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Verified Commit f53f428d authored by orestis.malaspin's avatar orestis.malaspin
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View file @ f53f428d
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PDFOPTIONS += -F mermaid-filter
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......
slides/cours_15.md 0 → 100644
+ 929
− 0
View file @ f53f428d
---
title: "Arbres"
date: "2023-03-10"
---
# Les arbres: définition
"Un arbre est un graphe acyclique orienté possédant une unique racine, et tel que tous les nœuds sauf la racine ont un unique parent."
. . .
**Santé!**
## Plus sérieusement
* Ensemble de **nœuds** et d'**arêtes** (graphe),
* Les arêtes relient les nœuds entre eux, mais pas n'importe comment: chaque
nœud a au plus un **parent**,
* Le seul nœud sans parent est la **racine**,
* Chaque nœud a un nombre fini de **fils**,
* La hiérarchie des nœuds rend les arêtes **orientées** (parent -> fils), et empêche les
**cycles** (acyclique, orienté).
* La **feuille** ou **nœud terminal** est un nœud sans enfants,
* Le **niveau** est 1 à la racine et **niveau+1** pour les fils,
* Le **degré** d'un nœud est le nombre de fils du nœud.
. . .
* Chaque nœud est un arbre en lui même.
* La **récursivité** sera très utile!
# Arbre ou pas arbre?
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
1-->2;
1-->3;
3-->2;
3-->4;
3-->5;
```
::::
. . .
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
1-->2;
1-->3;
3-->4;
3-->5;
3-->6;
```
::::
:::
# Arbre ou pas arbre?
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
1-->2;
1-->3;
3-->4;
3-->5;
3-->6;
6-->7;
7-->3;
```
::::
. . .
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=300 loc=figs/}
graph TD;
1;
```
::::
:::
# Arbre ou pas arbre?
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
1---2;
1---3;
3---4;
3---5;
```
::::
. . .
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=300 loc=figs/}
graph BT;
1-->2;
1-->3;
3-->4;
3-->5;
3-->6;
```
::::
:::
# Degré et niveau
* Illustration du degré (nombre de fils) et du niveau (profondeur)
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
1[degré 2]-->2[degré 0];
1-->3[degré 3];
3-->4[degré 0];
3-->5[degré 0];
3-->6[degré 0];
```
::::
. . .
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=300 loc=figs/}
graph TD;
1[niveau 1]-->2[niveau 2];
1-->3[niveau 2];
3-->4[niveau 3];
3-->5[niveau 3];
3-->6[niveau 3];
```
::::
:::
* Les nœuds de degré 0, sont des feuilles.
# Application: recherche rapide
## Pouvez vous construire un arbre pour résoudre le nombre secret?
. . .
* Le nombre secret ou la recherche dichotomique (nombre entre 0 et 10).
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph LR;
5-->|<|2;
5-->|>|7;
7-->|>|8;
7-->|<|6;
8-->|>|9;
9-->|>|10;
2-->|<|1;
2-->|>|3;
3-->|>|4;
1-->|<|0;
```
::::
:::: column
**Question:** Quelle est la complexité pour trouver un nombre?
::::
:::
# Autres représentation
* Botanique
* **Exercice:** Ajouter les degrés/niveaux et feuilles
```{.mermaid width=250 format=pdf loc=figs/}
graph TD;
A-->B;
A-->C;
B-->D;
B-->E;
B-->F;
F-->I;
F-->J;
C-->G;
C-->H;
H-->K;
```
# Autres représentation
* Ensembliste
::: columns
:::: column
```{.mermaid width=300 format=pdf loc=figs/}
graph TD;
A-->B;
A-->C;
B-->D;
B-->E;
B-->F;
F-->I;
F-->J;
C-->G;
C-->H;
H-->K;
```
::::
. . .
:::: column
![](figs/ensemble.svg)
::::
:::
# Autres représentation
* Liste
::: columns
:::: column
```{.mermaid width=400 format=pdf loc=figs/}
graph TD;
A-->B;
A-->C;
B-->D;
B-->E;
B-->F;
F-->I;
F-->J;
C-->G;
C-->H;
H-->K;
```
::::
. . .
