Árboles balanceados

José A. Alonso

27-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

Los árboles binarios con valores en los nodos se pueden definir por

   data Arbol a = H
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Por ejemplo, el árbol

        9
       / \
      /   \
     8     6
    / \   / \
   3   2 4   5

se puede representar por

   N 9 (N 8 (N 3 H H) (N 2 H H)) (N 6 (N 4 H H) (N 5 H H))

Diremos que un árbol está balanceado si para cada nodo la diferencia entre el número de nodos de sus subárboles izquierdo y derecho es menor o igual que uno.

Definir la función

   balanceado :: Arbol a -> Bool

tal que (balanceado a) se verifica si el árbol a está balanceado. Por ejemplo,

   λ> balanceado (N 5 H (N 3 H H))
   True
   λ> balanceado (N 4 (N 3 (N 2 H H) H) (N 5 H (N 6 H (N 7 H H))))
   False

Rama izquierda de un árbol binario.

José A. Alonso

26-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

Los árboles binarios con valores en los nodos se pueden definir por

   data Arbol a = H
                | N a (Arbol1 a) (Arbol1 a)
     deriving (Show, Eq)

Por ejemplo, el árbol

        9
       / \
      /   \
     8     6
    / \   / \
   3   2 4   5

se puede representar por

   N 9 (N 8 (N 3 H H) (N 2 H H)) (N 6 (N 4 H H) (N 5 H H))

Definir la función

   ramaIzquierda :: Arbol a -> [a]

tal que ramaIzquierda a es la lista de los valores de los nodos de la rama izquierda del árbol a. Por ejemplo,

   λ> ramaIzquierda (N 2 (N 5 (N 3 H H) (N 7 H H)) (N 4 H H))
   [2,5,3]

<!-- TEASER_END -->~~~
# Soluciones

A continuación se muestran las [soluciones en Haskell](#haskell) y las [soluciones en Python](#python).

