Binary Tree
「二元樹」是計算機科學最重要的概念，甚至可以說：二元樹開創了計算機科學。
像是排序資料結構 Binary Search Tree 、極值資料結構 Heap 、資料壓縮 Huffman Tree 、 3D 繪圖 BSP Tree ，這一大堆稀奇古怪的術語，通通都是二元樹。二元樹的應用相當廣泛，是資工系學生必學的基礎概念。
「二元樹」與「樹」，儘管名稱相近，但是概念不相近，至於用途更是天差地遠，兩者可以分別獨立學習。二元樹：資料結構課程的二元搜尋樹章節，會順便引出二元樹的概念；樹：演算法課程的圖論章節，一開始就會介紹樹的定義。
言歸正傳。「二元樹」就是分兩岔的樹，每個節點可以有左小孩和右小孩，每個節點可以有零個、一個、兩個小孩。
Binary Tree 的形容詞
full binary tree ：除了樹葉以外，每個節點都有兩個小孩。
complete binary tree ：各層節點全滿，除了最後一層，最後一層節點全部靠左。
perfect binary tree ：各層節點全滿。同時也是 full binary tree 和 complete binary tree 。
Binary Tree 資料結構
第一種方式：建立節點，以指標串接節點。
- struct Node
- {
- Node* parent;
- Node* left;
- Node* right;
- int data;
- };
- Node* root = 0;
第二種方式：二進位數字一一對應到二元樹的節點。
建立一個陣列，以陣列索引值得到節點：樹根的索引值是一，索引值的兩倍是左小孩，索引值的兩倍再加一是右小孩，索引值除以二是父親。
優點是程式碼簡潔、運行速度快。缺點是浪費記憶體空間，有很多閒置空格。另一個缺點是樹的高度受限制。 1024 = 2¹⁰ 格的陣列，樹的高度只有 10 ，不能更高了。
- int tree[1024]; // tree[0]不使用，只有五個節點。
- int parent(int index) {return index / 2;}
- int left(int index) {return index * 2;}
- int right(int index) {return index * 2 + 1;}
- void binary_tree()
- {
- cout << "根為" << tree[1];
- cout << "根的左邊小孩是" << tree[left(1)];
- cout << "根的右邊小孩是" << tree[right(1)];
- }
Binary Tree Traversal
二元樹的遍歷順序，理論上總共四種 ── 但是事實上還是只有 DFS 與 BFS 兩種，只不過更動了節點的輸出順序。
注意樹根的位置，就能輕鬆解讀這四種序。
Preorder Traversal 前序遍歷 理論上的遍歷順序是：根、左子樹、右子樹。根排在前面。 即是Depth-first Search。 Inorder Traversal 中序遍歷 理論上的遍歷順序是：左子樹、根、右子樹。根排在中間。 實際上是採用Depth-first Search，只不過更動了節點的輸出順序。 Postorder Traversal 後序遍歷 理論上的遍歷順序是：左子樹、右子樹、根。根排在後面。 實際上是採用Depth-first Search，只不過更動了節點的輸出順序。 Level-order Traversal 層序遍歷 即是Breath-first Search。
- struct Node
- {
- Node* left;
- Node* right;
- int data;
- };
- Node* root = ...; // 假設已經建立二元樹了
- // preorder traversal
- void traversal(Node* p)
- {
- if (!p) return;
- cout << p->data; // 先輸出樹根
- traversal(p->left); // 次輸出左子樹
- traversal(p->right);// 後輸出右子樹
- }
- // inorder traversal
- void traversal(Node* p)
- {
- if (!p) return;
- traversal(p->left);
- cout << p->data; // 挪到中間，改變輸出順序。
- traversal(p->right);
- }
- // postorder traversal
- void traversal(Node* p)
- {
- if (!p) return;
- traversal(p->left);
- traversal(p->right);
- cout << p->data; // 挪到後面，改變輸出順序。
- }
- // level-order traversal
- void traversal(Node* root)
- {
- queue<Node*> q;
- q.push(root);
- while (!q.empty())
- {
- Node* p = q.front(); q.pop();
- cout << p->data; // 這行往下挪，結果仍相同。
- if (p->left) q.push(p->left);
- if (p->right) q.push(p->right);
- }
- }
- // preorder traversal
- void traversal(Node* root)
- {
- stack<Node*> s;
- s.push(root);
- while (!s.empty())
- {
- Node* p = s.front(); s.pop();
- cout << p->data; // 這行往下挪，結果仍相同。
- if (p->right) s.push(p->right);
- if (p->left) s.push(p->left);
- // 堆疊先進後出、顛倒順序，故先放右小孩、再放左小孩。
- }
- }
Binary Tree Reconstruction
以一棵二元樹能得到前序、中序、後序、層序，那麼以前序、中序、後序、層序能得到一棵二元樹嗎？
只有一種序，是無法還原出一棵二元樹的，有很多可能性。
有兩種序，就有機會還原出唯一一棵二元樹。比方說，只知道 preorder 和 inorder ，求出原本的二元樹。
運用 Divide and Conquer 可以巧妙解決。在 preorder 之中，最左邊的元素就是 root ；在 inorder 之中， root 的兩邊分別為左子樹和右子樹 ── 利用 root 便可區分左子樹和右子樹。子樹也是樹，可以用相同手法繼續分割，最後便可求出整棵樹的架構。
但是只有 preorder 和 postorder 的話，是做不出答案的。因為無法確定樹根的位置。
那麼 level-order 呢？大家就自己想想吧。
Polish Notation / Reverse Polish Notation
凡是談到二元樹的前序、中序、後序，總是順便談到四則運算的前序、中序、後序表示法。
我們可以將一道四則運算式子，換成二元樹。
然後列出此二元樹的前序、中序、後序。其中前序就是波蘭表示法，又稱作 prefix ；中序就是原來的四則運算式子、需要括號，又稱作 infix ；後序就是逆波蘭表示法，又稱作 postfix 。
然而，建立二元樹是很麻煩的。能不能略過二元樹，直接把四則運算式子換成波蘭表示法（逆波蘭表示法）呢？當然能！只要運用 stack ，就可以做到這件事情。
- 通常這是學校作業，所以就不提供程式碼了。
一道四則運算式子，改成波蘭表示法（逆波蘭表示法）之後，計算過程變成由左往右計算，不必顧慮先乘除後加減、不必顧慮括號，只需要一個額外的 stack 作為輔助。
程式語言的四則運算式子，事實上都會被編譯器轉換成波蘭表示法（逆波蘭表示法），以利電腦計算。
- 通常這是學校作業，所以就不提供程式碼了。
N-ary Tree
N-ary Tree （ k-way Tree ）
「多元樹」就是分 N 岔的樹，每個節點可以有零個、一個、兩個、 …… 、 N 個小孩。
注意到：多元樹，節點只有一個小孩時，沒有左小孩、右小孩的差別；二元樹，節點只有一個小孩時，有左小孩、右小孩的差別。
Left Child/Right Sibling Representation
一棵多元樹，可以改用二元樹表示：多元樹的左小孩，是二元樹的左小孩；多元樹的其餘小孩（左小孩的兄弟），是二元樹的右小孩、右右小孩、 …… 。
芸芸多元樹，皆得簡化成二元樹；區區二元樹，便可描述出多元樹。萬流歸宗、一以貫之。
有興趣的讀者，可以觀察多元樹與轉化過的二元樹的前序、中序、後序、層序。也可以計算一下多元樹的節點數目、樹葉數目、高度。
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