Árvores de Pesquisa (Parte II) Prof. Túlio Toffolo BCC202 – Aula 24 Algoritmos e Estruturas de...
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Árvores de Pesquisa (Parte II)
Prof. Túlio Toffolohttp://www.toffolo.com.br
BCC202 – Aula 24
Algoritmos e Estruturas de Dados I
2014-01 – Aula 20Adaptado por Reinaldo Fortes para o curso de 2014-01Arquivo original: 22._arvores_(parte_2)
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Pesquisa em Memória Primária Introdução - Conceitos Básicos Pesquisa Sequencial Pesquisa Binária Árvores de Pesquisa
Árvores Binárias de Pesquisa Árvores AVL
Transformação de Chave (Hashing) Listas Encadeadas Endereçamento Aberto Hashing Perfeito
2
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Inserindo os nós 30, 20, 40, 10, 25, 35 e 50 nesta ordem, teremos:
Árvores Binárias de Pesquisa
30
20
10 25
40
35 50
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Inserindo os nós 10, 20, 30, 40 e 50 nesta ordem, teremos:
Árvores Binárias de Pesquisa
10
20
30
40
50
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• Existem ordens de inserção de nós que conservam o balanceamento de uma árvore binária.
• Na prática é impossível prever essa ordem ou até alterá-la.
Árvores Binárias Balanceadas
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• A vantagem de uma árvore balanceada com relação a uma degenerada está em sua eficiência.
• Por exemplo: numa árvore binária degenerada de 10.000 nós são necessárias, em média, 5.000 comparações (semelhança com arrays ordenados e listas encadeadas).
• Numa árvore balanceada com o mesmo número de nós essa média reduz-se a 14 comparações.
Árvores Binárias Balanceadas
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PROGRAMAÇÃODE TRIPULAÇÕESÁRVORE AVL
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Árvore AVL
Árvore binária de busca tal que, para qualquer nó interno v, a diferença das alturas dos filhos de v é no máximo 1.
Árvores AVL são balanceadas
* Os números próximos aos nós são suas alturas.
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• Algoritmo de balanceamento de árvores binárias.
• A origem da denominação AVL vem dos seus dois criadores: Adel’son-Vel’skii e Landis.
• Ano de divulgação: 1962.
AVL
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TAD-Árvore AVL Estrutura de dados:
typedef long TipoChave; typedef struct { TipoChave Chave; /* outros componentes */} TItem;
typedef struct No { TItem item; struct No *pEsq, *pDir;} TNo;
typedef TNo *TArvoreAVL;
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• Uma árvore binária balanceada é aquela na qual, para cada nó, as alturas de suas sub-árvores esquerda e direita se diferem de, no máximo, 1.
• Fator de balanceamento (FB) de um nó é a diferença entre a altura da sub-árvore esquerda em relação à sub-árvore direita.
FB(p) = altura(sub-árvore esquerda de p) - altura(sub-árvore direita de p)
• Em uma árvore binária balanceada todos os FB de todos os nós estão no intervalo -1 FB 1
Árvores AVL
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FB e Altura
int FB (TNo* pRaiz) { if (pRaiz == NULL) return 0; return Altura(pRaiz->pEsq) - Altura(pRaiz->pDir);}
int Altura(TNo* pRaiz) { int iEsq,iDir;
if (pRaiz == NULL) return 0;
iEsq = Altura(pRaiz->pEsq); iDir = Altura(pRaiz->pDir);
if ( iEsq > iDir ) return iEsq + 1; else return iDir + 1;}
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• Inicialmente inserimos um novo nó na árvore normalmente.
• A inserção deste nó pode degenerar a árvore.• A restauração do balanceamento é feita através
de rotações na árvore no nó “pivô”.• Nó “pivô” é aquele que, após a inserção, possui
Fator de Balanceamento fora do intervalo.
AVL
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• Primeiro caso: (rotação simples para a direita):
• FB > 1 (subárvore esquerda maior que subárvore direita).• E a subárvore esquerda desta subárvore esquerda é maior
que a subárvore direita dela.• Então: realizar uma rotação simples para a direita.
AVL
3
2
1
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AVL
• Primeiro caso: (rotação simples para a direita)
3
2
1
2
1 3
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• Segundo caso: (rotação simples para a esquerda)
• FB < -1 (subárvore esquerda menor que subárvore direita).• E a subárvore direita desta subárvore direita é maior que a
subárvore esquerda dela.• Então: realizar uma rotação simples para a esquerda.
