圖論第11章 - 樹 (Trees) 考前重點複習

快速公式參考

一、基本定義與概念

Tree

樹是一種連通無環的圖。

樹的例子 5個頂點,4條邊 非樹(有環) 有環,不是樹
有根樹 Rooted Tree

指定一個頂點作為根(root)的樹,具有層次結構。

森林 Forest

由多棵樹組成的圖(可以不連通)。

二、有根樹的重要術語

有根樹術語示意圖 Root 內部 內部 葉子 葉子 內部 葉子 葉子 葉子 Leaves 兄弟 Siblings 子節點 Children 父節點
術語 英文 定義 例子
Root 樹的最上層頂點 上圖紅色頂點
內部頂點 Internal Vertex 有子節點的頂點 上圖藍色頂點
葉子 Leaf / Leaves 沒有子節點的頂點 上圖綠色頂點
子節點 Children 某頂點直接向下連接的頂點 一個頂點下方直接相連的點
父節點 Parent 某頂點直接向上連接的頂點 一個頂點上方直接相連的點
兄弟節點 Siblings 有相同父節點的頂點 同一個父節點的子節點們
祖先 Ancestors 從某頂點到根路徑上的所有頂點 往上追溯到根的所有點
後代 Descendants 某頂點下方的所有頂點 某點下方的所有子孫節點

三、m-元樹相關概念

m-元樹 m-ary Tree

每個內部頂點最多有m個子節點的有根樹。

完滿m-元樹 Full m-ary Tree

每個內部頂點恰好有m個子節點的有根樹。

完全m-元樹 Complete m-ary Tree

完滿m-元樹且所有葉子都在同一層。

二元樹 (m=2) 每個內部頂點有2個子節點
三元樹 (m=3) 每個內部頂點有3個子節點

四、重要公式整理

1. 樹的基本性質

邊數 = 頂點數 - 1

E = V - 1

範例:

問:一棵有10,000個頂點的樹有多少條邊?

答:10,000 - 1 = 9,999條邊

2. 完滿m-元樹的葉子數公式

l = [(m-1)n + 1] / m

其中:l = 葉子數,n = 總頂點數,m = 每個內部頂點的子節點數

範例:

問:一棵有100個頂點的完滿3-元樹有多少個葉子?

答:l = [(3-1)×100 + 1] / 3 = [200 + 1] / 3 = 201 / 3 = 67個葉子

3. 森林的邊數公式

邊數 = 總頂點數 - 樹的數量

E = n - t

範例:

問:一個包含5棵樹、總共50個頂點的森林有多少條邊?

答:50 - 5 = 45條邊

4. 完滿二元樹的特殊性質

葉子數 = 內部頂點數 + 1

l = i + 1

五、判斷樹的方法

如何判斷一個圖是否為樹?

  1. 檢查連通性:所有頂點必須相連
  2. 檢查是否有環:不能有任何迴路
  3. 檢查邊數:必須恰好有 n-1 條邊(n是頂點數)

三個條件必須同時滿足!

六、樹的高度與層次

高度 Height

從根到最遠葉子的路徑長度(邊數)。

Level

頂點到根的距離。根在第0層。

高度與層次示意圖 第0層 第1層 第2層 第3層 高度 = 3

七、考試技巧總結

解題步驟建議

  1. 看清題目要求:是要判斷、計算還是畫圖?
  2. 識別題型
    • 樹的判斷 → 檢查連通性和環
    • 計算題 → 套用對應公式
    • 術語題 → 根據定義找答案
  3. 畫圖輔助:特別是有根樹的題目
  4. 驗證答案:檢查是否符合樹的基本性質
常見題型速查表
題型 關鍵字 使用公式/方法
判斷是否為樹 Which graphs are trees? 檢查連通、無環、邊數=n-1
計算邊數 How many edges? E = V - 1
計算葉子數 How many leaves? l = [(m-1)n + 1]/m
森林問題 forest of t trees 邊數 = n - t
術語辨識 parent, children, siblings等 根據定義判斷

八、必背英文術語對照

基本術語

  • Tree - 樹
  • Graph - 圖
  • Vertex/Vertices - 頂點
  • Edge - 邊
  • Connected - 連通的
  • Cycle - 環/迴路
  • Forest - 森林

有根樹術語

  • Root - 根
  • Leaf/Leaves - 葉子
  • Internal vertex - 內部頂點
  • Parent - 父節點
  • Child/Children - 子節點
  • Sibling - 兄弟節點
  • Ancestor - 祖先
  • Descendant - 後代

樹的類型

  • Rooted tree - 有根樹
  • m-ary tree - m元樹
  • Binary tree - 二元樹
  • Full m-ary tree - 完滿m元樹
  • Complete m-ary tree - 完全m元樹
  • Height - 高度
  • Level - 層

祝考試順利!加油!💪

記得:理解概念比死背公式更重要。遇到不會的題目先跳過,把會的題目做完再回來思考。