Лабы для негра / 3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Вычислительной техники

отчет

По лаборатоной работе №3

по дисциплине «АЛГОРИТМЫ И СТРУКТУРЫ ДАННЫХ»

Тема: ДЕРЕВЬЯ

Студент гр. 6891		Хомич В.Д.
Преподаватель		Манирагена В.

Санкт-Петербург

2020

Задание

1. Написать и отладить программу для работы с деревьями по предложенному преподавателем варианту индивидуального задания (табл. П.2.2). Программа должна выводить на экран изображение дерева с разметкой его вершин, сделанной заданным способом, а под ним — последовательность меток вершин при обходе дерева и результат вычисления заданного параметра. Можно взять за основу учебный пример.

2. Сделать узел дерева и дерево в целом объектами соответствующих классов, а обходы дерева — функциями-членами этого класса.

3. Объявить в классе «дерево» деструктор и все конструкторы, поддерживаемые по умолчанию. Сделать невозможным использование тех конструкторов, которые на самом деле не нужны. Сделать в тексте программы временные дополнения и убедиться, что это действительно так.

Вид дерева	Разметка	Способ обхода	Что надо вычислить
Бинарное	Симметричная	В глубину	Количество вершин, имеющих не более одного потомка

Дерево в общем случае — это связный граф без циклов, абстрактная структура данных, представляющая собой множество вершин, или узлов, на которых определены попарные связи — рёбра. Будем рассматривать частный случай — корневые упорядоченные деревья. У таких деревьев рёбра становятся ориентированными, поскольку у любой последовательности попарно связанных вершин — пути, включающем корень, появляется направление от корня или к корню. Для некоторого узла v все вершины дерева на пути в корень, находящиеся ближе к корню, называется предками, а дальше от корня — потомками. Из пары узлов, связанных ребром, узел ближе к корню — отец, дальше от корня — сын. У каждого узла может быть несколько сыновей, которые называются братьями, или дочерними узлами, но только один отец. Корень — это единственный в дереве узел, у которого нет отца. Узлы, у которых нет сыновей, называются листьями.

Количество рёбер на пути из корня в узел дерева называется глубиной узла, количество рёбер на самом длинном пути в лист — высотой. Высота дерева — это высота его корня. Разность между высотой дерева и глубиной узла — это уровень узла.

Дерево упорядочено, если упорядочены сыновья любого его узла. Из корневых упорядоченных деревьев наиболее часто используются двоичные, или бинарные. Каждый узел двоичного дерева может иметь не более двух сыновей — левого и правого, причём единственный сын узла — обязательно левый или правый. Более сложный вариант — троичное дерево, где у каждого узла — не более трёх сыновей: левый, средний, правый — в любой комбинации. Каждый из сыновей может рассматриваться как корень соответствующего поддерева, возможно, пустого.

Для представления дерева в памяти можно предложить естественный способ — разветвляющийся список. Узлы дерева — объекты, связи между которыми осуществляются через указатели. Для создания дерева достаточно объявить класс «узел дерева», членами которого должны быть указатели на узлы того же типа: «левый» и «правый» (у троичного дерева — «левый», «средний» и «правый»). В узле могут быть и другие данные-члены. Минимально необходимым является тег — метка или номер узла, с помощью которого можно различать узлы в процессе их обработки. Однако для работы с деревом в целом удобнее иметь особый класс «дерево», в котором собираются данные, относящиеся к дереву в целом, и функции-члены для работы с деревом. Чтобы эти функции имели доступ к данным узла, достаточно объявить класс «дерево» дружественным для класса «узел».

Кроме данных, в классе Tree объявлены скрытые функции-члены: вспомогательные функции, которые не входят в интерфейс и предназначены только для вызова из других функций-членов. Конструкторы копирования и перегрузки присваивания сделаны скрытыми умышленно: попытка создать в программе ситуацию, в которой эти функции могут быть вызваны, приведёт к ошибке на этапе компиляции «нарушение защиты».

Конструктор дерева инициализирует параметры разметки и создаёт рабочую память — матрицу символов, необходимую для выдачи изображения дерева на экран.

Чтобы обработать каким-либо образом множество узлов дерева, его нужно обойти. Каждый узел дерева является корнем поддерева, а его сыновья — тоже корнями поддеревьев. Поэтому алгоритм обхода, запускаясь для узла, должен обработать информацию в узле и запустить такой же алгоритм для каждого из непустых поддеревьев. Существует три способа сделать это, отличающиеся лишь порядком шагов:

1. Прямой обход:

— обработать узел;

— посетить в прямом порядке каждого сына.

2. Обратный обход:

— посетить в обратном порядке каждого сына;

— обработать узел.

3. Внутренний, или симметричный обход:

— посетить во внутреннем порядке левого сына;

— обработать узел;

— посетить во внутреннем порядке правого сына (остальных сыновей).

