二叉树的定义和性质

本文详细介绍了二叉树的基本定义及其主要性质,包括二叉树的结构特征、结点数量与层级之间的关系等重要内容。

定义:

二叉树:是n(n>=0)个结点所构成的集合,它或是空树或是非空树;

非空树特点:

  1. 有且仅有一个称为根的结点;
  2. 除根节点之外的其余结点分为两个互不相交的子集,称为左子树和右子树,两者本身都是二叉树;
  3. 二叉树每个结点最多有两棵子树(即结点的度最大为2);
  4. 二叉树也是有序树,有左右之分,不可颠倒顺序;

性质:

  1. 二叉树的第i层至多有2^(i-1)(i>=1)个结点;
  2. 深度为k的二叉树至多有2^(k)-1个结点(k>=1);
  3. 对于任何一棵二叉树T,如果其终端结点数为n0,度为2的结点数为n2,则n0=n2+1;
### 二叉树定义 二叉树是一种特殊的树形数据结构,其特点是每个节点最多有两个子节点,并且这两个子节点通常被区分为左子节点右子节点[^1]。具体来说,二叉树可以定义为 n (n ≥ 0) 个节点组成的有限集合。这个集合要么为空(即空二叉树),要么由一个根节点以及两棵互不相交的、分别被称为左子树右子树的二叉树组成[^2]。 --- ### 二叉树性质 以下是关于二叉树的一些重要性质: #### 性质 1 在任意一棵二叉树中,如果第 i 层有节点,则该层上的最大节点数为 \(2^{i-1}\),其中 i ≥ 1[^3]。 #### 性质 2 对于高度为 h 的二叉树,其最大节点总数为 \(2^h - 1\),这里假设树的高度从 1 开始计算[^3]。 #### 性质 3 对于任何一颗非空二叉树,若叶子节点的数量为 \(n_0\),而度为 2 的节点数量为 \(n_2\),则满足关系式:\(n_0 = n_2 + 1\)[^2]。 #### 性质 4 具有 n 个节点的完全二叉树的高度 h 满足 \(\lceil{\log_2{(n+1)}}\rceil - 1 ≤ h ≤ n\)[^3]。 #### 特殊类型的二叉树及其性质 1. **满二叉树** 如果一棵二叉树除了最后一层外的所有其他层都填满了节点,并且所有的叶节点都在同一层上,则这是一颗满二叉树[^3]。它的总节点数可以用公式 \(2^h - 1\) 表示,其中 h 是树的高度。 2. **完全二叉树** 若除可能的最后一层之外,其余各层都被完全填充;并且最后一层的节点均集中在最左侧位置,则此树为完全二叉树[^3]。这种形式的二叉树非常适合采用数组进行顺序存储实现。 --- ### 示例代码展示 下面是一个简单的 Python 实现用于创建并打印二叉树节点数目: ```python class TreeNode: def __init__(self, value=0, left=None, right=None): self.value = value self.left = left self.right = right def count_nodes(root: TreeNode) -> int: if root is None: return 0 return 1 + count_nodes(root.left) + count_nodes(root.right) # 构建简单二叉树实例 root = TreeNode(1) root.left = TreeNode(2) root.right = TreeNode(3) root.left.left = TreeNode(4) print(f"Total nodes in the binary tree: {count_nodes(root)}") # 输出应为 4 ``` ---
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