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Tas binaire

UN Tas binaire est un arbre binaire complet qui est utilisé pour stocker efficacement les données afin d'obtenir l'élément max ou min en fonction de sa structure.

Un tas binaire est soit Min Heap, soit Max Heap. Dans un Min Binary Heap, la clé à la racine doit être minimale parmi toutes les clés présentes dans Binary Heap. La même propriété doit être vraie de manière récursive pour tous les nœuds de l'arbre binaire. Max Binary Heap est similaire à MinHeap.



Exemples de tas minimum :

10 10
//
20 100 15 30
/ / /
30 40 50 100 40

Comment le tas binaire est-il représenté ?

Un tas binaire est un Arbre binaire complet . Un tas binaire est généralement représenté sous forme de tableau.

  • L'élément racine sera à Arr[0].
  • Le tableau ci-dessous montre les indices des autres nœuds pour le ièmenœud, c'est-à-dire Arr[i] :
Arr[(i-1)/2] Renvoie le nœud parent
Arr[(2*i)+1] Renvoie le nœud enfant gauche
Arr[(2*i)+2] Renvoie le bon nœud enfant

La méthode de parcours utilisée pour obtenir la représentation de tableau est Traversée de l'ordre des niveaux . Prière de se référer à Représentation matricielle du tas binaire pour plus de détails.



Arbre de tas binaire

Opérations sur le tas :

Vous trouverez ci-dessous quelques opérations standard sur le tas min :

  • getMin() : Il renvoie l'élément racine de Min Heap. La complexité temporelle de cette opération est O(1) . Dans le cas d'un maxheap, ce serait obtenirMax() .
  • extraireMin() : Supprime l'élément minimum de MinHeap. La complexité temporelle de cette opération est O (log N) car cette opération doit conserver la propriété du tas (en appelant tasifier() ) après avoir retiré la racine.
  • diminuerKey() : Diminue la valeur de la clé. La complexité temporelle de cette opération est O (log N) . Si la valeur de clé diminuée d'un nœud est supérieure à celle du parent du nœud, nous n'avons rien à faire. Sinon, nous devons remonter pour corriger la propriété du tas violée.
  • insérer() : L'insertion d'une nouvelle clé prend O (log N) temps. Nous ajoutons une nouvelle clé à la fin de l'arborescence. Si la nouvelle clé est supérieure à celle de son parent, nous n’avons rien à faire. Sinon, nous devons remonter pour corriger la propriété du tas violée.
  • supprimer() : La suppression d'une clé prend également O (log N) temps. On remplace la clé à supprimer par le minimum infini en appelant diminuerKey() . Après diminutionKey(), la valeur moins infinie doit atteindre la racine, nous appelons donc extraireMin() pour retirer la clé.

Vous trouverez ci-dessous l'implémentation des opérations de base du tas.



