Árvores Binárias de Busca - Tiago de Melotiagodemelo.info/wp-content/uploads/2019/05/aula-arvores-busca.pdf · 10/186 Introdução Busca (pesquisa) de dados em texto é uma operação

Algoritmos e Estruturas de Dados I

Árvores Binárias de Busca

Prof. Tiago Eugenio de [email protected]

www.tiagodemelo.info

mailto:[email protected]

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Observações

● O conteúdo dessa aula é parcialmente proveniente do Capítulo 14 do livro “Data Structure and Algorithms Using Python”.

● As palavras com a fonte Courier indicam uma palavra-reservada da linguagem de programação.

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Árvores Binárias de Busca

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Introdução

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Introdução

● Busca (pesquisa) de dados em texto é uma operação bastante comum e, por isso, bastante estudada.

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Introdução


● Uma pesquisa linear de um array ou uma lista de Python é bastante lenta.

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Introdução


● Uma pesquisa linear de um array ou uma lista de Python é bastante lenta.– Essa pesquisa pode ser melhorada com uma busca

binária.

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Introdução


● Uma pesquisa linear de um array ou uma lista de Python é bastante lenta.– Essa pesquisa pode ser melhorada com uma busca

binária.– Porém, arrays e listas de Python ainda têm

dificuldade de realizar as operação de inserção e remoção de chaves.

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Introdução


● Uma pesquisa linear de um array ou uma lista de Python é bastante lenta.– Essa pesquisa pode ser melhorada com uma busca binária.– Porém, arrays e listas de Python ainda têm dificuldade de

realizar as operação de inserção e remoção de chaves.– Exemplo: a remoção de uma chave obriga a reorganização

da lista, pois a busca binária somente funciona em listas (arrays) ordenados.

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Introdução


● Uma pesquisa linear de um array ou uma lista de Python é bastante lenta.– Essa pesquisa pode ser melhorada com uma busca binária.– Porém, arrays e listas de Python ainda têm dificuldade de realizar as

operação de inserção e remoção de chaves.– Exemplo: a remoção de uma chave obriga a reorganização da lista,

pois a busca binária somente funciona em listas (arrays) ordenados.● O objetivo primário de uma árvore de busca é fornecer uma

eficiente operação de busca para rapidamente localizar um específico item na árvore.

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Árvore Binária de Busca (ABB)

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● Uma árvore binária de busca (ABB) – binary search tree (BST) – é uma árvore binária em que cada nó contém um campo chave e a árvore é estruturada de tal maneira que para cada nó interior V:

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● Uma árvore binária de busca (ABB) – binary search tree (BST) – é uma árvore binária em que cada nó contém um campo chave e a árvore é estruturada de tal maneira que para cada nó interior V:– Todas as chaves menores que a chave do nó V

devem ser armazenadas à esquerda de V.

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● Uma árvore binária de busca (ABB) – binary search tree (BST) – é uma árvore binária em que cada nó contém um campo chave e a árvore é estruturada de tal maneira que para cada nó interior V:– Todas as chaves menores que a chave do nó V

devem ser armazenadas à esquerda de V.– Todas as chaves maiores que a chave do nó V

devem ser armazenadas à direita de V.

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● Exemplo de ABB:

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● Exemplo de ABB:

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● Exemplo de ABB:

1 → 4 → 12 → 23 → 29 → 37 → 41 → 60 → 71 → 84 → 90 → 100

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● Observações:

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● Observações:– A nossa definição de ABB impede o

armazenamento de chaves duplicadas.

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armazenamento de chaves duplicadas.● É uma suposição realista para vários problemas.

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armazenamento de chaves duplicadas.● É uma suposição realista para vários problemas.● Isto torna a implementação mais simples.

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armazenamento de chaves duplicadas.● É uma suposição realista para vários problemas.● Isto torna a implementação mais simples.● Essa restrição poderia ser alterada para permitir o

armazenamento de chaves duplicadas.

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armazenamento de chaves duplicadas.● É uma suposição realista para vários problemas.● Isto torna a implementação mais simples.● Essa restrição poderia ser alterada para permitir o

armazenamento de chaves duplicadas.● Por questões didáticas, nós estamos apresentando

apenas uma versão que considera chaves únicas..

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TAD de ABB

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TAD de ABB

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TAD de ABB

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TAD de ABB

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TAD de ABB

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TAD de ABB

O que é um iterador?

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TAD de ABB

O que é um iterador?

É qualquer tipo que permita uso

de loop (for).

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TAD de ABB

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TAD de ABB

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● Dada uma árvore binária, alguém sempre vai querer buscar na árvore para determinar se ela contém uma determinada chave (ou localizar um elemento específico).

