【算法题解】 Day9 二叉搜索树

sidiot

发布于 2023-08-31 13:41:05

1300

发布于 2023-08-31 13:41:05

文章被收录于专栏：技术大杂烩

题目名字

98. 验证二叉搜索树

98. 验证二叉搜索树难度：medium

给你一个二叉树的根节点 root ，判断其是否是一个有效的二叉搜索树。

有效二叉搜索树定义如下：

节点的左子树只包含小于当前节点的数。
节点的右子树只包含大于当前节点的数。
所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。

示例 1：

输入： root = [2,1,3]
输出： true

示例 2：

输入： root = [5,1,4,null,null,3,6]
输出： false
解释： 根节点的值是 5 ，但是右子节点的值是 4 。

提示：

树中节点数目范围在 [1, 10^4] 内
-2^31 <= Node.val <= 2^31 - 1

方法一：递归

思路

我们可以从题目中知道何为有效的二叉搜索树，父节点的值要大于左孩子且小于右孩子，同时所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。

因此，可以设计一个递归函数 helper(root, lower, upper) 来递归判断，函数表示考虑以 root 为根的子树，判断子树中所有节点的值是否都在 (l, r) 的范围内，如果 root 节点的值 val 不在 (l, r) 的范围内说明不满足条件直接返回，否则我们要继续递归调用检查它的左右子树是否满足，如果都满足才说明这是一棵二叉搜索树。

解题

Python：

class Solution:
    def isValidBST(self, root: TreeNode) -> bool:
        def helper(node, lower = float('-inf'), upper = float('inf')) -> bool:
            if not node:
                return True
            
            val = node.val
            if val <= lower or val >= upper:
                return False

            if not helper(node.right, val, upper):
                return False
            if not helper(node.left, lower, val):
                return False
            return True

        return helper(root)

Java：

class Solution {
    public boolean isValidBST(TreeNode root) {
        return isValidBST(root, Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE);
    }

    public boolean isValidBST(TreeNode node, long lower, long upper) {
        if (node == null) {
            return true;
        }
        if (node.val <= lower || node.val >= upper) {
            return false;
        }
        return isValidBST(node.left, lower, node.val) && isValidBST(node.right, node.val, upper);
    }
}

方法二：中序遍历

思路

我们知道中序遍历的顺序是左孩子 -> 根节点 -> 右孩子，符合二叉搜索树的特性，这启示我们在中序遍历的时候实时检查当前节点的值是否大于前一个中序遍历到的节点的值即可。如果均大于说明这个序列是升序的，整棵树是二叉搜索树，否则不是，下面的代码我们使用栈来模拟中序遍历的过程。

stack = []
while ...:
    while root:
        stack.append(root)
        root = root.left
    root = stack.pop()
    print(root.val)
    root = root.right

解题

Python：

class Solution:
    def isValidBST(self, root: TreeNode) -> bool:
        stack, inorder = [], float('-inf')
        
        while stack or root:
            while root:
                stack.append(root)
                root = root.left
            root = stack.pop()
            # 如果中序遍历得到的节点的值小于等于前一个 inorder，说明不是二叉搜索树
            if root.val <= inorder:
                return False
            inorder = root.val
            root = root.right

        return True

Java：

class Solution {
    public boolean isValidBST(TreeNode root) {
        Deque<TreeNode> stack = new LinkedList<TreeNode>();
        double inorder = -Double.MAX_VALUE;

        while (!stack.isEmpty() || root != null) {
            while (root != null) {
                stack.push(root);
                root = root.left;
            }
            root = stack.pop();
              // 如果中序遍历得到的节点的值小于等于前一个 inorder，说明不是二叉搜索树
            if (root.val <= inorder) {
                return false;
            }
            inorder = root.val;
            root = root.right;
        }
        return true;
    }
}

235. 二叉搜索树的最近公共祖先

题目

235. 二叉搜索树的最近公共祖先难度：medium

给定一个二叉搜索树, 找到该树中两个指定节点的最近公共祖先。

百度百科中最近公共祖先的定义为：“对于有根树 T 的两个结点 p、q，最近公共祖先表示为一个结点 x，满足 x 是 p、q 的祖先且 x 的深度尽可能大（一个节点也可以是它自己的祖先）。”

例如，给定如下二叉搜索树: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5]

示例 1:

输入: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5], p = 2, q = 8
输出: 6 
解释: 节点 2 和节点 8 的最近公共祖先是 6。

示例 2:

