目录
题目链接:98. 验证二叉搜索树 - 力扣(LeetCode)
题目描述
示例
提示:
二叉搜索树的要求
解法一:采用中序遍历
中序遍历的定义
为什么二叉搜索树的中序遍历是严格递增的
二叉搜索树(BST)的性质:
中序遍历的结果:
举例:
思路解析
Java写法:
C++写法:
运行时间
时间复杂度和空间复杂度
时间复杂度:
空间复杂度:
解法二:递归遍历
Java写法:
所以正确的Java写法如下
C++写法:
运行时间
时间复杂度和空间复杂度
1. 时间复杂度(Time Complexity)
2. 空间复杂度分析(Space Complexity)
1. 递归栈空间:
2. 二叉树的高度:
3. 所以:
总结
解决方案:
关键点:
题目链接:98. 验证二叉搜索树 - 力扣(LeetCode)
注:下述题目描述和示例均来自力扣
题目描述
给你一个二叉树的根节点 root
,判断其是否是一个有效的二叉搜索树。
有效 二叉搜索树定义如下:
- 节点的左
子树
只包含 小于 当前节点的数。 - 节点的右子树只包含 大于 当前节点的数。
- 所有左子树和右子树自身必须也是二叉搜索树。
示例
示例 1:
输入:root = [2,1,3] 输出:true
示例 2:
输入:root = [5,1,4,null,null,3,6] 输出:false 解释:根节点的值是 5 ,但是右子节点的值是 4 。
提示:
- 树中节点数目范围在
[1, 104]
内 <= Node.val <= - 1
二叉搜索树的要求
在二叉搜索树中,任意节点的值都必须满足以下条件:
- 左子树的所有节点值都小于当前节点的值。
- 右子树的所有节点值都大于当前节点的值。
- 左右子树也必须分别满足相同的条件。
解法一:采用中序遍历
中序遍历的定义
中序遍历(Inorder Traversal) 是指按照以下顺序访问二叉树的每个节点:
- 左子树(递归)
- 根节点
- 右子树(递归)
也就是,对于树的每个节点,首先访问其左子树,然后再访问根节点,然后再访问其右子树。
为什么二叉搜索树的中序遍历是严格递增的
二叉搜索树(BST)的性质:
- 左子树的所有节点值都小于根节点的值。
- 右子树的所有节点值都大于根节点的值。
- 对于每个节点,其左子树的所有节点值都比该节点小,其右子树的所有节点值都比该节点大。
这意味着:
- 如果你从根节点出发,中序遍历时,会先遍历左子树,再访问当前节点,最后访问右子树。
- 在访问当前节点时,它的值必须大于其左子树的最大值(因为左子树的节点值都小于当前节点),并且它的值必须小于其右子树的最小值(因为右子树的节点值都大于当前节点)。
中序遍历的结果:
- 如果我们对一棵二叉搜索树进行中序遍历,遍历顺序是 左子树 -> 根节点 -> 右子树,这会确保遍历的顺序是递增的。
- 具体来说:
- 左子树的节点值小于当前节点的值。
- 当前节点的值 小于右子树的节点值。
举例:
假设有一棵简单的二叉搜索树,如下所示:
4 / \ 2 6 / \ / \ 1 3 5 7
这棵树的中序遍历顺序如下:
- 先遍历左子树
(1, 2, 3)
:- 访问节点
1
-> 访问节点2
-> 访问节点3
- 访问节点
- 访问根节点
4
- 然后遍历右子树
(5, 6, 7)
:- 访问节点
5
-> 访问节点6
-> 访问节点7
- 访问节点
所以中序遍历得到的节点值是 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
,这些值是 严格递增 的。
思路解析
-
二叉搜索树(BST)的性质:
- 对于一个二叉搜索树,中序遍历 得到的节点值应该是 严格递增 的。
- 也就是说,若中序遍历得到的节点值
v1, v2, v3, ..., vn
满足v1 < v2 < v3 < ... < vn
,那么该树是一个有效的二叉搜索树。
-
中序遍历的迭代实现:
- 使用一个栈来模拟中序遍历的过程。
- 栈用于保存当前节点的左子树路径,直到节点的左子树为空时,才会处理当前节点并遍历右子树。
-
检查 BST 的有效性:
- 通过一个变量
inorder
来记录上一个访问的节点值(也就是上一个中序遍历的值)。 - 如果当前节点的值小于或等于
inorder
,则说明树不是一个有效的二叉搜索树,因为 BST 中序遍历的值必须是严格递增的。 - 如果当前节点值大于
inorder
,则更新inorder
为当前节点的值,并继续遍历右子树。
- 通过一个变量
long inorder = -Long.MAX_VALUE;
:用 inorder
变量来记录上一个节点的值,初始化为一个极小值。其实这第一种解法是我重新写的,因为每次的二叉树我都是先递归研究的所以,这里相同的问题我就不再赘述了,可以看下面解法二中的问题解决所提到的方法,为什么使用long。
Java写法:
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public boolean isValidBST(TreeNode root) {
// 使用栈来模拟中序遍历
Deque<TreeNode> stack = new LinkedList<TreeNode>();
// 用来记录上一个访问的节点的值,初始化为负无穷
