news 2026/2/4 18:09:00

利用分治思想构建二叉树

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张小明

前端开发工程师

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利用分治思想构建二叉树

给定一棵二叉树的前序遍历 preorder 和中序遍历 inorder ,请从中构建二叉树,返回二叉树的根节点。假设二叉树中没有值重复的节点。

原问题定义为从 preorder 和 inorder 构建二叉树,是一个典型的分治问题。
1,问题可以分解:从分治的角度切入,我们可以将原问题划分为两个子问题:构建左子树、构建右子树,加上一步操作:初始化根节点。而对于每棵子树(子问题),我们仍然可以复用以上划分方法,将其划分为更小的子树(子问题),直至达到最小子问题(空子树)时终止。,
2,子问题是独立的:左子树和右子树是相互独立的,它们之间没有交集。在构建左子树时,我们只需关注中序遍历和前序遍历中与左子树对应的部分。右子树同理。
3,子问题的解可以合并:一旦得到了左子树和右子树(子问题的解),我们就可以将它们链接到根节点上,得到原问题的解。
根据以上分析,这道题可以使用分治来求解,但如何通过前序遍历 preorder 和中序遍历 inorder 来划分左子树和右子树呢?
根据定义,preorder 和 inorder 都可以划分为三个部分。
1,前序遍历:[ 根节点 | 左子树 | 右子树 ] ,树对应 [ 3 | 9 | 2 1 7 ] 。
2,中序遍历:[ 左子树 | 根节点 | 右子树 ] ,树对应 [ 9 | 3 | 1 2 7 ] 。
我们可以得到划分结果。前序遍历的首元素 3 是根节点的值。查找根节点 3 在 inorder 中的索引,利用该索引可将 inorder 划分为 [ 9 | 3 | 1 2 7 ] 。
根据 inorder 的划分结果,易得左子树和右子树的节点数量分别为 1 和 3 ,从而可将 preorder 划分为 [ 3 | 9 | 2 1 7 ] 。
根据以上划分方法,我们已经得到根节点、左子树、右子树在 preorder 和 inorder 中的索引区间。而为了描述这些索引区间,我们需要借助几个指针变量。将当前树的根节点在 preorder 中的索引记为 i 。将当前树的根节点在 inorder 中的索引记为 m。将当前树在 inorder 中的索引区间记为 [l,r] 。右子树根节点索引中的 m-l的含义是“左子树的节点数量”

/* 构建二叉树:分治 */TreeNodedfs(int[]preorder,Map<Integer,Integer>inorderMap,inti,intl,intr){// 子树区间为空时终止if(r-l<0)returnnull;// 初始化根节点TreeNoderoot=newTreeNode(preorder[i]);// 查询 m ,从而划分左右子树intm=inorderMap.get(preorder[i]);// 子问题:构建左子树root.left=dfs(preorder,inorderMap,i+1,l,m-1);// 子问题:构建右子树root.right=dfs(preorder,inorderMap,i+1+m-l,m+1,r);// 返回根节点returnroot;}/* 构建二叉树 */TreeNodebuildTree(int[]preorder,int[]inorder){// 初始化哈希表,存储 inorder 元素到索引的映射Map<Integer,Integer>inorderMap=newHashMap<>();for(inti=0;i<inorder.length;i++){inorderMap.put(inorder[i],i);}TreeNoderoot=dfs(preorder,inorderMap,0,0,inorder.length-1);returnroot;}

设树的节点数量为 n,初始化每一个节点(执行一个递归函数 dfs() )使用 O1 时间。因此总体时间复杂度为 On 。哈希表存储 inorder 元素到索引的映射,空间复杂度为 On 。在最差情况下,即二叉树退化为链表时,递归深度达到 On ,使用 On 的栈帧空间。因此总体空间复杂度为 On 。

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