AVL
1
2
3
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• Segundo caso: (rotação simples para a esquerda)
AVL
1
2
3
2
1 3
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• Terceiro caso: (rotação dupla para a direita)
• FB > 1 (subárvore esquerda maior que subárvore direita)• E a subárvore esquerda desta subárvore esquerda é
menor ou igual que a subárvore direita dela• Então: realizar uma rotação dupla para a direita.
AVL
1
3
2
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• Terceiro caso: (rotação dupla para a direita)
AVL
1
3
2
2
1 3
3
2
1
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• Quarto caso: (rotação dupla para a esquerda)
• FB < -1 (subárvore esquerda menor que subárvore direita)• E a subárvore direita desta subárvore direita é menor que
a subárvore esquerda dela• Então: realizar uma rotação dupla para a esquerda.
AVL
1
3
2
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• Quarto caso: (rotação dupla para a esquerda)
AVL
1
3
2
1
2
3
2
1 3
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Rotações Simples
T0T1
TT3 T0 T1 T2
T3
Rotação Simples(esquerda)
2
T3T2
T1
T0 T3T2T1
T0
Rotação Simples(direita)
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Rotações Simplesvoid RSE(TNo** ppRaiz) { TNo *pAux; pAux = (*ppRaiz)->pDir; (*ppRaiz)->pDir = pAux->pEsq; pAux->pEsq = (*ppRaiz); (*ppRaiz) = pAux;}
void RSD(TNo** ppRaiz) { TNo *pAux; pAux = (*ppRaiz)->pEsq; (*ppRaiz)->pEsq = pAux->pDir; pAux->pDir = (*ppRaiz); (*ppRaiz) = pAux;}
T0 T1 TT3 T0 T1 T2
T3
2
T3T2T1T0 T3T2T1
T0
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Rotações Duplas
Rotação Dupla(direita)
c
ba
T0T2
T1
T3 T0
T2T3 T1
cb
a
T1
Rotação Dupla(esquerda)
a
bc
T0T2 T3 T0
T2T3T1
ab
c
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Rotações Duplasint BalancaEsquerda(TNo** ppRaiz) { int fbe = FB ( (*ppRaiz)->pEsq ); if ( fbe > 0 ) { RSD(ppRaiz); return 1; } else if (fbe < 0 ) { /* Rotação Dupla Direita */ RSE( &((*ppRaiz)->pEsq) ); RSD( ppRaiz ); /* &(*ppRaiz) */ return 1; } return 0;}
int BalancaDireita(TNo** ppRaiz) { int fbd = FB( (*ppRaiz)->pDir); if ( fbd < 0 ) { RSE (ppRaiz); return 1; } else if (fbd > 0 ) { /* Rotação Dupla Esquerda */ RSD( &((*ppRaiz)->pDir) ); RSE( ppRaiz ); /* &(*ppRaiz) */ return 1; } return 0;}
Rotação Dupla(esquerda)
a
bc
T0T2 T3 T0
T2T3T1
ab
c
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Rotações Duplasint BalancaEsquerda(TNo** ppRaiz) { int fbe = FB ( (*ppRaiz)->pEsq ); if ( fbe > 0 ) { RSD(ppRaiz); return 1; } else if (fbe < 0 ) { /* Rotação Dupla Direita */ RSE( &((*ppRaiz)->pEsq) ); RSD( ppRaiz ); /* &(*ppRaiz) */ return 1; } return 0;}
int BalancaDireita(TNo** ppRaiz) { int fbd = FB( (*ppRaiz)->pDir); if ( fbd < 0 ) { RSE (ppRaiz); return 1; } else if (fbd > 0 ) { /* Rotação Dupla Esquerda */ RSD( &((*ppRaiz)->pDir) ); RSE( ppRaiz ); /* &(*ppRaiz) */ return 1; } return 0;}
Rotação Dupla(direita)
c
ba
T0T2
T1
T3 T0
T2T3 T1
cb
a
T1
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Balanceamento
int Balanceamento(TNo** ppRaiz) { int fb = FB(*ppRaiz); if ( fb > 1) return BalancaEsquerda(ppRaiz); else if (fb < -1 ) return BalancaDireita(ppRaiz); else return 0;}
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Inserção em uma Árvore AVL
Inserção como em uma árvore binária de pesquisa Sempre feita expandindo um nó externo. Exemplo: Inserção do 54
44
17 78
32 50 88
48 62
54w
b=x
a=y
c=z
44
17 78
32 50 88
48 62
antes da inserção depois da inserção
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Reestruturação Trinodo
x, y, z (filho, pai e avô) renomeados como a,b,c (percurso interfixado)
rotações levam b para o topo
b=y
a=z
c=x
T0
T1
T2 T3
b=y
a=z c=x
T0 T1 T2 T3
c=y
b=x
a=z
T0
T1 T2
T3b=x
c=ya=z
T0 T1 T2 T3
caso 1: rotação simplesà esquerda (em torno de a)
caso 2: rotação dupla à esquerda (rotação simples à direita seguida de rotação simples à esquerda)
(os outros dois casos são simétricos)
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Exemplo de inserção (cont.)
