删除 AVL 树中的单个节点是否需要两次双旋转?

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我一直在研究 AVL 树及其平衡机制,特别是如何使用旋转来在插入或删除后保持平衡。据我所知,当节点的平衡因子变为−2或+2时,可能需要单次或双次旋转。

但是,我有一个关于删除操作期间双旋转的问题:

问题: 理论上AVL树中单个节点的删除是否需要两次双旋转才能恢复平衡?

以我的理解,不应该是这样的。下面,我将概述为什么只需一次双轮旋转就足够的理由。如果我不正确或遗漏了某些内容,我将不胜感激任何澄清或更正。

我的推理: AVL 树旋转的性质:

删除节点时,平衡操作仅影响从删除点到根的路径上被删除节点的祖先。 每次旋转(单次或双次)都会影响正在重新平衡的子树的局部高度并恢复该子树的平衡。 单一传播路径:

当删除节点时,不平衡性会沿着单一路径传播到根。 只有沿着这条路径遇到的第一个不平衡节点(我们称之为 Z)需要重新平衡。一旦 Z 重新平衡,以 Z 为根的子树的高度就会恢复,并且进一步的传播停止。

双旋转标准: 在以下情况下会触发双旋转: Z的平衡因子变为-2或+2。 Z的子节点有相反方向的平衡因子,需要两步调整(例如,左-右或右-左)。 在 Z 处进行双重旋转后,Z 子树的高度恢复,防止进一步不平衡传播到 Z 的祖先。

为什么多次双旋转是不必要的: 一次双旋转恢复了 Z 及其子树的平衡,阻止任何高度变化进一步向树上传播。 因此,删除单个节点不可能需要沿着重新平衡路径进行多次双旋转。 要求: 如果我的推理有缺陷或者存在边缘情况,在 AVL 树中删除单个节点时需要多次旋转,您能否提供解释或反例?

提前感谢您的见解!我非常感谢您的时间和专业知识。

我回顾了 AVL 树的重新平衡过程,并尝试通过其传播限制进行推理。我预计一次删除只会影响到根的路径上的一个不平衡节点,最多需要一次双旋转才能恢复平衡。这符合我对 AVL 树属性的理解,但我想确认这个逻辑是否普遍成立或者是否存在边缘情况。

algorithm data-structures tree rotation avl-tree
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是的,删除AVL树中的单个节点可能需要两次双旋转才能恢复平衡。

在你认为事实并非如此的推理中,你写道:

单次双旋转可恢复 Z 及其子树的平衡,阻止任何高度变化在树上进一步传播。

但这不是真的:高度变化不一定会阻止在树上进一步传播。节点 Z 处的双旋转减少 首先以 Z 为根的子树的高度(通过旋转被其孙节点替换)。这种降低的高度肯定会在祖先节点处带来不平衡,并且没有理由不需要双重旋转:它取决于不属于当前子树的子树。

示例树和删除

这是导致两次双旋转的删除示例。我们从这个正确平衡的 AVL 树开始:

              __4_
             /    \
            1      9
           / \    / \
          0   3  7  10
             /  / \   \
            2  5   8  11
                \
                 6

然后我们删除0:

              __4_
             /    \
            1      9
             \    / \
              3  7  10
             /  / \   \
            2  5   8  11
                \
                 6

节点 1 现在出现不平衡。由于它的右子节点是左重的,我们需要在节点 1 处进行双重旋转,从而生成这棵树:

              __4_
             /    \
            2      9
           / \    / \
          1   3  7   10
                / \   \
               5   8   11
                \
                 6

但是这种双重旋转在节点 4 处引入了不平衡。并且由于其右子节点是左重的,因此我们也需要在那里进行双重旋转:

              __4_
             /    \
            2      9
           / \    / \
          1   3  7   10
                / \   \
               5   8   11
                \
                 6

这会导致这个平衡树:

                __7_
               /    \
              4      9
             / \    / \
            2   5  8   10
           / \   \      \
          1   3   6      11

因此这证明了——按照标准删除程序——我们可能需要应用不止一次双轮换。

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