算法导论6.3-3 证明完全二叉树高度为h的结点个数上限「n/2^(h+1)」

这个问题可以使用以下几种方法进行证明: 

(1) 使用结点高度的定义

假设某结点序号为i,则其最长路径为i, i*2, i*2^2,….,i*2^h,而且I*2^(h+1) > n,于是有不等式 i*2^h<=n < i*2^(h+1),设置x=n/2^(h+1),等到不等式 x < i <= 2*x,因此高度为h的结点个数即是i的取值个数,考虑x的取值情况,即可得证。


 而且这个证明方式不仅得到了结点个数的最大值,而且可以精确计算出某高度的结点个数,比如叶子结点个数为[n/2](上取整函数)


(2) 使用数学归纳法

需要关注递推过程,即高度为h的结点个数N(h)满足命题时,高度为h+1的结点个数N(h+1) <= [N(h)/2],需要关注h高度的结点处于两层的情况,如果两层均是奇数的情况下,则其父结点个数有N(h)/2 +2个,但N(h+1)只有N(h)/2 + 1个,这里需要注意!



(3) 使用叶子结点个数进行递推

已经证明叶子结点个数为 [n/2],则去掉这些叶子结点,得到一个 n – [n/2] 个结点的树,其叶子结点就是原树中高度为1的结点,其个数为 [(n – [n/2])/2] <= [n/4],可以一直这样递推下去




这个问题还可以导出一个数学等式
 n = ([n/2] + (n/4 ? 1 : 0))  +  ([n/4] + (n/8 ? 1 : 0)) + …. +  ([n/2^(h+1)] + (n/2^h ? 1 : 0))
发现这个规律也是因为一次无意识的错误,参见代码如下:

int ceil_check(unsigned int i)
{
    int data = i, mask = 0;
    int ck_sum = 0, j = 1;
    
    for (j = 1;;j++) {
        mask = (1<<j - 1);
//        mask = (1<<j) - 1;
        data = (i>>j) + ((i & mask) ? 1 : 0);
        ck_sum += data;
        DEBUG("%d ", data);

        if ((i>>j) == 0)
            break;
    }

    DEBUG("\n");
    if (ck_sum != i)
        return -1;
    return 0;
}

检查到所有小于等于100000000 的数字都符合这个规律。

也可以使用数学归纳法进行证明,将n表示成二进制数字,使用2^n的多项式表示,然后再扩展。


    原文作者:wdq347
    原文地址: https://blog.csdn.net/wdq347/article/details/8822741
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