二叉树的性质的结点数与高度的计算题

二叉树是一种特殊的树形结构,每个结点最多只有两棵子树,即度最大为2,且二叉树左右子树不能颠倒。

主要常见分类有:

满二叉树:

除了叶子结点外,每个结点的度数都是2,若高度为h,则一定有2^h - 1个结点,树如其名,一定是装得满满的一棵树,同时这个公式也用来判断高度为h的二叉树最多的结点数。

完全二叉树:

它可以不满,但是完全二叉树的结点存放顺序一定要是从左开始依次放,不允许有些结点有右孩子但没有左孩子
叶子结点只有可能出现在最后一层和倒数第二层
若有度为1的结点,有且只能有一个,且该结点只有左孩子没有右孩子
若总结点数n是奇数,则每个分支结点都有左右孩子
若总结点数n是偶数,则最后一个分支结点(编号n/2)只有左孩子没有右孩子
在这里插入图片描述

常用公式:

(1)叶子结点数 = 度为2的结点数 + 1 ; n0 = n2 + 1
(2)二叉树第k层最多有 2^(k-1) 个结点
(3)高度为h的二叉树最多有2^h - 1个结点 (即满二叉树)
(4)有n个结点的完全二叉树的高度:log2(n+1) 向上取整 或者 log2n + 1 向下取整

题目通过是给出结点数求最大高度,最小高度,或者给出高度求最少多少结点,最多有多少结点(要看清楚题目给出的二叉树是普通二叉树,还是满二叉树还是完全二叉树是关键)

(1)假设一棵二叉树结点数为50,则它最小高度是:
注意该题目没说是完全二叉树,也就是说它结点是想怎么放就怎么放的。但是又因为要高度最小,只能按照满二叉树的形式去放才能保证高度最小
那么根据满二叉树的公式:log2(50+1) 向上取整,得到6

(2)一棵具有1025个结点的二叉树的高为:11~1025
注意该题目只是普通二叉树,所以它的高最大可以是1025,最小的话按照满二叉树放,log2(1025+1)向上取整 = 11层

(3)二叉树只有度为0和2的结点,结点总数15,则该二叉树的最大深度是:
注意题目是普通二叉树,规定只有度为0和2,那么就可以是一棵单边树,即只往左或者右延伸
在这里插入图片描述
按照这个规律推,第一行1个,第二行开始,每一层都是2个,那么总结点数就是 : 2*h - 1 = 15
解出 h = 8

(4)高度为h的完全二叉树最少有()个结点
注意是完全二叉树,高度为h,还要求最少的结点数,那么我们可以让h-1层是满的,h层只放一个敷衍了事
那么就是:2 ^(h-1) - 1(第h-1层的个数) + 1(第h层的1个) = 2 ^(h-1) 个

(5)已知一棵完全二叉树第六层有8个叶子结点,则完全二叉树的结点个数最少是:
完全二叉树第六层只有8个,要结点数最少,则前五层是满的:2 ^(5) - 1 = 31
第六层只有8个,则 31 + 8 = 39

(6)若一棵深度为6的完全二叉树的第六层有3个叶子结点,则该二叉树共有 () 个叶子结点
因为完全二叉树只有六层,第六层不满,前五层满,根据公式,第五层有 2^5-1 = 16个结点,又因为第六层有3个叶子,3个叶子结点会占用第五层2个结点,所以第五层的叶子结点数: 16 - 2 = 14
总叶子结点数:14 + 3 = 17

(7)一棵完全二叉树上有1001个结点,其中叶子结点的个数是:
直接求非叶子结点的最大编号是 : 1001/2 向下取整 = 500
叶子结点= 总结点 - 非叶子结点 = 1001 - 500 = 501

(8)若一棵二叉树有126个结点,在第七层至多有(63)个结点
思路一:
要第七层结点最多,则第六层必须满,这样第六层的父辈才能往下生长结点,那么照推第五层也必须满…
若前六层满,则 共有 2^6 - 1 = 63 个
那么剩下给第七层的就只有 : 126 - 63 = 63