<a name="haskell"></a>
## Soluciones en Haskell

~~~haskell
data Arbol a = H
             | N a (Arbol a) (Arbol a)
  deriving (Show, Eq)

ramaIzquierda :: Arbol a -> [a]
ramaIzquierda H         = []
ramaIzquierda (N x i _) = x : ramaIzquierda i

Soluciones en Python

from dataclasses import dataclass
from typing import Generic, TypeVar

A = TypeVar("A")

@dataclass
class Arbol(Generic[A]):
    pass

@dataclass
class H(Arbol[A]):
    pass

@dataclass
class N(Arbol[A]):
    x: A
    i: Arbol[A]
    d: Arbol[A]

def ramaIzquierda(a: Arbol[A]) -> list[A]:
    match a:
        case H():
            return []
        case N(x, i, _):
            return [x] + ramaIzquierda(i)
    assert False

Suma de un árbol

José A. Alonso

23-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

Los árboles binarios con valores en los nodos se pueden definir por

   data Arbol a = H
                | N a (Arbol1 a) (Arbol1 a)
     deriving (Show, Eq)

Por ejemplo, el árbol

        9
       / \
      /   \
     8     6
    / \   / \
   3   2 4   5

se puede representar por

   N 9 (N 8 (N 3 H H) (N 2 H H)) (N 6 (N 4 H H) (N 5 H H))

Definir por recursión la función

   sumaArbol :: Num a => Arbol1 a -> a

tal sumaArbol x es la suma de los valores que hay en el árbol x. Por ejemplo,

   sumaArbol (N 2 (N 5 (N 3 H H) (N 7 H H)) (N 4 H H)) == 21

El tipo de los árboles binarios con valores en los nodos

José A. Alonso

23-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

1. El tipo de los árboles binarios con valores en los nodos en Haskell

El árbol, con valores en los nodos,

           9
          / \
         /   \
        /     \
       8       6
      / \     / \
     3   2   4   5
    /\  /\  /\   /\
   ·  ··  ··  · ·  ·

se puede representar por

   N 9 (N 8 (N 3 H H) (N 2 H H)) (N 6 (N 4 H H) (N 5 H H))

usando el tipo de los árboles con valores en los nodos definido como se muestra a continuación.

data Arbol a = H
             | N a (Arbol a) (Arbol a)
  deriving (Show, Eq)

2. El tipo de los árboles binarios con valores en los nodos en Python

El árbol binario, con valores en los nodos,

           9
          / \
         /   \
        /     \
       8       6
      / \     / \
     3   2   4   5
    /\  /\  /\   /\
   ·  ··  ··  · ·  ·

se puede representar por

   N(9, N(8, N(3, H(), H()), N(2, H(), H())), N(6, N(4, H(), H()), N(5, H(), H())))

usando el tipo de los árboles binarios con valores en los nodos definido como se muestra a continuación.

from dataclasses import dataclass


@dataclass
class Arbol:
    pass

@dataclass
class H(Arbol):
    pass

@dataclass
class N(Arbol):
    x: int
    i: Arbol
    d: Arbol

Árbol de profundidad n con nodos iguales

José A. Alonso

22-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir las funciones

   repeatArbol    :: a -> Arbol a
   replicateArbol :: Int -> a -> Arbol a

tales que

repeatArbol x es es árbol con infinitos nodos x. Por ejemplo,

     takeArbol 0 (repeatArbol 3) == H 3
     takeArbol 1 (repeatArbol 3) == N 3 (H 3) (H 3)
     takeArbol 2 (repeatArbol 3) == N 3 (N 3 (H 3) (H 3)) (N 3 (H 3) (H 3))

replicate n x es el árbol de profundidad n cuyos nodos son x. Por ejemplo,

     replicateArbol 0 5  ==  H 5
     replicateArbol 1 5  ==  N 5 (H 5) (H 5)
     replicateArbol 2 5  ==  N 5 (N 5 (H 5) (H 5)) (N 5 (H 5) (H 5))

Subárbol de profundidad dada

José A. Alonso

21-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

La función take está definida por

   take :: Int -> [a] -> [a]
   take 0            = []
   take (n+1) []     = []
   take (n+1) (x:xs) = x : take n xs

Definir la función

   takeArbol ::  Int -> Arbol a -> Arbol a

tal que takeArbol n t es el subárbol de t de profundidad n. Por ejemplo,

   takeArbol 0 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == H 9
   takeArbol 1 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (H 3) (H 7)
   takeArbol 2 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)
   takeArbol 3 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

Comprobar con QuickCheck que la profundidad de takeArbol n x es menor o igual que n, para todo número natural n y todo árbol x.

Imagen especular de un árbol binario

José A. Alonso

20-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir la función

   espejo :: Arbol a -> Arbol a

tal que espejo x es la imagen especular del árbol x. Por ejemplo,

   espejo (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (H 7) (N 3 (H 4) (H 2))

Comprobar con QuickCheck las siguientes propiedades, para todo árbol x,

   espejo (espejo x) = x
   reverse (preorden (espejo x)) = postorden x
   postorden (espejo x) = reverse (preorden x)

Recorrido de árboles binarios

José A. Alonso

19-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir las funciones

   preorden  :: Arbol a -> [a]
   postorden :: Arbol a -> [a]

tales que

preorden es la lista correspondiente al recorrido preorden del árbol x; es decir, primero visita la raíz del árbol, a continuación recorre el subárbol izquierdo y, finalmente, recorre el subárbol derecho. Por ejemplo,

     preorden (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))  ==  [9,3,2,4,7]

postorden x es la lista correspondiente al recorrido postorden del árbol x; es decir, primero recorre el subárbol izquierdo, a continuación el subárbol derecho y, finalmente, la raíz del árbol. Por ejemplo,

     postorden (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))  ==  [2,4,3,7,9]

Comprobar con QuickCheck que la longitud de la lista obtenida recorriendo un árbol en cualquiera de los sentidos es igual al número de nodos del árbol más el número de hojas.

Profundidad de un árbol binario

José A. Alonso

16-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir la función

   profundidad :: Arbol a -> Int

tal que profundidad x es la profundidad del árbol x. Por ejemplo,

   profundidad (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))              ==  2
   profundidad (N 9 (N 3 (H 2) (N 1 (H 4) (H 5))) (H 7))  ==  3
   profundidad (N 4 (N 5 (H 4) (H 2)) (N 3 (H 7) (H 4)))  ==  2

Comprobar con QuickCheck que para todo árbol biario x, se tiene que

   nNodos x <= 2^(profundidad x) - 1

Número de hojas de un árbol binario

José A. Alonso

15-12-2022

Tipos definidos y tipos de datos algebraicos

El árbol binario

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)

Definir las funciones

   nHojas :: Arbol a -> Int
   nNodos :: Arbol a -> Int

tales que

(nHojas x) es el número de hojas del árbol x. Por ejemplo,

     nHojas (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))  ==  3

(nNodos x) es el número de nodos del árbol x. Por ejemplo,

     nNodos (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))  ==  2

Comprobar con QuickCheck que en todo árbol binario el número de sus hojas es igual al número de sus nodos más uno.