C++




// A C++ program to demonstrate common Binary Heap Operations> #include> #include> using> namespace> std;> > // Prototype of a utility function to swap two integers> void> swap(>int> *x,>int> *y);> > // A class for Min Heap> class> MinHeap> {> >int> *harr;>// pointer to array of elements in heap> >int> capacity;>// maximum possible size of min heap> >int> heap_size;>// Current number of elements in min heap> public>:> >// Constructor> >MinHeap(>int> capacity);> > >// to heapify a subtree with the root at given index> >void> MinHeapify(>int> i);> > >int> parent(>int> i) {>return> (i-1)/2; }> > >// to get index of left child of node at index i> >int> left(>int> i) {>return> (2*i + 1); }> > >// to get index of right child of node at index i> >int> right(>int> i) {>return> (2*i + 2); }> > >// to extract the root which is the minimum element> >int> extractMin();> > >// Decreases key value of key at index i to new_val> >void> decreaseKey(>int> i,>int> new_val);> > >// Returns the minimum key (key at root) from min heap> >int> getMin() {>return> harr[0]; }> > >// Deletes a key stored at index i> >void> deleteKey(>int> i);> > >// Inserts a new key 'k'> >void> insertKey(>int> k);> };> > // Constructor: Builds a heap from a given array a[] of given size> MinHeap::MinHeap(>int> cap)> {> >heap_size = 0;> >capacity = cap;> >harr =>new> int>[cap];> }> > // Inserts a new key 'k'> void> MinHeap::insertKey(>int> k)> {> >if> (heap_size == capacity)> >{> >cout <<>' Overflow: Could not insertKey '>;> >return>;> >}> > >// First insert the new key at the end> >heap_size++;> >int> i = heap_size - 1;> >harr[i] = k;> > >// Fix the min heap property if it is violated> >while> (i != 0 && harr[parent(i)]>harr[i])> >{> >swap(&harr[i], &harr[parent(i)]);> >i = parent(i);> >}> }> > // Decreases value of key at index 'i' to new_val. It is assumed that> // new_val is smaller than harr[i].> void> MinHeap::decreaseKey(>int> i,>int> new_val)> {> >harr[i] = new_val;> >while> (i != 0 && harr[parent(i)]>harr[i])> >{> >swap(&harr[i], &harr[parent(i)]);> >i = parent(i);> >}> }> > // Method to remove minimum element (or root) from min heap> int> MinHeap::extractMin()> {> >if> (heap_size <= 0)> >return> INT_MAX;> >if> (heap_size == 1)> >{> >heap_size--;> >return> harr[0];> >}> > >// Store the minimum value, and remove it from heap> >int> root = harr[0];> >harr[0] = harr[heap_size-1];> >heap_size--;> >MinHeapify(0);> > >return> root;> }> > > // This function deletes key at index i. It first reduced value to minus> // infinite, then calls extractMin()> void> MinHeap::deleteKey(>int> i)> {> >decreaseKey(i, INT_MIN);> >extractMin();> }> > // A recursive method to heapify a subtree with the root at given index> // This method assumes that the subtrees are already heapified> void> MinHeap::MinHeapify(>int> i)> {> >int> l = left(i);> >int> r = right(i);> >int> smallest = i;> >if> (l smallest = l; if (r smallest = r; if (smallest != i) { swap(&harr[i], &harr[smallest]); MinHeapify(smallest); } } // A utility function to swap two elements void swap(int *x, int *y) { int temp = *x; *x = *y; *y = temp; } // Driver program to test above functions int main() { MinHeap h(11); h.insertKey(3); h.insertKey(2); h.deleteKey(1); h.insertKey(15); h.insertKey(5); h.insertKey(4); h.insertKey(45); cout << h.extractMin() << ' '; cout << h.getMin() << ' '; h.decreaseKey(2, 1); cout << h.getMin(); return 0; }>

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boucle for dans un script shell