:::: column
```
(A
(B
(D)
(E)
(F
(I)
(J)
)
)
(C
(G)
(H
(K)
)
)
)
```
::::
:::
# Autres représentation
* Par niveau
::: columns
:::: column
```{.mermaid width=400 format=pdf loc=figs/}
graph TD;
A-->B;
A-->C;
B-->D;
B-->E;
B-->F;
F-->I;
F-->J;
C-->G;
C-->H;
H-->K;
```
::::
. . .
:::: column
```
1 2 3 4
-------------------------
A
B
D
E
F
I
J
C
G
H
K
```
::::
:::
# L'arbre binaire
* Structure de données abstraite,
* Chaque nœud a au plus deux fils: gauche et droite,
* Chaque fils est un arbre.
## Comment représenteriez vous une telle structure?
. . .
```C
<R, G, D>
R: racine
G: sous-arbre gauche
D: sous-arbre droite
```
## Comment cela s'écrirait en C?
. . .
```C
typedef struct _node {
contenu info;
struct _node *left, *right;
} node;
typedef node *tree;
```
# L'arbre binaire
## Que se passerait-il avec
```C
typedef struct _node {
int info;
struct _node left, right;
} node;
```
* On ne sait pas quelle est la taille de node, on ne peut pas l'allouer!
## Interface minimale
* Qu'y mettriez vous?
. . .
```C
NULL -> arbre (vide)
<n, arbre, arbre> -> arbre
visiter(arbre) -> nœud (la racine de l'arbre)
gauche(arbre) -> arbre (sous-arbre de gauche)
droite(arbre) -> arbre (sous-arbre de droite)
```
* Les autres opérations (insertion, parcours, etc) dépendent de ce qu'on stocke
dans l'arbre.
# Exemple d'arbre binaire
* Représentez `(c - a * b) * (d + e / f)` à l'aide d'un arbre binaire (matrix)
. . .
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
A[*]-->B[-];
B-->C[c];
B-->D[*];
D-->E[a];
D-->F[b];
A-->G[+];
G-->H[d];
G-->I["/"];
I-->J[e];
I-->K[f];
```
::::
:::: column
## Remarques
* L'arbre est **hétérogène**: le genre d'info est pas le même sur chaque nœud
(opérateur, opérande).
* Les feuilles contiennent les opérandes.
* Les nœuds internes contiennent les opérateurs.
::::
:::
# Parcours d'arbres binaires
* Appliquer une opération à tous les nœuds de l'arbre,
* Nécessité de **parcourir** l'arbre,
* Utiliser uniquement l'interface: visiter, gauche,
droite.
## Une idée de comment parcourir cet arbre?
* 3 parcours (R: Racine, G: sous-arbre gauche, D: sous-arbre droit):
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
A[*]-->B[-];
B-->C[c];
B-->D[*];
D-->E[a];
D-->F[b];
A-->G[+];
G-->H[d];
G-->I["/"];
I-->J[e];
I-->K[f];
```
::::
:::: column
1. Parcours **préfixe** (R, G D),
2. Parcours **infixe** (G, R, D),
3. Parcours **postfixe** (G, D, R).
::::
:::
# Le parcours infixe (G, R, D)
* Gauche, Racine, Droite:
1. On descend dans l'arbre de gauche tant qu'il est pas vide,
2. On visite la racine du sous arbre,
3. On descend dans le sous-arbre de droite (s'il est pas vide),
4. On recommence.
. . .
## Incompréhensible?
* La récursivité c'est la vie.
