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「代码随想录算法训练营」第十一天 | 二叉树 part1

2024-07-15 17:59 由 云雀AC了一整天 发表于 #其他

二叉树的基本知识

链接：https://programmercarl.com/二叉树理论基础.html

要点：

  • 深度优先遍历
    • 前序遍历（递归法，迭代法）
    • 中序遍历（递归法，迭代法）
    • 后序遍历（递归法，迭代法）
  • 广度优先遍历
    • 层次遍历（迭代法）

由于栈就是递归的一种实现结构，因此前中后序遍历的逻辑可以借助栈使用递归的方式来实现。
由于队列先进先出的特点，广度优先遍历一般使用队列来实现。

递归的思想：

每次写递归，要按照三要素去写：

  1. 确定递归函数的参数和返回值。
  2. 确定终止条件。
  3. 确定单层递归的逻辑。

下面开始具体的完成算法题目。

144. 二叉树的前序遍历

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-preorder-traversal/
题目难度：简单
文章讲解：https://programmercarl.com/二叉树的递归遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1Wh411S7xt
题目状态：通过

递归思路：

使用递归的三要素完成递归操作，通过代码就可以看明白。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    void traversal(TreeNode *root, vector<int> &res) {
        if(root == nullptr) return;
        res.push_back(root->val);
        traversal(root->left, res);
        traversal(root->right, res);
    }

    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> res;
        traversal(root, res);
        return res;
    }
};

栈的思路：

先将根结点放入栈中，然后将右孩子加入栈，再加入左孩子。

为什么要先加入右孩子，在加入左孩子呢？因为这样出栈的时候才是中左右的顺序（可以看上图理解）。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<int> preorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode *> st;
        vector<int> res;
        if(root == nullptr) return res;
        st.push(root);
        while(!st.empty()) {
            TreeNode *node = st.top();
            st.pop();
            res.push_back(node->val);
            if(node->right) st.push(node->right);
            if(node->left) st.push(node->left);
        }
        return res;
    }
};

145. 二叉树的后序遍历

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-postorder-traversal/

递归思路和上面一样，甚至代码都不太变，直接看代码：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    void traversal(TreeNode *root, vector<int> &res) {
        if(root == nullptr) return;
        traversal(root->left, res);
        traversal(root->right, res);
        res.push_back(root->val);
    }
    vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> res;
        traversal(root, res);
        return res;
    }
};

栈的思想：

将前面前序遍历的进栈顺序“中->右->左”改变一下，变为“中->左->右”,此时出栈的顺序就是“中->右->左”，之后在反转一下，变为“左->右->中”即可。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<int> postorderTraversal(TreeNode* root) {
        stack<TreeNode *> st;
        vector<int> res;
        if(root == nullptr) return res;
        st.push(root);
        while(!st.empty()) {
            TreeNode *node = st.top();
            st.pop();
            res.push_back(node->val);
            if(node->left) st.push(node->left);
            if(node->right) st.push(node->right);
        }
        reverse(res.begin(), res.end());
        return res;
    }
};

94. 二叉树的中序遍历

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-inorder-traversal/

递归代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    void traversal(TreeNode *root, vector<int> &res) {
        if(root == nullptr) return;
        traversal(root->left, res);
        res.push_back(root->val);
        traversal(root->right, res);
    }
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> res;
        traversal(root, res);
        return res;
    }
};

栈的思路：

采用指针将左孩子全部压入栈，再遍历出来；之后采用指针将右孩子全部压入栈，再遍历出来。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<int> inorderTraversal(TreeNode* root) {
        vector<int> res;
        stack<TreeNode *> st;
        TreeNode *cur = root;
        while(cur != nullptr || !st.empty()) {
            if(cur != nullptr) {
                st.push(cur);
                cur = cur->left;
            } else {
                cur = st.top();
                st.pop();
                res.push_back(cur->val);
                cur = cur->right;
            }
        }
        return res;
    }
};

102. 二叉树的层序遍历

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

思路：

利用队列实现层序遍历，并通过size来判断该层是否已经输出完毕，并在输出每一层的某个元素的时候，将该元素的左右孩子压入队列中，直到队列为空，整个循环完毕，层序遍历结束。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) {
        vector<vector<int>> res;
        queue<TreeNode *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            vector<int> vec;
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                vec.push_back(node->val);
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
            res.push_back(vec);
        }
        return res;
    }
};

107. 二叉树的层次遍历II

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-level-order-traversal-ii/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

思路：

按102.二叉树的层序遍历的思路来，只是在最后反转一下结果即可。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<vector<int>> levelOrderBottom(TreeNode* root) {
        vector<vector<int>> res;
        queue<TreeNode *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            vector<int> vec;
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                vec.push_back(node->val);
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
            res.push_back(vec);
        }
        reverse(res.begin(), res.end());
        return res;
    }
};

199. 二叉树的右视图

题目链接：https://leetcode.cn/problems/binary-tree-right-side-view/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

同样使用层序遍历，不同的是在每层遍历的时候，只需要把每层最后一个元素的值压入数组中，最后返回这个数组。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<int> rightSideView(TreeNode* root) {
        queue<TreeNode *> que;
        vector<int> vec;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            for(int i = 0; i < size; ++i) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                if(i == size - 1) vec.push_back(node->val);
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
        }
        return vec;
    }
};