88
44
17
7832 50
48
622
4
1
1
2 2
3
154
1
T0 T1
T2
T3
x
y z
desbalanceado
balanceado
T1
88
44
17 78
32 50
48 62
2
5
1
1
3
4
2
1
54
1
T0T2
T3
x
y
z
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Inserçãoint Insere(TNo** ppRaiz, Titem * x){ if (*ppRaiz == NULL) { *ppRaiz = (TNo*)malloc(sizeof(TNo)); (*ppRaiz)->item = *x; (*ppRaiz)->pEsq = NULL; (*ppRaiz)->pDir = NULL; return 1; } else if ( (*ppRaiz)->item.chave > x->chave ) { if ( Insere(&(*ppRaiz)->pEsq,x) ) { if (Balanceamento(ppRaiz)) return 0; else return 1; } }
else if ( (*ppRaiz)->item.chave < x->chave ) { if ( Insere(&(*ppRaiz)->pDir,x) ) { if (Balanceamento(ppRaiz)) return 0; else return 1; } else return 0; } else return 0; /* valor jah presente */}
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Remoção em uma árvore AVL
Remoção começa como em uma árvore binária de busca pode causar desbalanceamento
Exemplo: Remoção do 32
44
17
7832 50
8848
62
54
44
17
7850
8848
62
54
Antes da remoção Depois da remoção
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Rebalanceamento após uma remoção
Seja z o primeiro nó desbalanceado encontrado acima de w. Seja y o filho de z com maior altura, e x o filho de y com maior altura.
Executar a função Balanceamento para rebalancear z. Pode ocorrer desbalanceamento de outro nó acima continuar
verificação de balanceamento até à raiz.
44
17
7850
8848
62
54
w
c=x
b=y
a=z
44
17
78
50 88
48
62
54
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Remoçãoint Remove (TNo** ppRaiz, TItem* pX){ if (*ppRaiz == NULL) return 0; else if ( (*ppRaiz)->item.chave == pX->chave) { *pX = (*ppRaiz)->item; Antecessor(ppRaiz, &((*ppRaiz)->pEsq)); /* registro mais à direita na subárvore esquerda */ Balanceamento(ppRaiz); return 1; } else if ( (*ppRaiz)->item.chave > pX->chave ) { if (Remove((*ppRaiz)->pEsq, pX)) { Balanceamento(ppRaiz); return 1; } else return 0; } else { if (Remove((*ppRaiz)->pDir, pX)) { Balanceamento(ppRaiz); return 1; } else return 0; }}
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PROGRAMAÇÃODE TRIPULAÇÕES
ÁRVORE AVL
ANÁLISE
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Complexidade de Tempopara árvores AVL
uma única reestruturação é O(1) usando uma árvore binária implementada
com estrutura ligada pesquisa é O(log n)
altura de árvore é O(log n), não necesita reestruturação inserir é O(log n)
busca inicial é O(log n) reestruturação para manter balanceamento é O(log n)
remove é O(log n) busca inicial é O(log n) reestruturação para manter balanceamento é O(log n)
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Verifica se uma árvore é AVLint EhArvoreArvl(TNo* pRaiz)
{ int fb;
if (pRaiz == NULL) return 1;
if (!EhArvoreArvl(pRaiz->pEsq)) return 0;
if (!EhArvoreArvl(pRaiz->pDir)) return 0;
fb = FB (pRaiz); if ( ( fb > 1 ) || ( fb < -1) ) return 0; else return 1;}
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PROGRAMAÇÃODE TRIPULAÇÕES
ÁRVORE BINÁRIA DE PESQUISA
APLICAÇÕES
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Aplicações Para que servem as Árvores Binárias?
