 如果二叉搜索树不为空,则将要查找的值 `val` 与二叉搜索树根节点的值 `root.val` 进行比较:
1. 如果 `val == root.val`,则查找成功,结束查找,返回被查找到的节点。
2. 如果 `val < root.val`,则递归查找左子树。
3. 如果 `val > root.val`,则递归查找右子树。

### 2.2 二叉搜索树的查找代码实现

```Python
class Solution:
def searchBST(self, root: TreeNode, val: int) -> TreeNode:
if not root:
return None

if val == root.val:
return root
elif val < root.val:
return self.searchBST(root.left, val)
else:
return self.searchBST(root.right, val)
```

### 2.3 二叉搜索树的查找算法分析

- 二叉搜索树的查找时间复杂度和树的形态有关。
- 在最好情况下,二叉搜索树的形态与二分查找的判定树相似。每次查找都可以所辖一半搜索范围。查找路径最多从根节点到叶子节点,比较次数最多为树的高度 $log n$。在最好情况下查找的时间复杂度为 $O(log_2 n)$。
- 在最坏情况下,二叉搜索树的形态为单支树,即只有左子树或者只有右子树。每次查找的搜索范围都缩小为 $n - 1$,退化为顺序查找,在最坏情况下时间复杂度为 $O(n)$。
- 在平均情况下,二叉搜索树的平均查找长度为 $ASL = [(n+1)/n] * log_2(n+1) - 1$。所以二分搜索树的查找平均时间复杂度为 $O(log_2 n)$。

## 3. 二叉搜索树的插入

> **二叉搜索树的插入**:在二叉搜索树中插入一个值为 `val` 的节点(假设当前二叉搜索树中不存在值为 `val` 的节点)。
### 3.1 二叉搜索树的插入算法步骤

二叉搜索树的插入操作与二叉树的查找操作过程类似,具体步骤如下:

1. 如果二叉搜索树为空,则创建一个值为 `val` 的节点,并将其作为二叉搜索树的根节点。
2. 如果二叉搜索树不为空,则将待插入的值 `val` 与二叉搜索树根节点的值 `root.val` 进行比较:
1. 如果 `val < root.val`,则递归将值为 `val` 的节点插入到左子树中。
2. 如果 `val > root.val`,则递归将值为 `val` 的节点插入到右子树中。

### 3.2 二叉搜索树的插入代码实现

```Python
class Solution:
def insertIntoBST(self, root: TreeNode, val: int) -> TreeNode:
if root == None:
return TreeNode(val)

if val < root.val:
root.left = self.insertIntoBST(root.left, val)
if val > root.val:
root.right = self.insertIntoBST(root.right, val)
return root
```

## 4. 二叉搜索树的创建

> **二叉搜索树的创建**:根据数组序列中的元素值,建立一棵二叉搜索树。
### 4.1 二叉搜索树的创建算法步骤

二叉搜索树的创建操作是从空树开始,按照给定数组元素的值,依次进行二叉搜索树的插入操作,最终得到一棵二叉搜索树。具体算法步骤如下:

1. 初始化二叉搜索树为空树。
2. 遍历数组元素,将数组元素值 `nums[i]` 依次插入到二叉搜索树中。
3. 将数组中全部元素值插入到二叉搜索树中之后,返回二叉搜索树的根节点。

### 4.2 二叉搜索树的创建代码实现

```Python
class Solution:
def insertIntoBST(self, root: TreeNode, val: int) -> TreeNode:
if root == None:
return TreeNode(val)

if val < root.val:
root.left = self.insertIntoBST(root.left, val)
if val > root.val:
root.right = self.insertIntoBST(root.right, val)
return root
def buildBST(self, nums) -> TreeNode:
root = TreeNode(val)
for num in nums:
self.insertIntoBST(root, num)
return root
```

## 5. 二叉搜索树的删除

> **二叉搜索树的删除**:在二叉搜索树中删除值为 `val` 的节点。
### 5.1 二叉搜索树的删除算法步骤

在二叉搜索树中删除元素,首先要找到待删除节点,然后执行删除操作。根据待删除节点所在位置的不同,可以分为 `3` 种情况:

1. 被删除节点的左子树为空。则令其右子树代替被删除节点的位置。
2. 被删除节点的右子树为空。则令其左子树代替被删除节点的位置。
3. 被删除节点的左右子树均不为空,则根据二叉搜索树的中序遍历有序性,删除该节点时,可以使用其直接前驱(或直接后继)代替被删除节点的位置。

- **直接前驱**:在中序遍历中,节点 `p` 的直接前驱为其左子树的最右侧的叶子节点。
- **直接后继**:在中序遍历中,节点 `p` 的直接后继为其右子树的最左侧的叶子节点。

二叉搜索树的删除算法步骤如下:

1. 如果当前节点为空,则返回当前节点。
2. 如果当前节点值大于 `val`,则递归去左子树中搜索并删除,此时 `root.left` 也要跟着递归更新。
3. 如果当前节点值小于 `key`,则递归去右子树中搜索并删除,此时 `root.right` 也要跟着递归更新。
4. 如果当前节点值等于 `key`,则该节点就是待删除节点。
1. 如果当前节点的左子树为空,则删除该节点之后,则右子树代替当前节点位置,返回右子树。
2. 如果当前节点的右子树为空,则删除该节点之后,则左子树代替当前节点位置,返回左子树。
3. 如果当前节点的左右子树都有,则将左子树转移到右子树最左侧的叶子节点位置上,然后右子树代替当前节点位置。

### 5.2 二叉搜索树的删除代码实现

```Python
class Solution:
def deleteNode(self, root: TreeNode, key: int) -> TreeNode:
if not root:
return root

if root.val > key:
root.left = self.deleteNode(root.left, key)
return root
elif root.val < key:
root.right = self.deleteNode(root.right, key)
return root
else:
if not root.left:
return root.right
elif not root.right:
return root.left
else:
curr = root.right
while curr.left:
curr = curr.left
curr.left = root.left
return root.right
```

## 参考资料

- 【书籍】算法训练营 陈小玉 著
- 【书籍】算法竞赛入门经典:训练指南 - 刘汝佳,陈锋 著
- 【书籍】算法竞赛进阶指南 - 李煜东 著

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