long checkValue = -Long.MAX_VALUE;
// 遍历树,栈不为空或者当前节点不为null时继续处理
while (!stack.isEmpty() || root != null) {
// 先遍历左子树,压入栈中
while (root != null) {
stack.push(root);
root = root.left;
}
// 弹出栈顶节点
root = stack.pop();
// 如果当前节点值小于等于上一个节点的值,说明不是二叉搜索树
if (root.val <= checkValue) {
return false;
}
// 更新当前节点的值
checkValue = root.val;
// 处理右子树
root = root.right;
}
// 如果遍历完树没有发现问题,说明是有效的二叉搜索树
return true;
}
}
C++写法:
#include <stack>
#include <climits> // 用于INT_MIN和INT_MAX
using namespace std;
struct TreeNode {
int val;
TreeNode *left;
TreeNode *right;
TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}
};
class Solution {
public:
bool isValidBST(TreeNode* root) {
// 用栈模拟中序遍历
stack<TreeNode*> stack;
// 用一个变量记录上一个节点的值,初始化为负无穷
long inorder = LONG_MIN;
// 遍历树,栈不为空或者当前节点不为null时继续
while (!stack.empty() || root != nullptr) {
// 先遍历左子树,压入栈
while (root != nullptr) {
stack.push(root);
root = root->left;
}
// 弹出栈顶节点
root = stack.top();
stack.pop();
// 如果当前节点的值小于等于前一个节点的值,则不是二叉搜索树
if (root->val <= inorder) {
return false;
}
// 更新前一个节点的值
inorder = root->val;
// 处理右子树
root = root->right;
}
// 如果整个遍历过程中没有发现问题,返回 true
return true;
}
};
运行时间
时间复杂度和空间复杂度
时间复杂度:
- 时间复杂度:O(N),其中 N 是树中的节点数。
- 每个节点会被访问一次,栈的操作(压入和弹出)是常数时间 O(1)。
- 所以整体的时间复杂度是树的节点数 N。
空间复杂度:
- 空间复杂度:O(H),其中 H 是树的高度。
- 在最坏的情况下(例如树是链式结构),栈会存储所有的节点,栈的大小为 O(N)。
- 在最好的情况下(树是平衡的),栈的最大大小为树的高度 O(log N)。
- 因此,空间复杂度是 O(H),其中 H 是树的高度。
解法二:递归遍历
-
递归遍历: 通过递归的方式遍历二叉树的每一个节点,判断它是否符合二叉搜索树的要求。每个节点需要检查是否符合范围条件,这个范围是通过父节点传递下来的。
-
递归函数
checkIsBSTree
:- 输入参数: 每次递归调用时,
node
表示当前节点,smallValue
表示当前节点值的下限,largeValue
表示当前节点值的上限。对于每个节点,我们都需要检查它的值是否在smallValue
和largeValue
之间。 - 返回值: 如果当前节点的值满足条件,并且它的左子树和右子树也满足条件,返回
true
;否则返回false
。
- 输入参数: 每次递归调用时,
-
判断条件:
- 空节点: 如果当前节点为空(即叶子节点的子节点),直接返回
true
,表示空节点符合任何二叉搜索树的要求。 - 值的有效性: 如果当前节点的值不在
smallValue
和largeValue
之间,则返回false
,说明当前节点不符合BST的要求。
- 空节点: 如果当前节点为空(即叶子节点的子节点),直接返回
-
递归左右子树:
- 对于左子树,我们传递更新后的上限
node.val
(即当前节点值)作为右边界,因为左子树的值必须小于当前节点的值。 - 对于右子树,我们传递更新后的下限
node.val
作为左边界,因为右子树的值必须大于当前节点的值。
- 对于左子树,我们传递更新后的上限
-
递归的终止条件:
- 当递归到达叶子节点时,返回
true
,表示叶子节点本身符合BST的要求。 - 如果发现某个节点值不在合法范围内,立即返回
false
,停止递归。
- 当递归到达叶子节点时,返回
-
上下界的合理性:
- 由于我们在递归过程中会传递上下限,这样我们就可以确保每个节点都严格遵守其父节点的限制(左子树的节点值小于父节点,右子树的节点值大于父节点)。
- 使用
Long.MIN_VALUE
和Long.MAX_VALUE
作为初始范围,保证可以处理任何int
范围内的数字。
假设我们有一棵二叉树:
5
/ \
1 7
/ \
6 8
- 首先调用