Java




// Java program for the above approach> import> java.util.*;> > // A class for Min Heap> class> MinHeap {> > >// To store array of elements in heap> >private> int>[] heapArray;> > >// max size of the heap> >private> int> capacity;> > >// Current number of elements in the heap> >private> int> current_heap_size;> > >// Constructor> >public> MinHeap(>int> n) {> >capacity = n;> >heapArray =>new> int>[capacity];> >current_heap_size =>0>;> >}> > >// Swapping using reference> >private> void> swap(>int>[] arr,>int> a,>int> b) {> >int> temp = arr[a];> >arr[a] = arr[b];> >arr[b] = temp;> >}> > > >// Get the Parent index for the given index> >private> int> parent(>int> key) {> >return> (key ->1>) />2>;> >}> > >// Get the Left Child index for the given index> >private> int> left(>int> key) {> >return> 2> * key +>1>;> >}> > >// Get the Right Child index for the given index> >private> int> right(>int> key) {> >return> 2> * key +>2>;> >}> > > >// Inserts a new key> >public> boolean> insertKey(>int> key) {> >if> (current_heap_size == capacity) {> > >// heap is full> >return> false>;> >}> > >// First insert the new key at the end> >int> i = current_heap_size;> >heapArray[i] = key;> >current_heap_size++;> > >// Fix the min heap property if it is violated> >while> (i !=>0> && heapArray[i] swap(heapArray, i, parent(i)); i = parent(i); } return true; } // Decreases value of given key to new_val. // It is assumed that new_val is smaller // than heapArray[key]. public void decreaseKey(int key, int new_val) { heapArray[key] = new_val; while (key != 0 && heapArray[key] swap(heapArray, key, parent(key)); key = parent(key); } } // Returns the minimum key (key at // root) from min heap public int getMin() { return heapArray[0]; } // Method to remove minimum element // (or root) from min heap public int extractMin() { if (current_heap_size <= 0) { return Integer.MAX_VALUE; } if (current_heap_size == 1) { current_heap_size--; return heapArray[0]; } // Store the minimum value, // and remove it from heap int root = heapArray[0]; heapArray[0] = heapArray[current_heap_size - 1]; current_heap_size--; MinHeapify(0); return root; } // This function deletes key at the // given index. It first reduced value // to minus infinite, then calls extractMin() public void deleteKey(int key) { decreaseKey(key, Integer.MIN_VALUE); extractMin(); } // A recursive method to heapify a subtree // with the root at given index // This method assumes that the subtrees // are already heapified private void MinHeapify(int key) { int l = left(key); int r = right(key); int smallest = key; if (l smallest = l; } if (r smallest = r; } if (smallest != key) { swap(heapArray, key, smallest); MinHeapify(smallest); } } // Increases value of given key to new_val. // It is assumed that new_val is greater // than heapArray[key]. // Heapify from the given key public void increaseKey(int key, int new_val) { heapArray[key] = new_val; MinHeapify(key); } // Changes value on a key public void changeValueOnAKey(int key, int new_val) { if (heapArray[key] == new_val) { return; } if (heapArray[key] increaseKey(key, new_val); } else { decreaseKey(key, new_val); } } } // Driver Code class MinHeapTest { public static void main(String[] args) { MinHeap h = new MinHeap(11); h.insertKey(3); h.insertKey(2); h.deleteKey(1); h.insertKey(15); h.insertKey(5); h.insertKey(4); h.insertKey(45); System.out.print(h.extractMin() + ' '); System.out.print(h.getMin() + ' '); h.decreaseKey(2, 1); System.out.print(h.getMin()); } } // This code is contributed by rishabmalhdijo>

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Python




# A Python program to demonstrate common binary heap operations> > # Import the heap functions from python library> from> heapq>import> heappush, heappop, heapify> > # heappop - pop and return the smallest element from heap> # heappush - push the value item onto the heap, maintaining> # heap invarient> # heapify - transform list into heap, in place, in linear time> > # A class for Min Heap> class> MinHeap:> > ># Constructor to initialize a heap> >def> __init__(>self>):> >self>.heap>=> []> > >def> parent(>self>, i):> >return> (i>->1>)>/>2> > ># Inserts a new key 'k'> >def> insertKey(>self>, k):> >heappush(>self>.heap, k)> > ># Decrease value of key at index 'i' to new_val> ># It is assumed that new_val is smaller than heap[i]> >def> decreaseKey(>self>, i, new_val):> >self>.heap[i]>=> new_val> >while>(i !>=> 0> and> self>.heap[>self>.parent(i)]>>self>.heap[i]):> ># Swap heap[i] with heap[parent(i)]> >self>.heap[i] ,>self>.heap[>self>.parent(i)]>=> (> >self>.heap[>self>.parent(i)],>self>.heap[i])> > ># Method to remove minimum element from min heap> >def> extractMin(>self>):> >return> heappop(>self>.heap)> > ># This function deletes key at index i. It first reduces> ># value to minus infinite and then calls extractMin()> >def> deleteKey(>self>, i):> >self>.decreaseKey(i,>float>(>'-inf'>))> >self>.extractMin()> > ># Get the minimum element from the heap> >def> getMin(>self>):> >return> self>.heap[>0>]> > # Driver pgoratm to test above function> heapObj>=> MinHeap()> heapObj.insertKey(>3>)> heapObj.insertKey(>2>)> heapObj.deleteKey(>1>)> heapObj.insertKey(>15>)> heapObj.insertKey(>5>)> heapObj.insertKey(>4>)> heapObj.insertKey(>45>)> > print> heapObj.extractMin(),> print> heapObj.getMin(),> heapObj.decreaseKey(>2>,>1>)> print> heapObj.getMin()> > # This code is contributed by Nikhil Kumar Singh(nickzuck_007)>