Минимальная обработка узла может состоять в присвоении соответствующему в нём полю номера в порядке посещения (разметка) или в выдаче номеров на экран, если они уже имеются, или в формировании последовательности из номеров посещённых узлов. Очевидно, что не существует иных способов отличить один порядок обхода узлов от другого.

При разметке дерева в прямом порядке номер любого узла — наименьший, а при обратном — наибольший в соответствующем поддереве, а диапазон использованных номеров равен мощности поддерева. При разметке внутренним способом номер узла больше любого номера в левом поддереве и меньше любого номера в правом.

Для создания дерева в памяти тоже применяется алгоритм обхода. Первым шагом этого алгоритма является проверка необходимости создания узла.

Если ответ положительный, узел создаётся и в нём заполняются информационные поля. В частности, может быть выполнен шаг разметки. Далее заполняются поля указателей на каждого сына: для получения значения указателя алгоритм запускается рекурсивно. Результат — указатель на вновь созданный узел или нуль, если узел не создан.

Код программы

#include <iostream>

#include <conio.h>

#include <string>

#include <time.h>

using namespace std;

struct BinaryTree {

int Data; //поле данных

BinaryTree* Left; //указатель на левый потомок

BinaryTree* Right; // указатель на правый потомок

};

BinaryTree* BTree = NULL;

//создание бинарного дерева

void Make_Binary_Tree(BinaryTree** Node, int n) {

BinaryTree** ptr;//вспомогательный указатель

srand(time(NULL) * 1000);

while (n > 0) {

ptr = Node;

while (*ptr != NULL) {

if ((double)rand() / RAND_MAX < 0.5)

ptr = &((*ptr)->Left);

else ptr = &((*ptr)->Right);

}

(*ptr) = new BinaryTree();

cout << "Введите значение ";

cin >> (*ptr)->Data;

n--;

}

}

//печать бинарного дерева

void Print_BinaryTree(BinaryTree* Node, int l) {

int i;

if (Node != NULL) {

Print_BinaryTree(Node->Right, l + 1);

for (i = 0; i < l; i++) cout << " ";

printf("%4ld", Node->Data);

Print_BinaryTree(Node->Left, l + 1);

}

else cout << endl;

}

//прямой обход бинарного дерева

void PreOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node) {

if (Node != NULL) {

printf("%3ld", Node->Data);

PreOrder_BinaryTree(Node->Left);

PreOrder_BinaryTree(Node->Right);

}

}

//обратный обход бинарного дерева

void PostOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node) {

if (Node != NULL) {

PostOrder_BinaryTree(Node->Left);

PostOrder_BinaryTree(Node->Right);

printf("%3ld", Node->Data);

}

}

//симметричный обход бинарного дерева

void SymmetricOrder_BinaryTree(BinaryTree* Node) {

if (Node != NULL) {

PostOrder_BinaryTree(Node->Left);

printf("%3ld", Node->Data);

PostOrder_BinaryTree(Node->Right);

}

}

//проверка пустоты бинарного дерева

bool Empty_BinaryTree(BinaryTree* Node) {

return (Node == NULL ? true : false);

}

//Количество вершин, имеющих не более одного потомка

int num(BinaryTree* Node)

{

if (Node != NULL)

{

int c = 0;

if (Node->Left != NULL) c++;

if (Node->Right != NULL) c++;

if (c == 2)

return num(Node->Left) + num(Node->Right);

else

return num(Node->Left) + num(Node->Right) + 1;

}

else

return 0;

}

//освобождение памяти, выделенной под бинарное дерево

void Delete_BinaryTree(BinaryTree* Node) {

if (Node != NULL) {

Delete_BinaryTree(Node->Left);

Delete_BinaryTree(Node->Right);

delete(Node);

}

}

void main()

{

setlocale(LC_ALL, "Russian");

int n; //Количество элементов

cout << "введите количество элементов ";

cin >> n; //Вводим количество элементов

Make_Binary_Tree(&BTree, n);

cout << "ваше дерево\n";

Print_BinaryTree(BTree, 0);

cout << "Симметричный обход" << endl;

SymmetricOrder_BinaryTree(BTree);

cout << endl;

cout << "Количество вершин, имеющих не более одного потомка" << endl;

cout << num(BTree);

cout << endl;

Delete_BinaryTree(BTree);

system("pause");

}

Результаты работы программы

Вывод

При выполнении лабораторной работы были получены теоритические знания о работе со структурой данных «дерево», а также получены практические навыки создания и обхода деревьев при помощи языка С++.

Список используемых источников

• Алгоритмы и структуры данных: методические указания к самостоятельной работе на ПЭВМ и курсовому проектированию. Выпуск 1909. Федеральный образовательный стандарт / сост.: П.Г. Колинько. - СПб.: Изд-во СПБГЭТУ "ЛЭТИ", 2019. - 69 с.

• https://en.cppreference.com/ – Документация языка C++.