checkIsBSTree(root, Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE)
,即检查根节点5。 - 对于节点5,判断它是否在范围
[Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE]
内,显然是有效的。 - 然后递归检查它的左子树(节点1),
checkIsBSTree(node.left, Long.MIN_VALUE, 5)
,检查1是否在范围[Long.MIN_VALUE, 5]
内,符合条件。 - 再递归检查右子树(节点7),
checkIsBSTree(node.right, 5, Long.MAX_VALUE)
,检查7是否在范围[5, Long.MAX_VALUE]
内,符合条件。 - 继续递归检查节点7的左右子树,分别检查节点6和节点8,最终返回
true
,表示这棵树符合二叉搜索树的规则。
Java写法:
这是我一开始的写法,就会有一个问题。
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public boolean isValidBST(TreeNode root) {
return checkIsBSTree(root, Integer.MIN_VALUE, Integer.MAX_VALUE);
}
/**
用于判断是否在范围内
左子树的值要在(smallValue, node.val)
右子树的值要在(node.val, largeValue)
*/
public boolean checkIsBSTree(TreeNode node, int smallValue, int largeValue){
// 到了叶子节点还没发现不符合要求的则返回true
if(node == null){
return true;
}
// 判断节点值的合理性
if(node.val <= smallValue || node.val >= largeValue){
return false;
}
boolean left = checkIsBSTree(node.left, smallValue, node.val);
boolean right = checkIsBSTree(node.right, node.val, largeValue);
return left && right;
}
}
在执行到如下的示例的时候会毫不吝啬的错了。
然后一开始我没反应过来,就直接做了个单节点判断,防止它继续报错。就在主方法加了如下的代码:
if(root.left == null && root.right == null){
return true;
}
就是校验了一下单节点,好了,刚才的用例就那么完美的过去了,然后我继续运行重新发现还有更加恐怖的事情发生了,这个用例又报错了。
直到现在我才反应过来这个数字,这个数字就是在int类型下的最大的和最小的值,我们可以验证一下。
验证代码
public class test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println( "integer下的最大值" + Integer.MAX_VALUE);
System.out.println( "integer下的最小值" + Integer.MIN_VALUE);
System.out.println( "long下的最大值" + Long.MIN_VALUE);
System.out.println( "long下的最小值" + Long.MIN_VALUE);
}
}
结果
integer下的最大值 2147483647
integer下的最小值 -2147483648
long下的最大值 9223372036854775807
long下的最小值 -9223372036854775808
然后我就水灵灵了重新注意到了题目的取值范围如下。
那么它就刚好可以取到2147483647这个值,而在我的判断false的逻辑中,写的是如下的代码。
// 判断节点值的合理性
if(node.val <= smallValue || node.val >= largeValue){
return false;
}
这里就直接出事了,因为这里的node.val和largeValue是一样的,直接误判了,原因如下。
Java中的Integer.MIN_VALUE
是-2147483648
,Integer.MAX_VALUE
是2147483647
,但是在判断树是否为二叉搜索树(BST)时,算法会将Integer.MAX_VALUE
作为有效的右子树上界。因此,当node.val
的值为2147483647
时,node.val >= Integer.MAX_VALUE
会成立,导致算法错误地认为这是一个无效的节点。
呃这,那就直接采用long吧,其实这是一个好习惯对于算法比赛来说,因为真的很容易忽略这一点,但就是这一点就容易导致问题出现,我们追求的AC题目而不是让我们的代码在最快的执行速度下拥有最小的内存。
所以正确的Java写法如下
/**
* Definition for a binary tree node.
