哈夫曼树及哈夫曼编码

本文介绍了哈夫曼树的概念,它是最优二叉树,具有最短的带权路径长度。通过选取权值最小的结点构建哈夫曼树,并通过实例展示了构造过程。此外,还解释了哈夫曼编码,它是无前缀编码,可以用于数据压缩。通过示例计算了哈夫曼编码的位数,并探讨了解码字符串所需的最短二进制字符串长度。

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哈夫曼树

由n个带权叶子结点构成的所有二叉树中带权路径长度最短的二叉树。
又叫最优二叉树。
树的带权路径长度: 树中所有叶子结点的带权路径之和

构造哈夫曼树
因为每次都选两个权值最小的结点构造下一个,所以没有度为1的结点
步骤:
  • 初始化:根据给定的n个权值 ,构造n棵只有一个根结点的二叉树, n个权值分别是这些二叉树根结点的权。
  • 找最小树:在F中选取两棵根结点树值最小的树作为左、右子树,构造一颗新的二叉树,置新二叉树根的权值为左、右子树根结点权值之和;
  • 删除与加入:从F中删除这两颗树,并将新树加入F;
  • 判断:重复 2) 和3),直到F中只含一颗树为止,此时得到的这颗二叉树就是哈夫曼树。
例题:有数据为{ 22,10,46,17,13,110,20,15,34 }试构造一棵哈夫曼(Huffman树),并计算WPL。

这里写图片描述
带权路径长为:WPL = 110+(34+46)*3+(20+22)*4+(10+13+15+17)*5 = 110+240+168+275 = 793

哈夫曼编码

对一棵具有n个叶子的哈夫曼树,若对树中的每个左分支赋予0,右分支赋予1,则从根到每个叶子的通路上,各分支的赋值分别构成一个二进制串,该二进制串就称为哈夫曼编码。
【注意】哈夫曼编码是最优前缀码。

例题:字符串“alibaba”用哈夫曼编码来编码,则共有多少位?

这里写图片描述
由图示分析可知:共有13位。

例题:用二进制来编码字符串“abcdabaa”,需要能够根据编码,解码回原来的字符串,最少需要多长的二进制字符串?

这里写图片描述

根据字符串构造哈夫曼树以及求哈夫曼编码的步骤:
  • 计算每个字符出现的次数
  • 根据次数构造哈夫曼树
  • 求出字符对应的编码,构成哈夫曼编码
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