222. 完全二叉树的节点个数

本文探讨如何利用完全二叉树的性质计算节点数量。通过递归和二分法,可以有效地确定总节点数。当根节点左右子树深度相等时,左子树为满二叉树;若左子树深度大于右子树深度,右子树为满二叉树。节点总数由倒数第二层节点数和最后一层节点数决定。对于最后一层节点数的判断,可以借助二分法找到最后一个非空节点的索引来完成。

1.使用递归来实现

class Solution {
public:
    int countNodes(TreeNode* root) 
    {
        if(root == nullptr) return 0;
        return countNodes(root->left) + countNodes(root->right) + 1;
    }
};

2. 根据完全二叉树的性质简化遍历次数

  • 如果根节点的左子树深度等于右子树深度,则说明左子树为满二叉树

  • 如果根节点的左子树深度大于右子树深度,则说明右子树为满二叉树

class Solution {
public:
    // 统计树的深度
    int countLevels(TreeNode* root) {
        int levels = 0;
        while (root) {
  
### 完全二叉树的叶结数量计算 完全二叉树是一种结构紧凑、接近满二叉树的数据结构。在完全二叉树中,除最后一层外,其余各层都是满的,并且最后一层的结都靠左排列。 #### 已知完全二叉树有 16 个结,求叶结数量 对于一个具有 n 个结完全二叉树,其深度为 h = ⌊log₂n⌋ + 1。当 n = 16 时: - 深度 h = ⌊log₂16⌋ + 1 = 4 + 1 = 5 - 前 4 层是满的,共有 2⁴ - 1 = 15 个结 - 第 5 层有一个结(第 16 个) 因此,叶结全部位于第 4 层和第 5 层。第 4 层有 8 个结,其中前 7 个结是内部结(每个都有两个子结),最后一个结只有左子结(即第 16 个结)。第 5 层只有一个叶结。 第 4 层的叶结数为:8 - 7 = 1 第 5 层的叶结数为:1 总叶结数为 1 + 1 = 2 但这与直觉不符。实际上,在完全二叉树中,叶结数可以通过以下方式更准确地推导。 #### 推导完全二叉树中叶结数量与总结数 n 的关系公式 设完全二叉树的总结数为 n,深度为 h = ⌊log₂n⌋ + 1,则: - 前 h - 1 层构成一个满二叉树,结总数为 2^(h-1) - 1 - 最后一层(第 h 层)有 k = n - (2^(h-1) - 1) 个结 这些结分布在第 h - 1 层的 2^(h-2) 个结下,每个最多有两个子结。由于完全二叉树的特性,这些 k 个结会尽可能占据最左边的位置。 第 h - 1 层的结数为 2^(h-2),其中: - 被填满的完整父结数为 ⌈k / 2⌉ - 因此,叶结包括: - 第 h 层的 k 个结 - 第 h - 1 层中未被填充的父结数:2^(h-2) - ⌈k / 2⌉ 综上,叶结总数为: ``` leaf_count = k + (2^(h-2) - ⌈k / 2⌉) ``` 简化该公式可得: ``` leaf_count = ⌈(n + 1) / 2⌉ ``` 这是适用于任意完全二叉树的通用公式[^2]。 #### 示例代码(Python 实现) ```python def count_leaf_nodes(n): return (n + 1) // 2 if n % 2 == 0 else (n + 1) // 2 + 1 print(count_leaf_nodes(16)) # 输出 8 ``` 根据上述公式,完全二叉树中叶结数量为 ⌈(16 + 1) / 2⌉ = 8 个。 ---
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