* public class TreeNode {
* int val;
* TreeNode left;
* TreeNode right;
* TreeNode() {}
* TreeNode(int val) { this.val = val; }
* TreeNode(int val, TreeNode left, TreeNode right) {
* this.val = val;
* this.left = left;
* this.right = right;
* }
* }
*/
class Solution {
public boolean isValidBST(TreeNode root) {
return checkIsBSTree(root, Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE);
}
/**
用于判断是否在范围内
左子树的值要在(smallValue, node.val)
右子树的值要在(node.val, largeValue)
*/
public boolean checkIsBSTree(TreeNode node, long smallValue, long largeValue){
// 到了叶子节点还没发现不符合要求的则返回true
if(node == null){
return true;
}
// 判断节点值的合理性
if(node.val <= smallValue || node.val >= largeValue){
return false;
}
boolean left = checkIsBSTree(node.left, smallValue, node.val);
boolean right = checkIsBSTree(node.right, node.val, largeValue);
return left && right;
}
}
C++写法:
#include <climits> // 引入 LONG_MIN 和 LONG_MAX
// 定义二叉树节点结构
class TreeNode {
public:
int val; // 节点值
TreeNode* left; // 左子树
TreeNode* right; // 右子树
// 构造函数
TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int val) : val(val), left(nullptr), right(nullptr) {}
TreeNode(int val, TreeNode* left, TreeNode* right) : val(val), left(left), right(right) {}
};
class Solution {
public:
// 判断是否是有效的二叉搜索树
bool isValidBST(TreeNode* root) {
return checkIsBSTree(root, LONG_MIN, LONG_MAX);
}
private:
// 辅助递归函数,检查子树是否符合二叉搜索树的条件
bool checkIsBSTree(TreeNode* node, long long smallValue, long long largeValue) {
// 如果当前节点为空,返回 true,表示空树是有效的
if (node == nullptr) {
return true;
}
// 判断当前节点的值是否在有效的范围内
if (node->val <= smallValue || node->val >= largeValue) {
return false; // 如果当前节点值不在范围内,返回 false
}
// 递归检查左子树,范围是 (smallValue, node->val)
bool left = checkIsBSTree(node->left, smallValue, node->val);
// 递归检查右子树,范围是 (node->val, largeValue)
bool right = checkIsBSTree(node->right, node->val, largeValue);
// 左右子树都符合条件时,返回 true,否则返回 false
return left && right;
}
};
运行时间
时间复杂度和空间复杂度
1. 时间复杂度(Time Complexity)
时间复杂度取决于二叉树的节点数目和我们访问每个节点的时间。
- 对于每个节点,我们都要进行常数时间的操作:检查节点值是否在合法范围内、递归检查左子树和右子树。
- 由于我们是递归遍历整棵二叉树,且每个节点都只被访问一次,因此时间复杂度为 O(N),其中 N 是二叉树中的节点数目。
2. 空间复杂度分析(Space Complexity)
在递归算法中,空间复杂度的关键因素是 递归栈 的深度,因为每一次递归调用都会将一个栈帧压入栈中。我们需要根据二叉树的结构来评估最大可能的递归栈深度。
1. 递归栈空间:
- 每次递归调用都会为当前节点分配一个栈帧。
- 因此,空间复杂度不仅取决于输入数据,还取决于递归的深度,即二叉树的高度。
2. 二叉树的高度:
- 最坏情况下,二叉树呈现 链状结构,即每个节点只有一个子节点(左或右),树的高度为 n(树的节点数)。这种情况下,递归栈深度也为 n,所以空间复杂度为 O(n)。
- 最好情况下,二叉树是 完全平衡 的,树的高度为 log(n),这时递归栈深度为 log(n),空间复杂度为 O(log n)。
3. 所以:
- 在递归过程中,由于每一层的递归调用会占用栈空间,空间复杂度取决于递归的深度。
- 最坏情况下:当二叉树呈链状时,递归的深度为 n,因此空间复杂度为 O(n)。
- 最好情况下:当二叉树是完全平衡的时,递归的深度为 log n,因此空间复杂度为 O(log n)。
总结
二叉搜索树的特点是:
- 对于每个节点,左子树的所有节点值小于该节点,右子树的所有节点值大于该节点。
- 中序遍历结果应该是严格递增的。
解决方案:
-
递归方式:通过递归地检查每个节点是否满足左子树小于该节点,右子树大于该节点,利用递归函数传递上下界来判断。
- 时间复杂度:O(N),遍历每个节点一次。
- 空间复杂度:O(H),H 是树的高度,最坏情况下递归栈的深度为树的高度。
-
迭代方式:使用栈模拟中序遍历,同时检查每次访问的节点值是否符合严格递增的要求。
- 时间复杂度:O(N),每个节点访问一次。
- 空间复杂度:O(H),栈的最大深度为树的高度,最坏情况下为 O(N)。
关键点:
- 通过中序遍历检查树的节点是否严格递增。
- 迭代方式通过显式栈模拟递归,避免了递归栈溢出的风险,但在极端不平衡树上可能需要更多空间。