637. 二叉树的层平均值

题目链接：https://leetcode.cn/problems/average-of-levels-in-binary-tree/
题目难度：简单
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

依旧是层序遍历，在遍历每一层时记录该层的个数以及该层的和，最后求得平均数，返回在一个数组中。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<double> averageOfLevels(TreeNode* root) {
        vector<double> res;
        queue<TreeNode *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            int len = size;
            double sum = 0; 
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                sum += node->val;
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
            res.push_back(sum / len);
        }
        return res;
    }
};

429. N 叉树的层序遍历

题目链接：https://leetcode.cn/problems/n-ary-tree-level-order-traversal/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

加个for循环，将元素的所有孩子都加入队列中。

代码实现：

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    vector<Node*> children;

    Node() {}

    Node(int _val) {
        val = _val;
    }

    Node(int _val, vector<Node*> _children) {
        val = _val;
        children = _children;
    }
};
*/

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> levelOrder(Node* root) {
        vector<vector<int>> res;
        queue<Node *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            vector<int> vec;
            while(size--) {
                Node *node = que.front();
                que.pop();
                vec.push_back(node->val);
                for(int i = 0; i < node->children.size(); ++i) {
                    if(node->children[i]) que.push(node->children[i]);
                }
            }
            res.push_back(vec);
        }
        return res;
    }
};

515. 在每个树行中找最大值

题目链接：https://leetcode.cn/problems/find-largest-value-in-each-tree-row/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

加个max，若该层有比max大的元素，该元素的值就是max，最后在数组中存入该层的max即可。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    vector<int> largestValues(TreeNode* root) {
        queue<TreeNode *> que;
        vector<int> res;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            int max = INT_MIN;
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                max = max > node->val ? max : node->val;
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
            res.push_back(max);
        }
        return res;
    }
};

116. 填充每个节点的下一个右侧节点指针

题目链接：https://leetcode.cn/problems/populating-next-right-pointers-in-each-node/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

定义一个leftmost来存储每层最左边的元素，遍历每层元素时，将leftmost的next指向其后面一个元素，并更新leftmost为当前元素，直到该层遍历完。

代码实现：

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* left;
    Node* right;
    Node* next;

    Node() : val(0), left(NULL), right(NULL), next(NULL) {}

    Node(int _val) : val(_val), left(NULL), right(NULL), next(NULL) {}

    Node(int _val, Node* _left, Node* _right, Node* _next)
        : val(_val), left(_left), right(_right), next(_next) {}
};
*/

class Solution {
public:
    Node* connect(Node* root) {
        queue<Node *> que;
        Node *leftmost;
        if(root != nullptr) {
            que.push(root);
            leftmost = root;
        }
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            for(int i = 0; i < size; ++i) {
                Node *node = que.front();
                que.pop();
                if(i > 0) {
                    leftmost->next = node;
                }
                leftmost = node;
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
        }
        return root;
    }
};

117. 填充每个节点的下一个右侧节点指针II

题目链接：https://leetcode.cn/problems/populating-next-right-pointers-in-each-node-ii/
题目难度：中等
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

和上一次思路一样，甚至实现代码都一样。

代码实现：

/*
// Definition for a Node.
class Node {
public:
    int val;
    Node* left;
    Node* right;
    Node* next;

    Node() : val(0), left(NULL), right(NULL), next(NULL) {}

    Node(int _val) : val(_val), left(NULL), right(NULL), next(NULL) {}

    Node(int _val, Node* _left, Node* _right, Node* _next)
        : val(_val), left(_left), right(_right), next(_next) {}
};
*/

class Solution {
public:
    Node* connect(Node* root) {
        queue<Node *> que;
        Node *leftmost;
        if(root != nullptr) {
            que.push(root);
            leftmost = root;
        }
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            for(int i = 0; i < size; ++i) {
                Node *node = que.front();
                que.pop();
                if(i > 0) {
                    leftmost->next = node;
                }
                leftmost = node;
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
        }
        return root;
    }
};

104. 二叉树的最大深度

题目链接：https://leetcode.cn/problems/maximum-depth-of-binary-tree/
题目难度：简单
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

个人思路：

层序遍历，记录有几层，层数就是二叉树的最大深度。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    int maxDepth(TreeNode* root) {
        int high = 0;
        queue<TreeNode *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            high++;
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
            }
        }
        return high;
    }
};

111. 二叉树的最小深度

题目链接：https://leetcode.cn/problems/minimum-depth-of-binary-tree/
题目难度：简单
文章讲解：https://programmercarl.com/0102.二叉树的层序遍历.html
视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1GY4y1u7b2
题目状态：通过

思路：

当一个节点既没有左孩子也没有右孩子时，这个节点就是叶子节点，而根结点到叶子节点中间的节点数就是两者之间的高度。

代码实现：

/**
 * Definition for a binary tree node.
 * struct TreeNode {
 *     int val;
 *     TreeNode *left;
 *     TreeNode *right;
 *     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
 *     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
 * };
 */
class Solution {
public:
    int minDepth(TreeNode* root) {
        int high = 0;
        queue<TreeNode *> que;
        if(root != nullptr) que.push(root);
        while(!que.empty()) {
            int size = que.size();
            high++;
            while(size--) {
                TreeNode *node = que.front();
                que.pop();
                if(node->left) que.push(node->left);
                if(node->right) que.push(node->right);
                if(!node->left && !node->right) return high;
            }
        }
        return high;
    }
};

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