数据结构--哈夫曼编码

  1. 基本概念

• 路径长度:从树中一个结点到另一个结点的分支数目。

• 树的路径长度:从根结点到树中所有叶结点的路径长度之和。

• 带权路径长度(WPL):设树有 n 个叶结点,每个叶结点带权值 w_i,从根到该叶结点的路径长度为 l_i,则 WPL=\sum_{i=1}^n w_i\times l_i。

• 哈夫曼树(最优二叉树):带权路径长度 最小 的二叉树,叶结点权值越大,离根结点越近。

  1. 哈夫曼树构造算法

  2. 初始化:将 n 个权值对应的结点,各自作为一棵仅含单个结点的二叉树,构成森林 F。

  3. 选择与合并:在 F 中选取 根结点权值最小的两棵二叉树,作为左右子树构造一棵新二叉树,新根结点权值为两棵子树根权值之和。

  4. 更新森林:从 F 中删除选中的两棵树,将新树加入 F。

  5. 重复步骤 2、3:直到 F 中仅含一棵二叉树,该树即为哈夫曼树。

关键特性:

• 初始 n 个叶结点,最终哈夫曼树的结点总数为 2n-1。

• 哈夫曼树中 没有度为 1 的结点。

  1. 哈夫曼编码

• 前缀编码:任意一个编码都不是另一个编码的前缀,保证解码无歧义。

• 哈夫曼编码构造:以字符出现频率为权值构建哈夫曼树,左分支标记 0,右分支标记 1,从根到叶结点的路径上的 0/1 序列,即为该叶结点对应字符的编码。

• 优势:频率高的字符编码短,频率低的字符编码长,实现数据压缩。

  1. 应用场景

• 数据压缩(如 Huffman 压缩算法)

• 通信编码优化

• 决策树模型构建

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