96. Unique Binary Search Trees

本文探讨了如何计算构造n个节点的不同二叉搜索树的数量,通过递推公式实现了一维动态规划解决方案。

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Given n, how many structurally unique BST's (binary search trees) that store values 1...n?

For example,
Given n = 3, there are a total of 5 unique BST's.

   1         3     3      2      1
    \       /     /      / \      \
     3     2     1      1   3      2
    /     /       \                 \

2 1 2 3

分析:

注意:二分查找树的定义是,左子树节点均小于root,右子树节点均大于root!不要想当然地将某个点作为root时,认为其他所有节点都能全部放在left/right中,除非这个点是 min 或者 max 的。

分析:本题其实关键是递推过程的分析,n个点中每个点都可以作为root,当 i 作为root时,小于 i  的点都只能放在其左子树中,大于 i 的点只能放在右子树中,此时只需求出左、右子树各有多少种,二者相乘即为以 i 作为root时BST的总数。

如果把上例的顺序改一下,就可以看出规律了。

比如,以 1 为根的树的个数,等于左子树的个数乘以右子树的个数,左子树是 0 个元素的树,右子树是 2 个元素的树。

以 2 为根的树的个数,等于左子树的个数乘以右子树的个数,左子树是 1个元素的树,右子树也是 1 个元素的树。依此类推。 当数组为 1; 2; 3; .....; n 时,基于以下原则的构建的 BST 树具有唯一性:以 i 为根节点的树,其左子树由 [1, i-1] 构成,其右子树由 [i+1, n] 构成。 定义 f (i) 为以 [1; i] 能产生的 Unique Binary Search Tree 的数目,则 如果数组为空,毫无疑问,只有一种 BST,即空树,f (0) = 1。 如果数组仅有一个元素 1,只有一种 BST,单个节点,f (1) = 1。 如果数组有两个元素 1,2,那么有如下两种可能

f (2) = f (0) * f (1) ,1 为根的情况         + f (1) * f (0) , 2 为根的情况

再看一看 3 个元素的数组,可以发现 BST 的取值方式如下: f (3) =    f (0) * f (2) ,1 为根的情况            + f (1) * f (1) ,2 为根的情况            + f (2) * f (0) ,3 为根的情况

所以,由此观察,可以得出 f 的递推公式为 至此,问题划归为一维动态规划。

ac代码:

class Solution { public:     int numTrees(int n) {         vector<int>v(n+1,0);         v[0]=1;         v[1]=1;         int i,j;         for(i=2;i<=n;i++)         {             for(j=0;j<i;j++)             {                 v[i]+=v[j]*v[i-j-1];             }         }         return v[n];     } };

### 如何使用二叉搜索树(BST)实现 A+B 操作 在 C 编程语言中,可以通过构建两个二叉搜索树(BST),分别表示集合 A 和 B 的元素,然后通过遍历其中一个 BST 并将其节点插入到另一个 BST 中来完成 A+B 操作。以下是详细的实现方法: #### 数据结构定义 首先需要定义一个简单的二叉搜索树节点的数据结构。 ```c typedef struct TreeNode { int value; struct TreeNode* left; struct TreeNode* right; } TreeNode; ``` #### 插入函数 为了向 BST 添加新元素,可以编写如下 `insert` 函数。 ```c TreeNode* createNode(int value) { TreeNode* newNode = (TreeNode*)malloc(sizeof(TreeNode)); newNode->value = value; newNode->left = NULL; newNode->right = NULL; return newNode; } void insert(TreeNode** root, int value) { if (*root == NULL) { *root = createNode(value); } else { if (value < (*root)->value) { insert(&((*root)->left), value); // Insert into the left subtree. } else if (value > (*root)->value) { insert(&((*root)->right), value); // Insert into the right subtree. } // If value == (*root)->value, do nothing since duplicates are not allowed in a set. } } ``` #### 合并操作 要执行 A+B 操作,即合并两棵 BST,可以从一棵树中提取所有元素并将它们逐个插入另一棵树中。 ```c // In-order traversal to extract elements from one tree and add them to another. void mergeTrees(TreeNode* sourceRoot, TreeNode** targetRoot) { if (sourceRoot != NULL) { mergeTrees(sourceRoot->left, targetRoot); // Traverse left subtree first. insert(targetRoot, sourceRoot->value); // Add current node's value to target tree. mergeTrees(sourceRoot->right, targetRoot); // Then traverse right subtree. } } ``` #### 主程序逻辑 假设我们已经初始化了两棵 BST 表示集合 A 和 B,则可以通过调用上述函数完成 A+B 操作。 ```c int main() { TreeNode* treeA = NULL; TreeNode* treeB = NULL; // Example: Adding values to Tree A. int arrayA[] = {5, 3, 7, 2, 4}; for (size_t i = 0; i < sizeof(arrayA)/sizeof(arrayA[0]); ++i) { insert(&treeA, arrayA[i]); } // Example: Adding values to Tree B. int arrayB[] = {6, 8, 1}; for (size_t i = 0; i < sizeof(arrayB)/sizeof(arrayB[0]); ++i) { insert(&treeB, arrayB[i]); } // Perform A + B by merging all nodes of treeB into treeA. mergeTrees(treeB, &treeA); // Now treeA contains all unique elements from both sets. return 0; } ``` 此代码片段展示了如何利用二叉搜索树的性质高效地进行集合并集运算[^1]。
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