思路二:
若是满七层,共需要:2^7 - 1 = 127个结点
可是题目说只有126个,那么少的那一个只可能少在第七层
第七层如果是满的话,应该是: 2^h-1 = 64 个
现在少了一个,所以只有:63个

(9)一棵有124个叶子结点的完全二叉树,最多有()个结点
总结点数为 n
则 n = n0 + n1 + n2
又因为公式有 n0 = n2 + 1
n2 = n0 - 1
所以 n = n0 + n1 + n0 -1 = 2n0 - 1 + n1
得到总数n = 2*124 -1 + n1
这个时候,度为1的结点数要么有一个要么0个,因为它是完全二叉树啊!不可能有两个度为1的结点。
那么题目要求结点最多能有多少,那么就是1个度为1
n=248
这道题很巧妙,不管度为1的结点存不存在,都不会影响124个叶子结点这个题目要求,为了结点最多,我们就应该设度为1的有一个

(10)一棵有n个结点的二叉树采用二叉链式存储结点,其中空指针数为:
首先想象二叉树的链式存储,是用双向链表的结构存的,左右孩子各占一个指针域嘛,所以n个结点就会有2n个指针,又因为一条边就代表着一个指针指向下一个元素,也就是指针不为空;但是n个结点的二叉树,边数只有 n - 1条啊(根结点头顶上没有边指向它),所以按照分析,一条边能使一个指针域不空,那么空指针就为: 2n - (n-1) = n + 1

或者更简单画图,画个三个结点的二叉树,就会发现空指针域是4(两个叶子结点的左右孩子指针都是空的),7个结点的二叉树,空指针是8(4个叶子结点的左右孩子指针都空)…

(11)【2009】已知一棵完全二叉树的第六层有8个叶子结点,则该完全二叉树的结点个数最多是:
为了结点数最多,我们可以假设有七层,第七层不满,这样第六层就会产生叶子结点
若有第七层,则第七层最多有:2^7-1 = 64 个结点,且第七层的全部是叶子结点,但是第六层要有8个叶子,也就是可以想象成第六层有8个结点没有生育能力,无法生孩子,那么第七层就会少 2*8 = 16个结点
所以第七层只有64 - 16 = 48 个叶子

那么总的结点个数就是前满六层 + 第七层的48 = 2^6 - 1 + 48 =111个

(12)【2011】若一棵完全二叉树有768个结点,则该二叉树中叶子结点的个数是:
768 / 2 向下取整 = 384 个非叶子
叶子结点=总结点 - 非叶子结点 = 384

(13)【2018】设一棵非空完全二叉树T的所有叶子结点均位于同一层,且每个非叶子结点都有2个子结点。若T有K个叶子结点,则T的结点总数是:
题目意思就是,凡是能生孩子的都生了两个,而且所有孩子都在同一层,整个家族团团圆圆和和美美,这是啥?这不就是满二叉树
K个叶子
度为1的n1没有
公式 : k = n0(叶子) = n2 + 1
即 n2 = k - 1
总结点 n = n2 + n0 = k - 1 + k = 2k -1

(14)【2020】对于任意一棵高度为5且有10个结点的二叉树,若采用顺序存储结构保存,每个结点占用1个存储单元,则存放该二叉树需要的存储单元数量至少是:
首先注意它只是普通二叉树,高度为5,且只有10个结点
其次注意它要求:存储单元数量至少
至少的意思是:我这棵树随便摆的情况下,多少个存储单元能装得下
所以我们应该考虑5层满二叉,其实它不是五层满二叉
但是,顺序存储结构的特点就是:空的结点也会占用一个存储空间,所以当该随便摆的普通二叉树的大量结点堆满了右侧,左侧为空,其实左侧还是会占用存储空间,所以只能按五层满二叉计算
所以得:2^5 - 1 = 31 个存储单元

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