二叉树简述+考试要点(Python)

二叉树基本概念

二叉树是一种树形数据结构,每个节点最多有两个子节点(左子节点和右子节点)。常见类型包括:

  • 满二叉树:所有非叶子节点都有两个子节点,且所有叶子节点在同一层。
  • 完全二叉树:除最后一层外,其他层节点数达到最大,最后一层节点从左向右填充。
  • 二叉搜索树(BST):左子树所有节点值小于根节点,右子树所有节点值大于根节点。

Python实现二叉树节点

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class TreeNode:
    def __init__(self, val=0, left=None, right=None):
        self.val = val
        self.left = left
        self.right = right

常见考试要点

二叉树的遍历(递归与非递归)
  • 前序遍历 :根→左→右

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    def preorder(root):
        if not root:
            return []
        return [root.val] + preorder(root.left) + preorder(root.right)
  • 中序遍历 :左→根→右(BST中结果为有序序列)

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    def inorder(root):
        if not root:
            return []
        return inorder(root.left) + [root.val] + inorder(root.right)
  • 后序遍历 :左→右→根

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    def postorder(root):
        if not root:
            return []
        return postorder(root.left) + postorder(root.right) + [root.val]
二叉树的高度与深度
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def max_depth(root):
    if not root:
        return 0
    return 1 + max(max_depth(root.left), max_depth(root.right))
判断平衡二叉树

平衡二叉树定义为左右子树高度差不超过1。

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def is_balanced(root):
    def check(node):
        if not node:
            return 0
        left = check(node.left)
        right = check(node.right)
        if left == -1 or right == -1 or abs(left - right) > 1:
            return -1
        return 1 + max(left, right)
    return check(root) != -1
二叉搜索树操作
  • 验证BST :利用中序遍历是否有序。

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    def is_valid_bst(root, min_val=float('-inf'), max_val=float('inf')):
        if not root:
            return True
        if root.val <= min_val or root.val >= max_val:
            return False
        return (is_valid_bst(root.left, min_val, root.val) and 
                is_valid_bst(root.right, root.val, max_val))
  • 插入节点 :递归或迭代实现。

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    def insert_into_bst(root, val):
        if not root:
            return TreeNode(val)
        if val < root.val:
            root.left = insert_into_bst(root.left, val)
        else:
            root.right = insert_into_bst(root.right, val)
        return root
二叉树序列化与反序列化
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def serialize(root):
    if not root:
        return "None"
    return f"{root.val},{serialize(root.left)},{serialize(root.right)}"

def deserialize(data):
    def helper(nodes):
        val = next(nodes)
        if val == "None":
            return None
        node = TreeNode(int(val))
        node.left = helper(nodes)
        node.right = helper(nodes)
        return node
    nodes = iter(data.split(','))
    return helper(nodes)

高频考题示例

  1. 求二叉树的最大路径和(LeetCode 124)。
  2. 最近公共祖先(LCA)问题(LeetCode 236)。
  3. 层序遍历(BFS)及其变种(如锯齿形遍历)。
  4. 根据前序和中序遍历序列重建二叉树(LeetCode 105)。

掌握以上内容可覆盖多数二叉树相关考试题目,建议结合递归和迭代两种方法练习。

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