```
parcours_infixe(arbre a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_infixe(gauche(a))
visiter(A)
si est_pas_vide(droite(A))
parcours_infixe(droite(A))
```
# Graphiquement (dessinons)
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
A[*]-->B[-];
B-->C[c];
B-->D[*];
D-->E[a];
D-->F[b];
A-->G[+];
G-->H[d];
G-->I["/"];
I-->J[e];
I-->K[f];
```
::::
:::: column
```
parcours_infixe(arbre a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_infixe(gauche(a))
visiter(A)
si est_pas_vide(droite(A))
parcours_infixe(droite(A))
```
::::
:::
# Graphiquement (`mermaid` c'est super)
::: columns
:::: column
```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
graph TD;
A[*]-->B[-];
A[*]-.->|1|B[-];
B-->C[c];
B-.->|2|C[c];
C-.->|3|B;
B-->D[*];
B-.->|4|D;
D-->E[a];
D-.->|5|E;
E-.->|6|D;
D-->F[b];
D-.->|7|F;
F-.->|8|A;
A-->G[+];
A-.->|9|G;
G-->H[d];
G-.->|10|H;
H-.->|11|G;
G-->I["/"];
G-.->|12|I;
I-->J[e];
I-.->|13|J;
J-.->|14|I;
I-->K[f];
I-.->|15|K;
```
::::
:::: column
```
parcours_infixe(arbre a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_infixe(gauche(a))
visiter(A)
si est_pas_vide(droite(A))
parcours_infixe(droite(A))
```
## Remarque
Le nœud est visité à la **remontée**.
## Résultat
```
c - a * b * d + e / f
```
::::
:::
# Et en C?
## Live code
\footnotesize
. . .
```C
typedef int data;
typedef struct _node {
data info;
struct _node* left;
struct _node* right;
} node;
typedef node* tree_t;
void tree_print(tree_t tree, int n) {
if (NULL != tree) {
tree_print(tree->left, n+1);
for (int i = 0; i < n; i++) {
printf(" ");
}
printf("%d\n", tree->info);
tree_print(tree->right, n+1);
}
}
```
# Question
## Avez-vous compris le fonctionnement?
. . .
## Vous en êtes sûr·e·s?
. . .
## OK, alors deux exercices:
1. Écrire le pseudo-code pour le parcours R, G, D (matrix).
2. Écrire le pseudo-code pour la parcours G, D, R (matrix),
## Rappel
```
parcours_infixe(arbre a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_infixe(gauche(a))
visiter(A)
si est_pas_vide(droite(A))
parcours_infixe(droite(A))
```
# Correction
\footnotesize
* Les deux parcours sont des modifications **triviales**[^1] de l'algorithme
infixe.
## Le parcours postfixe
```python
parcours_postfixe(arbre a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_postfixe(gauche(a))
si est_pas_vide(droite(a))
parcours_postfixe(droite(a))
visiter(a)
```
## Le parcours préfixe
```python
parcours_préfixe(arbre a)
visiter(a)
si est_pas_vide(gauche(a))
parcours_préfixe(gauche(a))
si est_pas_vide(droite(a))
parcours_préfixe(droite(a))
```
. . .
**Attention:** L'implémentation de ces fonctions en C sont **à faire** en
exercice (inspirez vous de ce qu'on a fait avant)!
# Exercice: parcours
## Comment imprimer l'arbre ci-dessous?
```
f
/
e
+
d
*
c
-
b
*
a
```
. . .
## Bravo vous avez trouvé!
* Il s'agissait du parcours D, R, G.
# Implémentation
## Vous avez 5 min pour implémenter cette fonction et la poster sur matrix!
. . .
```C
void pretty_print(tree_t tree, int n) {
if (NULL != tree) {
pretty_print(tree->right, n+1);
for (int i = 0; i < n; ++i) {
printf(" ");
}
printf("%d\n", tree->info);
pretty_print(tree->left);
}
}
```
# Exercice supplémentaire (sans corrigé)
Écrire le code de la fonction
```C
int depth(tree_t t);
```
qui retourne la profondeur maximale d'un arbre.
Indice: la profondeur à chaque niveau peut-être calculée à partir du niveau des
sous-arbres de gauche et de droite.
# La recherche dans un arbre binaire
* Les arbres binaires peuvent retrouver une information très rapidement.
* À quelle complexité? À quelle condition?
. . .
## Condition
* Le contenu de l'arbre est **ordonné** (il y a une relation d'ordre (`<`, `>`
entre les éléments).
## Complexité
* La profondeur de l'arbre (ou le $\mathcal{O}(\log_2(N))$)
. . .
