lc096.不同的二叉搜索树

 

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给定一个有序序列1…n,为了构建出一棵二叉搜索树,我们可以遍历每个数字i,将该数字作为树根,将1…(i-1)序列作为左子树,将(i+1)…n序列作为右子树。接着我们可以按照同样的方式递归构建左子树和右子树。在上述构建过程中由于根的值不同,因此我们能保证每棵二叉搜索树是唯一的。由此可见,原问题可以分解成规模较小的两个子问题,且子问题的解可以复用。因此我们可以想到用动态规划来解决这个问题。

题目要求是计算不同的二叉搜索树的个数。为此,我们可以定义两个函数:1. G(n):长度为n的序列能构成的不同二叉搜索树的个数。2. F(i, n):以i为根,序列长度为n的不同二叉搜索树个数(1<=i<=n)。可见,G(n)是我们求解需要的函数。我们将会看到,G(n)可以从F(i, n)得到,而F(i, n)又会递归地依赖于G(n)。首先,不同的二叉搜索树的总数G(n)是对遍历所有i(i<=i<=n)的F(i, n)之和。而对于边界情况,当序列长度为1(只有根)或者为0(空树)时,只有一种情况,即:G(0)=1, G(1)=1。

给定序列1…n,我们选择数字i作为根,则根为i的所有二叉搜索树的集合是左子树集合和右子树集合的笛卡尔积,对于笛卡尔积中每个元素,加上根结点后形成完整的二叉搜索树。举例,对于[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]这个序列,创建以3为根,长度为7的不同二叉搜索树,我们需要从左子序列[1, 2]构建左子树,从右子序列[4, 5, 6, 7]构建右子树,然后将它们组合。对于这个例子,不同二叉搜索树的个数为F(3, 7),我们将[1, 2]构建不同左子树的数量表示为G(2),从[4, 5, 6, 7]构建不同右子树的数量表示为G(4),注意到G(n)和序列的内容无关,只和序列长度有关,于是,F(3, 7) = G(2)G(4)。因此我们可得F(i, n) = G(i-1)G(n-i),将上述的两个公式结合,我们可以得到一个G(n)的递归表达式,G(n) = sum(G(i-1)G(n-i))。然后我们计算G(n)即可得到答案。

这个算法的时间复杂度是O(N^2),空间复杂度是O(N)。G(n)就是卡塔兰数,所以在数学上有更简单的方法计算它。用公式的算法可以使得时间复杂度变为O(n),空间复杂度降为O(1)。

python:

class Solution:
    def numTrees(self, n: int) -> int:
        G = [0] * (n + 1)
        G[0], G[1] = 1, 1
        for i in range(2, n + 1):
            for j in range(1, i + 1):
                G[i] += G[j - 1] * G[i - j]
        return G[n]