【入门级-数据结构-3、特殊树:完全二叉树的定义与基本性质】

一、完全二叉树的严格定义

完全二叉树(Complete Binary Tree)是二叉树中极具规律性的特殊结构。

完全二叉树需满足两个核心条件:

除最后一层外,每一层的节点数都达到最大值(即第k层有2^(k-1)个节点,k≥1);

最后一层的节点从左到右连续填充,且仅缺少右侧的若干节点(最后一层的节点都靠左排列,无空缺)。

二、完全二叉树的核心性质

以下性质均基于 "节点编号规则":对完全二叉树的节点按层序遍历(从上到下、从左到右) 从1开始编号(也可从 0 开始,需注意公式调整)。

性质 1:节点总数与高度的关系

设完全二叉树的高度为h(根节点为第 1 层,高度≥1),节点总数为n:

高度的下界:h = ⌊log₂n⌋ + 1(⌊x⌋表示向下取整);

例:n=6时,log₂6≈2.58,h=2+1=3;

节点数的范围:2^(h-1) ≤ n ≤ 2^h - 1;

下界:最后一层只有 1 个节点(如h=3时,n≥4);

上界:满二叉树(如h=3时,n≤7)。

性质 2:父节点与子节点的编号关系(核心!)

若节点编号为i(i≥1),则:

左子节点编号:2i(若2 i ≤ n,否则无左子节点);

右子节点编号:2i + 1(若2 i + 1 ≤ n,否则无右子节点);

父节点编号:⌊i/2⌋(i>1;若i=1,为根节点,无父节点)。

性质 3:叶子节点的判定与数量

(1)叶子节点的快速判定

编号为i的节点是叶子节点,当且仅当:i > ⌊n/2⌋(n为总节点数)。例:n=6时,⌊6/2⌋=3,编号4、5、6均为叶子节点(与示例一致)。

(2)叶子节点的数量

设完全二叉树节点总数为n:

若n为偶数:叶子节点数 = n/2;

若n为奇数:叶子节点数 = (n+1)/2;

统一公式:叶子节点数 = ⌈n/2⌉(⌈x⌉表示向上取整)。

例:n=6(偶)→ 3 个叶子;n=7(奇)→ 4 个叶子。

性质 4:度为 1 的节点数量

完全二叉树中,度为 1 的节点(只有一个子节点)数量只能是 0 或 1:

若n为偶数:度为 1 的节点数 = 1(最后一个非叶子节点只有左子节点);

若n为奇数:度为 1 的节点数 = 0(所有非叶子节点都有左右子节点)。

例:n=6(偶)→ 度为 1 的节点是 3(只有左子节点 6);n=7(奇)→ 无度为 1 的节点。

性质 5:节点的深度与高度

深度:根节点深度为 1,节点i的深度 = ⌊log₂i⌋ + 1;

高度:叶子节点高度为 1,完全二叉树的高度 = 根节点的高度 = ⌊log₂n⌋ + 1;

推论:完全二叉树中,深度为k的节点编号范围是2^(k-1) ~ 2^k - 1。

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