输入: root = [6,2,8,0,4,7,9,null,null,3,5], p = 2, q = 4
输出: 2
解释: 节点 2 和节点 4 的最近公共祖先是 2, 因为根据定义最近公共祖先节点可以为节点本身。

说明:

所有节点的值都是唯一的。
p、q 为不同节点且均存在于给定的二叉搜索树中。

方法一：二次遍历

思路

注意到题目中给出的是一棵「二叉搜索树」，因此我们可以快速地找出树中的某个节点以及从根节点到该节点的路径，例如我们需要找到节点 p：

我们从根节点开始遍历；
如果当前节点就是 p，那么成功地找到了节点；
如果当前节点的值大于 p 的值，说明 p 应该在当前节点的左子树，因此将当前节点移动到它的左子节点；
如果当前节点的值小于 p 的值，说明 p 应该在当前节点的右子树，因此将当前节点移动到它的右子节点。

对于节点 q 同理。在寻找节点的过程中，我们可以顺便记录经过的节点，这样就得到了从根节点到被寻找节点的路径。

当我们分别得到了从根节点到 p 和 q 的路径之后，我们就可以很方便地找到它们的最近公共祖先了。显然，p 和 q 的最近公共祖先就是从根节点到它们路径上的「分岔点」，也就是最后一个相同的节点。

解题

Python：

class Solution:
    def lowestCommonAncestor(self, root: TreeNode, p: TreeNode, q: TreeNode) -> TreeNode:
        def getPath(root: TreeNode, target: TreeNode) -> List[TreeNode]:
            path = list()
            node = root
            while node != target:
                path.append(node)
                if target.val < node.val:
                    node = node.left
                else:
                    node = node.right
            path.append(node)
            return path
        
        path_p = getPath(root, p)
        path_q = getPath(root, q)
        ancestor = None
        for u, v in zip(path_p, path_q):
            if u == v:
                ancestor = u
            else:
                break
        
        return ancestor

Java：

class Solution {
    public TreeNode lowestCommonAncestor(TreeNode root, TreeNode p, TreeNode q) {
        List<TreeNode> path_p = getPath(root, p);
        List<TreeNode> path_q = getPath(root, q);
        TreeNode ancestor = null;
        for (int i = 0; i < path_p.size() && i < path_q.size(); ++i) {
            if (path_p.get(i) == path_q.get(i)) {
                ancestor = path_p.get(i);
            } else {
                break;
            }
        }
        return ancestor;
    }

    public List<TreeNode> getPath(TreeNode root, TreeNode target) {
        List<TreeNode> path = new ArrayList<TreeNode>();
        TreeNode node = root;
        while (node != target) {
            path.add(node);
            if (target.val < node.val) {
                node = node.left;
            } else {
                node = node.right;
            }
        }
        path.add(node);
        return path;
    }
}

方法二：一次遍历

思路

在方法一中，我们对从根节点开始，通过遍历找出到达节点 p 和 q 的路径，一共需要两次遍历。我们也可以考虑将这两个节点放在一起遍历。

整体的遍历过程与方法一中的类似：

我们从根节点开始遍历；
如果当前节点的值大于 p 和 q 的值，说明 p 和 q 应该在当前节点的左子树，因此将当前节点移动到它的左子节点；
如果当前节点的值小于 p 和 q 的值，说明 p 和 q 应该在当前节点的右子树，因此将当前节点移动到它的右子节点；
如果当前节点的值不满足上述两条要求，那么说明当前节点就是「分岔点」。此时，p 和 q 要么在当前节点的不同的子树中，要么其中一个就是当前节点。

可以发现，如果我们将这两个节点放在一起遍历，我们就省去了存储路径需要的空间。

解题

Python：

class Solution:
    def lowestCommonAncestor(self, root: TreeNode, p: TreeNode, q: TreeNode) -> TreeNode:
        ancestor = root
        while True:
            if p.val < ancestor.val and q.val < ancestor.val:
                ancestor = ancestor.left
            elif p.val > ancestor.val and q.val > ancestor.val:
                ancestor = ancestor.right
            else:
                break
        return ancestor

Java：

class Solution {
    public TreeNode lowestCommonAncestor(TreeNode root, TreeNode p, TreeNode q) {
        TreeNode ancestor = root;
        while (true) {
            if (p.val < ancestor.val && q.val < ancestor.val) {
                ancestor = ancestor.left;
            } else if (p.val > ancestor.val && q.val > ancestor.val) {
                ancestor = ancestor.right;
            } else {
                break;
            }
        }
        return ancestor;
    }
}

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原始发表：2022-10-07，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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