## Exemple: les arbres lexicographiques
* Chaque nœud contient une information de type ordonné, la **clé**,
* Par construction, pour chaque nœud $N$:
* Toutes clé du sous-arbre à gauche de $N$ sont inférieurs à la clé de $N$.
* Toutes clé du sous-arbre à droite de $N$ sont inférieurs à la clé de $N$.
# Algorithme de recherche
* Retourner le nœud si la clé est trouvée dans l'arbre.
```python
arbre recherche(clé, arbre)
tante_que est_non_vide(arbre)
si clé < clé(arbre)
arbre = gauche(arbre)
sinon si clé > clé(arbre)
arbre = droite(arbre)
sinon
retourne arbre
retourne NULL
```
# Algorithme de recherche, implémentation (live)
\footnotesize
. . .
```C
typedef int key_t;
typedef struct _node {
key_t key;
struct _node* left;
struct _node* right;
} node;
typedef node* tree_t;
tree_t search(key_t key, tree_t tree) {
tree_t current = tree;
while (NULL != current) {
if (current->key > X) {
current = current->gauche;
} else if (current->key < X){
current = current->droite;
} else {
return current;
}
}
return NULL;
}
```
# Exercice (5-10min)
Écrire le code de la fonction
```C
int tree_size(tree_t tree);
```
qui retourne le nombre total de nœuds d'un arbre et poster le résultat sur
matrix.
Indication: la taille, est 1 + le nombre de nœuds du sous-arbre de gauche
additionné au nombre de nœuds dans le sous-arbre de droite.
. . .
```C
int arbre_size(tree_t tree) {
if (NULL == tree) {
return 0;
} else {
return 1 + tree_size(tree->left)
+ tree_size(tree->right);
}
}
```
# L'insertion dans un arbre binaire
* C'est bien joli de pouvoir faire des parcours, recherches, mais si on peut
pas construire l'arbre....
## Pour un arbre lexicographique
* Rechercher la position dans l'arbre où insérer.
* Créer un nœud avec la clé et le rattacher à l'arbre.
# Exemple d'insertions
* Clés uniques pour simplifier.
* Insertion de 5, 15, 10, 25, 2, -5, 12, 14, 11.
* Rappel:
* Plus petit que la clé courante => gauche,
* Plus grand que la clé courante => droite.
* Faisons le dessins ensemble
```
```
## Exercice (3min, puis matrix)
* Dessiner l'arbre en insérant 20, 30, 60, 40, 10, 15, 25, -5
# Pseudo-code d'insertion (1/2)
* Deux parties:
* Recherche le parent où se passe l'insertion.
* Ajout du fils dans l'arbre.
## Recherche du parent
```
arbre position(arbre, clé)
si est_non_vide(arbre)
si clé < clé(arbre)
suivant = gauche(arbre)
sinon
suivant = droite(arbre)
tant que clé(arbre) != clé && est_non_vide(suivant)
arbre = suivant
si clé < clé(arbre)
suivant = gauche(arbre)
sinon
suivant = droite(arbre)
retourne arbre
```
# Pseudo-code d'insertion (2/2)
* Deux parties:
* Recherche de la position.
* Ajout dans l'arbre.
## Ajout du fils
```
ajout(arbre, clé)
si est_vide(arbre)
arbre = nœud(clé)
sinon
si clé < clé(arbre)
gauche(arbre) = nœud(clé)
sinon si clé > clé(arbre)
droite(arbre) = nœud(clé)
sinon
retourne
```
# Code d'insertion en C (1/2)
## Recherche du parent (ensemble)
. . .
```C
tree_t position(tree_t tree, key_t key) {
tree_t current = tree;
if (NULL != current) {
tree_t subtree = key > current->key ? current->right :
current->left;
while (key != current->key && NULL != subtree) {
current = subtree;
subtree = key > current->key ? current->right :
current->left;
}
}
return current;
}
```
[^1]: Copyright cours de mathématiques pendant trop d'années.
slides/figs/ensemble.svg 0 → 100644
+ 263
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View file @ f53f428d
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