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Operação de Busca


● Lembre-se:

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Operação de Busca


● Lembre-se:– Existe um único caminho da raiz até algum dos nós

da árvore.

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Operação de Busca


● Lembre-se:– Existe um único caminho da raiz até algum dos nós

da árvore.● A questão é:

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Operação de Busca


● Lembre-se:– Existe um único caminho da raiz até algum dos nós da

árvore.● A questão é:

– Como nós sabemos qual caminho seguir?

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● O início da busca sempre se iniciará pela raiz.

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Operação de Busca

● O início da busca sempre se iniciará pela raiz.

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.– Se ele for igual, então encontramos.

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.– Se ele for igual, então encontramos.– Se ele for maior, então estará à direita da raiz.

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.– Se ele for igual, então encontramos.– Se ele for maior, então estará à direita da raiz.– Se ele for menor, então estará à esquerda da raiz.

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Operação de Busca

● O procurado é comparado com o nó da raiz.– Se ele for igual, então encontramos.– Se ele for maior, então estará à direita da raiz.– Se ele for menor, então estará à esquerda da raiz.– Processo é repetido até localizarmos o alvo ou

encontrarmos um nó filho nulo.

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● Suponha que vamos buscar o elemento 29:

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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca

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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


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Operação de Busca


NULL

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● As operações de busca na árvore binária podem ser implementadas iterativamente ou com recursão.

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Operação de Busca


● Vamos ver um exemplo de implementação com recursão.

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Operação de Busca


● Vamos ver um exemplo de implementação com recursão.

● O modo iterativo ficará como exercício!!!

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Operação de Busca

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Operação de Busca

● A função tem dois casos base:

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Operação de Busca

● A função tem dois casos base:– O elemento alvo está no nó atual da busca ou

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Operação de Busca

● A função tem dois casos base:– O elemento alvo está no nó atual da busca ou– Um nó filho NULL é encontrado.

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Operação de Busca


● Portanto, a função retornará:

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Operação de Busca


● Portanto, a função retornará:– A referência ao nó que contém o elemento

procurado ou

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Operação de Busca


● Portanto, a função retornará:– A referência ao nó que contém o elemento

procurado ou– None.

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Operação de Busca

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Operação de Busca

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Operação de Busca

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Operação de Busca

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Busca por valores Max e Min

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● Uma outra operação de busca comumente executada em uma árvore binária de busca é encontrar os maiores e menores valores (chaves).

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● De acordo com a definição de ABB, nós sabemos que o valor mínimo está na raiz ou em algum nó a sua esquerda.

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● De acordo com a definição de ABB, nós sabemos que o valor mínimo está na raiz ou em algum nó a sua esquerda.

● Existe alguma maneira de fazer a busca pelo menor elemento se ter a necessidade de fazer a comparação individual?

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● Como achar o menor valor na ABB abaixo?

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● Como achar o menor valor na ABB abaixo?

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● A ideia é que se o nó raiz contém um elemento a sua esquerda, então esse nó não pode ser o menor.

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● A ideia é que se o nó raiz contém um elemento a sua esquerda, então esse nó não pode ser o menor.

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● A mesma ideia da busca pelo menor valor se aplica à busca do maior valor.

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● Código:

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Inserção

● Na construção de uma ABB, as chaves (elementos) são adicionados um por vez.

● Suponha que vamos inserir a seguinte relação de elementos [60, 25, 100, 35, 17, 80].

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Inserção

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Inserção

Inserir 60

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Inserção

Inserir 60

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Inserção

Inserir 60 Inserir 25

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Inserção


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Inserção

Inserir 60 Inserir 25 Inserir 100

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Inserção


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Inserção


Inserir 35

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Inserção


Inserir 35

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Inserção



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Inserção



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Inserção



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Inserção



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Inserção

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Inserção

● Suponha que vamos inserir a chave 30 na árvore anterior.

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Inserção


● O que aconteceria se nós usarmos o função _bstSearch( ) e pesquisarmos pelo nó 30?

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Inserção



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Inserção



A busca não localizará o nó 30.

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Inserção



A busca não localizará o nó 30.

Porém, este será o lugar correto onde a nova chave deverá ser inserida.

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Inserção

● Código para inserir um nó na ABB:

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Inserção

● Código para inserir um nó na ABB:

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Inserção

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Inserção

● O método deve pesquisar a localização do novo nó.

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Inserção


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Inserção


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Inserção


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Inserção

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Inserção

● O caso base é alcançado quando uma subárvore vazia é encontrada.

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Inserção

● O caso base é alcançado quando uma subárvore vazia é encontrada.