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C#

pour la boucle dans bash




// C# program to demonstrate common> // Binary Heap Operations - Min Heap> using> System;> > // A class for Min Heap> class> MinHeap{> > // To store array of elements in heap> public> int>[] heapArray{>get>;>set>; }> > // max size of the heap> public> int> capacity{>get>;>set>; }> > // Current number of elements in the heap> public> int> current_heap_size{>get>;>set>; }> > // Constructor> public> MinHeap(>int> n)> {> >capacity = n;> >heapArray =>new> int>[capacity];> >current_heap_size = 0;> }> > // Swapping using reference> public> static> void> Swap(>ref> T lhs,>ref> T rhs)> {> >T temp = lhs;> >lhs = rhs;> >rhs = temp;> }> > // Get the Parent index for the given index> public> int> Parent(>int> key)> {> >return> (key - 1) / 2;> }> > // Get the Left Child index for the given index> public> int> Left(>int> key)> {> >return> 2 * key + 1;> }> > // Get the Right Child index for the given index> public> int> Right(>int> key)> {> >return> 2 * key + 2;> }> > // Inserts a new key> public> bool> insertKey(>int> key)> {> >if> (current_heap_size == capacity)> >{> > >// heap is full> >return> false>;> >}> > >// First insert the new key at the end> >int> i = current_heap_size;> >heapArray[i] = key;> >current_heap_size++;> > >// Fix the min heap property if it is violated> >while> (i != 0 && heapArray[i] <> >heapArray[Parent(i)])> >{> >Swap(>ref> heapArray[i],> >ref> heapArray[Parent(i)]);> >i = Parent(i);> >}> >return> true>;> }> > // Decreases value of given key to new_val.> // It is assumed that new_val is smaller> // than heapArray[key].> public> void> decreaseKey(>int> key,>int> new_val)> {> >heapArray[key] = new_val;> > >while> (key != 0 && heapArray[key] <> >heapArray[Parent(key)])> >{> >Swap(>ref> heapArray[key],> >ref> heapArray[Parent(key)]);> >key = Parent(key);> >}> }> > // Returns the minimum key (key at> // root) from min heap> public> int> getMin()> {> >return> heapArray[0];> }> > // Method to remove minimum element> // (or root) from min heap> public> int> extractMin()> {> >if> (current_heap_size <= 0)> >{> >return> int>.MaxValue;> >}> > >if> (current_heap_size == 1)> >{> >current_heap_size--;> >return> heapArray[0];> >}> > >// Store the minimum value,> >// and remove it from heap> >int> root = heapArray[0];> > >heapArray[0] = heapArray[current_heap_size - 1];> >current_heap_size--;> >MinHeapify(0);> > >return> root;> }> > // This function deletes key at the> // given index. It first reduced value> // to minus infinite, then calls extractMin()> public> void> deleteKey(>int> key)> {> >decreaseKey(key,>int>.MinValue);> >extractMin();> }> > // A recursive method to heapify a subtree> // with the root at given index> // This method assumes that the subtrees> // are already heapified> public> void> MinHeapify(>int> key)> {> >int> l = Left(key);> >int> r = Right(key);> > >int> smallest = key;> >if> (l heapArray[l] { smallest = l; } if (r heapArray[r] { smallest = r; } if (smallest != key) { Swap(ref heapArray[key], ref heapArray[smallest]); MinHeapify(smallest); } } // Increases value of given key to new_val. // It is assumed that new_val is greater // than heapArray[key]. // Heapify from the given key public void increaseKey(int key, int new_val) { heapArray[key] = new_val; MinHeapify(key); } // Changes value on a key public void changeValueOnAKey(int key, int new_val) { if (heapArray[key] == new_val) { return; } if (heapArray[key] { increaseKey(key, new_val); } else { decreaseKey(key, new_val); } } } static class MinHeapTest{ // Driver code public static void Main(string[] args) { MinHeap h = new MinHeap(11); h.insertKey(3); h.insertKey(2); h.deleteKey(1); h.insertKey(15); h.insertKey(5); h.insertKey(4); h.insertKey(45); Console.Write(h.extractMin() + ' '); Console.Write(h.getMin() + ' '); h.decreaseKey(2, 1); Console.Write(h.getMin()); } } // This code is contributed by // Dinesh Clinton Albert(dineshclinton)>