Exemplos de aplicações: Redes de Comunicação de Dados
Envio de pacotes ordenados e/ou redundantes Codificação de Huffman
Compressão e Descompressão de arquivos
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1) Redes de Comunicação A maioria dos protocolos de comunicação
fragmenta as mensagens em pacotes que são numerados e enviados através da rede
Não há garantia da chegada em ordem dos pacotes
Perdas de pacotes geram novos envios e estes podem causar duplicatas dos mesmos
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Reconstrução da Mensagem
Como reconstruir a mensagem corretamente? Descartar os pacotes repetidos Ordenar os pacotes
Como implementar tal algoritmo? Utilizando Árvores Binárias
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Exemplo:
R
R
R
RR
A B
P3
P1
P2
P3
P1
P2
P3
P1P1
Ordem de Chegada:
P3 P1 P2
Confirmação de envio: P1 e P3.
P1 Ok
P2 ?
P3 Ok
Reenvio de P2.
P2 P2
Problemas: ordens e redundância dos pacotes
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Algoritmo
O primeiro pacote é colocado na raiz da árvore. Cada pacote sucessivo é comparado com o da raiz
Se for igual, descarta-se a réplica. Se for menor ou maior, percorre-se os lados esquerdo ou direito da árvore
Sub-árvore vazia implica inserção do novo pacote
Sub-árvore não vazia implica comparação dos pacotes com a mesma
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Problemas resolvidos? Problema da ordenação
A ordenação dos pacotes pode ser feita trivialmente com apenas uma chamada ao método inOrder() da árvore binária
Problema da redundância Solucionado com o algoritmo de inserção na
árvore, visto que o pacote, antes de ser inserido, é comparado com os demais que já se encontram na árvore binária
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2) Codificação de Huffman Algoritmo utilizado para comprimir arquivos Todo o algoritmo é baseado na criação de
uma Árvore Binária Programas como Winzip e WinRAR utilizam
este algoritmo Criado por David Huffman em 1952
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Códigos e Caracteres Caracteres são letras, números e símbolos Códigos são sequências de bits que podem
representar de maneira ÚNICA um caracter b bits para representar c caracteres: Exemplos: c = 2b
ASCII (7 bits) Extended ASCII (8 bits)
2 = 128 caracteres7
2 = 256 caracteres8
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Como comprimir arquivos? No código ASCII, todos os caracteres têm um
número fixo de bits Números variáveis de bits implica menor
capacidade de armazenamento Associações com bits variáveis podem
comprimir consideravelmente o arquivo Como comprimir arquivos desta maneira? Utilizando a Codificação de Huffman!
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Exemplo:
Freqüências: A = 10; B = 8; C = 6; D = 5; E = 2 Construção da Árvore Binária Comparação do número de bits
Tamanho Fixo (8 bits) Total = 248 bits Tamanho Variável Total = 69 bits
AAAAAAAAAABBBBBBBBCCCCCCDDDDDEE
Considere o arquivo com o seguinte texto:
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Compressão
Depois da geração da árvore, o arquivo é percorrido novamente e cada caracter do arquivo é substituído pelo código binário contido na árvore, gerando uma cadeia de bits
Criação da tabela de caracteres e códigos binários
O que é armazenado? Cadeia de bits gerada Tabela de caracteres e códigos
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Descompressão Regeneração da árvore binária através da
tabela de caracteres e códigos A cadeia de bits é percorrida e, à medida que
uma sub-cadeia é encontrada na tabela de caracteres e códigos, a mesma é substituída pelo caracter correspondente
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Conclusões As árvores binárias são uma das estruturas
de dados mais importantes devido a grande aplicabilidade das mesmas.
A maioria dos algoritmos das árvores binárias são de simples entendimento, facilitando sobremaneira o desenvolvimento de sistemas.
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Perguntas?
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Exercício
Mostre (desenhe) uma árvore AVL após a inserção dos seguintes elementos, em ordem:10, 20, 5, 8, 12, 22, 23, 24, 11, 13, 18
Mostre como ficará a árvore acima após a remoção dos seguintes elementos, na ordem abaixo:22, 11, 5, 10