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Inserção

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Inserção

● Neste momento, um novo nó da árvore é criado e seus valores são atualizados.

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Inserção

● Neste momento, um novo nó da árvore é criado e seus valores são atualizados.

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Inserção

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Inserção

● A recursão continua...

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Inserção


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Inserção


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Inserção

● Até alcançar o nó raiz.

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Remoção

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Remoção

● A operação de remoção é um pouco mais complicada do que as operações de busca ou inserção.

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Remoção


● Operações envolvidas na remoção:

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Remoção


● Operações envolvidas na remoção:– Localizar o elemento.

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Remoção


● Operações envolvidas na remoção:– Localizar o elemento.– Remover o nó da árvore.

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Remoção


● Operações envolvidas na remoção:– Localizar o elemento.– Remover o nó da árvore.– Os nós restantes devem preservar a propriedade

de ABB.

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Remoção

● Existem três casos a serem considerados antes de remover um nó:– O nó é uma folha.– O nó tem um único filho.– O nó tem dois filhos.

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Remoção

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Remoção

● Remoção de nó folha

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Remoção

● Remoção de nó folha– É o caso mais simples.

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Remoção

● Remoção de nó folha– É o caso mais simples.– Depois de encontrar o nó, basta removê-lo da ABB.

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Remoção


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Remoção


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Remoção

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Remoção

● Remover nó interior com 1 filho

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Remoção

● Remover nó interior com 1 filho

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Remoção

● Remover nó interior com 1 filho– Como seria remover o nó 41?

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Remoção

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Remoção

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Remoção

● Bataria que o nó anterior (12) apontasse para NULL?

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Remoção

● Bataria que o nó anterior (12) apontasse para NULL?

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Remoção

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Remoção

● Como o nó 41 tem apenas 1 único filho, então todos os seus descendentes têm chaves maiores do que o nó 12.

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Remoção


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Remoção


● Assim, basta ligar o nó 12 ao filho do nó 41.

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Remoção


● Assim, basta ligar o nó 12 ao filho do nó 41.

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Remoção

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Remoção

● Remover nó interior com 2 filhos

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Remoção

● Remover nó interior com 2 filhos– Essa é a sua situação mais difícil.

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Remoção

● Remover nó interior com 2 filhos– Essa é a sua situação mais difícil.– O que aconteceria na árvore para remover o nó

12?

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Remoção


12?

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Remoção


12?

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Remoção

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Remoção

● O resultado da remoção anterior seria a árvore abaixo.

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Remoção


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Remoção


● O nó 41 teria dois filhos à esquerda.

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Remoção

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Remoção

● Remover o nó interior com dois filhos:

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Remoção

● Remover o nó interior com dois filhos:– Encontrar o sucessor lógico, S, do nó que será

removido N.

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Remoção


removido N.– Copiar a chave do nó S para N.

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Remoção


removido N.– Copiar a chave do nó S para N.– Remover o nó S da árvore.

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Remoção


removido N.– Copiar a chave do nó S para N.– Remover o nó S da árvore.

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Remoção

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Remoção

● A dúvida que surge é:

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Remoção

● A dúvida que surge é:– Como encontrar o sucessor de um nó e onde ele

estará localizado na árvore?

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Remoção


estará localizado na árvore?– O sucessor é o menor elemento dos elementos que

sejam maiores que o nó que será removido.

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Remoção


estará localizado na árvore?– O sucessor é o menor elemento dos elementos que

sejam maiores que o nó que será removido.– De acordo com as propriedades de uma ABB, o

sucessor de um nó é o seu pai ou algum nó que esteja a sua direita.

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Remoção

● Passo 1– Achar o nó N e o seu sucessor S.

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Remoção

● Passo 2– Copiar o nó S para N.

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Remoção

● Passo 3– Remova o sucessor S que estava à direita.

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Remoção

● Passo 4– Remova o sucessor S que estava à direita.

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Eficiência das ABB

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Exercícios

● Considere a árvore binária de busca abaixo e mostre o resultado após deletar cada uma das seguintes chaves: 14, 52 e 39.

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Exercícios

● Discuta a avaliação entre uma implementação de uma lista ordenada e a implementação de uma árvore binária de busca.

● Considere que as chaves 50, 30, 70, 20, 40, 60, 80, 15, 25, 35, 45 e 36 são inseridas, nesta ordem, numa árvore de busca inicialmente vazia. Desenha a árvore resultante.

● O que aconteceria se o nó 30 fosse removido da árvore construída no exercício anterior? Desenhe essa árvore resultante.

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Exercícios

● Escreva uma função em Python para verificar se uma árvore é uma ABB.

● Escreva uma função em Python para verificar se duas ABBs são iguais.

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