Дерево — это связный ациклический граф.^[1] Связность означает наличие путей между любой парой вершин, ацикличность — отсутствие циклов и то, что между парами вершинами имеется только по одному пути.

Ориентированное (направленное) дерево — ацикличный орграф (ориентированный граф, не содержащий циклов), в котором только одна вершина имеет нулевую степень захода (в неё не ведут дуги), а все остальные вершины имеют степень захода 1 (в них ведёт ровно по одной дуге). Вершина с нулевой степенью захода называется корнем дерева, вершины с нулевой степенью исхода (из которых не исходит ни одна дуга) называются концевыми вершинами или листьями.^[2]

Формально дерево определяется как конечное множество одного или более узлов со следующими свойствами:

1. существует один корень дерева
2. остальные узлы (за исключением корня) распределены среди непересекающихся множеств , и каждое из множеств является деревом; деревья называются поддеревьями данного корня

Связанные определения

• Степень узла — количество исходящих дуг (или, иначе, количество поддеревьев узла).
• Концевой узел (лист, терминальная вершина) — узел со степенью 1 (то есть узел, в который ведёт только одно ребро; в случае ориентированного дерева — узел, в который ведёт только одна дуга и не исходит ни одной дуги).
• Узел ветвления — неконцевой узел.
• Уровень узла — длина пути от корня до узла. Можно определить рекурсивно:

1. уровень корня дерева равен 0;
2. уровень любого другого узла на единицу больше, чем уровень корня ближайшего поддерева дерева , содержащего данный узел.

• Дерево с отмеченной вершиной называется корневым деревом.
  • -й ярус дерева  — множество узлов дерева, на уровне от корня дерева.
  • частичный порядок на вершинах: , если вершины и различны и вершина лежит на (единственной!) элементарной цепи, соединяющей корень с вершиной .
  • корневое поддерево с корнем  — подграф .
• Остовное дерево (остов) — это подграф данного графа, содержащий все его вершины и являющийся деревом. Рёбра графа, не входящие в остов, называются хордами графа относительно остова.
• Лес — множество (обычно упорядоченное), не содержащее ни одного непересекающегося дерева или содержащее несколько непересекающихся деревьев.

Двоичное дерево

Термин двоичное дерево (оно же бинарное дерево) имеет несколько значений:

• Неориентированное дерево, в котором степени вершин не превосходят 3.
• Ориентированное дерево, в котором исходящие степени вершин (число исходящих рёбер) не превосходят 2.
• Абстрактная структура данных, используемая в программировании. На двоичном дереве основаны такие структуры данных, как двоичное дерево поиска, двоичная куча, красно-чёрное дерево, АВЛ-дерево, фибоначчиева куча и др.

N-арные деревья

N-арные деревья определяются по аналогии с двоичным деревом. Для них также есть ориентированные и неориентированные случаи, а также соответствующие абстрактные структуры данных.

• N-арное дерево (неориентированное) — это дерево (обычное, неориентированное), в котором степени вершин не превосходят N+1.
• N-арное дерево (ориентированное) — это ориентированное дерево, в котором исходящие степени вершин (число исходящих рёбер) не превосходят N.

Свойства

• Дерево не имеет кратных рёбер и петель.
• Любое дерево с вершинами содержит ребро. Более того, конечный связный граф является деревом тогда и только тогда, когда , где  — число вершин,  — число рёбер графа.
• Граф является деревом тогда и только тогда, когда любые две различные его вершины можно соединить единственным элементарным путём.
• Любое дерево однозначно определяется расстояниями (длиной наименьшей цепи) между его концевыми (степени 1) вершинами.
• Любое дерево является двудольным графом. Любое дерево, содержащее счётное количество вершин, является планарным графом.
• Для любых трёх вершин дерева, пути между парами этих вершин имеют ровно одну общую вершину.

Подсчёт деревьев

• Число различных деревьев, которые можно построить на нумерованных вершинах, равно (Теорема Кэли^[3]).
• Производящая функция

для числа неизоморфных корневых деревьев с вершинами удовлетворяет функциональному уравнению

.

• Производящая функция

для числа неизоморфных деревьев с вершинами можно представить с помощью перечисляющего ряда для корневых деревьев:

• При верна следующая асимптотика

где и определённые константы, , .

Кодирование деревьев

Дерево можно кодировать наборами из нулей и единиц. Рассмотрим, например, укладку дерева на плоскости. Начиная с какой либо вершины, будем двигаться по ребрам дерева, сворачивая в каждой вершине на ближайшее справа ребро и поворачивая назад в концевых вершинах дерева. Проходя по некоторому ребру, записываем при движении по ребру в первый раз и при движении по ребру второй раз (в обратном направлении). Если  — число рёбер дерева, то через шагов мы вернемся в исходную вершину, пройдя по каждому ребру дважды. Полученная при этом последовательность из и (код дерева) длины позволяет однозначно восстанавливать не только само дерево , но и его укладку на плоскости. Произвольному дереву соответствуют несколько таких кодов. В частности, из этого способа кодирования вытекает следующая грубая оценка на число деревьев с вершинами:

См. также

• Словарь терминов теории графов
• Лес непересекающихся множеств

Примечания