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Javascript




// A class for Min Heap> class MinHeap> {> >// Constructor: Builds a heap from a given array a[] of given size> >constructor()> >{> >this>.arr = [];> >}> > >left(i) {> >return> 2*i + 1;> >}> > >right(i) {> >return> 2*i + 2;> >}> > >parent(i){> >return> Math.floor((i - 1)/2)> >}> > >getMin()> >{> >return> this>.arr[0]> >}> > >insert(k)> >{> >let arr =>this>.arr;> >arr.push(k);> > >// Fix the min heap property if it is violated> >let i = arr.length - 1;> >while> (i>0 && arr[>this>.parent(i)]>arr[i])> >{> >let p =>this>.parent(i);> >[arr[i], arr[p]] = [arr[p], arr[i]];> >i = p;> >}> >}> > >// Decreases value of key at index 'i' to new_val.> >// It is assumed that new_val is smaller than arr[i].> >decreaseKey(i, new_val)> >{> >let arr =>this>.arr;> >arr[i] = new_val;> > >while> (i !== 0 && arr[>this>.parent(i)]>arr[i])> >{> >let p =>this>.parent(i);> >[arr[i], arr[p]] = [arr[p], arr[i]];> >i = p;> >}> >}> > >// Method to remove minimum element (or root) from min heap> >extractMin()> >{> >let arr =>this>.arr;> >if> (arr.length == 1) {> >return> arr.pop();> >}> > >// Store the minimum value, and remove it from heap> >let res = arr[0];> >arr[0] = arr[arr.length-1];> >arr.pop();> >this>.MinHeapify(0);> >return> res;> >}> > > >// This function deletes key at index i. It first reduced value to minus> >// infinite, then calls extractMin()> >deleteKey(i)> >{> >this>.decreaseKey(i,>this>.arr[0] - 1);> >this>.extractMin();> >}> > >// A recursive method to heapify a subtree with the root at given index> >// This method assumes that the subtrees are already heapified> >MinHeapify(i)> >{> >let arr =>this>.arr;> >let n = arr.length;> >if> (n === 1) {> >return>;> >}> >let l =>this>.left(i);> >let r =>this>.right(i);> >let smallest = i;> >if> (l smallest = l; if (r smallest = r; if (smallest !== i) { [arr[i], arr[smallest]] = [arr[smallest], arr[i]] this.MinHeapify(smallest); } } } let h = new MinHeap(); h.insert(3); h.insert(2); h.deleteKey(1); h.insert(15); h.insert(5); h.insert(4); h.insert(45); console.log(h.extractMin() + ' '); console.log(h.getMin() + ' '); h.decreaseKey(2, 1); console.log(h.extractMin());>

zéros numpy

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Applications des tas :

  • Tri en tas : Heap Sort utilise Binary Heap pour trier un tableau en un temps O(nLogn).
  • File d'attente de priorité: Les files d'attente prioritaires peuvent être implémentées efficacement à l'aide de Binary Heap car elles prennent en charge les opérations insert(), delete() et extractmax(), diminutionKey() en un temps O(log N). Binomial Heap et Fibonacci Heap sont des variantes de Binary Heap. Ces variations réalisent également l'union de manière efficace.
  • Algorithmes graphiques : les files d'attente prioritaires sont particulièrement utilisées dans les algorithmes graphiques comme Le chemin le plus court de Dijkstra et Arbre couvrant minimum de Prim .
  • De nombreux problèmes peuvent être résolus efficacement à l’aide de Heaps. Voir ci-dessous par exemple. un) K'ième plus grand élément d'un tableau . b) Trier un tableau presque trié/ c) Fusionner les tableaux triés K .

Liens connexes:

  • Pratique de codage sur tas
  • Tous les articles sur le tas
  • PriorityQueue : implémentation du tas binaire dans la bibliothèque Java