Иван Братко - Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта

встав( Д3, X, НД3а, Мб, НД3б).

Рис. 10.6. Вставление элемента в 2-3 справочник. В этой программе предусмотрено, что попытка повторного вставления элемента терпит неудачу.

Программа для вставления нового элемента в 2-3 справочник показана полностью на рис. 10.6. На рис. 10.7 показана программа вывода на печать 2-3 деревьев.

Наша программа иногда выполняет лишние возвраты. Так, если вставс тремя аргументами терпит неудачу, то вызывается процедура вставс пятью аргументами, которая часть работы делает повторно. Можно устранить источник неэффективности, если, например, переопределить вставкак

встав2( Дер, X, Деревья)

где Деревья — список, состоящий либо из одного, либо из трех аргументов:

Деревья = [ НовДер] ,если встав( Дер, X, НовДер)

Деревья = [ НДа, Мб, НДб],

если встав( Дер, X, НДа, Мб, НДб)

Теперь отношение доб23можно переопределить так:

доб23( Д, X, Д1) :-

встав( Д, X, Деревья),

соединить( Деревья, Д1).

Отношение соединитьформирует одно дерево Д1 из деревьев, находящихся в списке Деревья.

% Отображение 2-3 справочников

отобр(Д) :-

отобр( Д, 0).

отобр( nil, _ ).

отобр( л(А), H) :-

tab( H), write( A), nl.

отобр( в2( Д1, М, Д2), H) :-

H1 is H + 5,

отобр( Д2, H1),

tab( H), write( --), nl,

tab( H), write( M), nl,

tab( H), write( --), nl,

отобр( Д1, H1).

отобр( в3( Д1, M2, Д2, М3, Д3), H) :-

H1 is H + 5

отобр( Д3, H1),

tab( H), write( --), nl,

tab( H), write( M3), nl,

отобр( Д2, H1),

tab( H), write( M2), nl,

tab( H), write( --), nl,

отобр( Д1, H1).

(a)

15

--

15

--

13

--

13

--

12

--

12

10

10

--

8

--

8

--

7

--

7

--

--

5

--

4

--

4

3

3

--

1

AVL-дерево — это дерево, обладающее следующими свойствами:

(1) Левое и правое поддеревья отличаются по глубине не более чем на 1.

(2) Оба поддерева являются AVL-деревьями.

Деревья, удовлетворяющие этому определению, могут быть слегка разбалансированными. Однако можно показать, что даже в худшем случае глубина AVL-дерева примерно пропорциональна log n , где n — число вершин дерева. Таким образом гарантируется логарифмический порядок производительности операций внутри, добавитьи удалить.

Операции над AVL-деревом работают по существу так же, как и над двоичным справочником. В них только сделаны добавления, связанные с поддержанием приближенной сбалансированности дерева. Если после вставления или удаления дерево перестает быть приближенно сбалансированным, то специальные механизмы возвращают ему требуемую степень сбалансированности. Для того, чтобы эффективно реализовать этот механизм, нам придется сохранять некоторую дополнительную информацию относительно степени сбалансированности дерева. На самом деле, нам нужно знать только разность между глубинами поддеревьев, которая может принимать значения -1, 0 или +1. Тем не менее для простоты мы предпочтем сохранять сами величины глубин поддеревьев, а не разности между ними.

Мы определим отношение вставления элемента как

доб_avl( Дер, X, НовДер)

где оба дерева Дери НовДер — это AVL-деревья, причем НовДерполучено из Дервставлением элемента X. AVL-деревья будем представлять как термы вида

д( Лев, А, Прав)/Глуб

где А — корень, Леви Прав — поддеревья, а Глуб — глубина дерева. Пустое дерево изображается как nil/0. Теперь рассмотрим вставление элемента X в непустой AVL-справочник

Дер = д( L, A, R)/H

Рис. 10.8. Задача вставления элемента в AVL-справочник (a) AVL-дерево перед вставлением X, X > А; (b) AVL-дерево после вставления X в R; (с) составные части, из которых следует построить новое дерево.

Начнем со случая, когда X больше А. X необходимо вставить в R, поэтому имеем следующее отношение:

доб_аv1( R, X, д( R1, В, R2)/Hb)

На рис. 10.8 показаны составные части, из которых строится дерево НовДер:

L, А, R1, В, R2

Какова глубина деревьев L, R, R1 и R2? L и R могут отличаться по глубине не более, чем на 1. На рис. 10.8 видно, какую глубину могут иметь R1 и R2. Поскольку в R был добавлен только один элемент X, только одно из поддеревьев R1, R2 может иметь глубину h+1.

Рис. 10.9. Три правила построения нового AVL-дepевa.

В случае, когда X меньше, чем А, имеем аналогичную ситуацию, причем левое и правое поддеревья меняются местами. Таким образом, в любом случае мы должны построить дерево НовДер, используя три дерева (назовем их Дер1, Дер2и Дер3) и два отдельных элемента А и В. Теперь рассмотрим вопрос: как соединить между собой эти пять составных частей, чтобы дерево НовДербыло AVL-справочником? Ясно, что они должны располагаться внутри НовДерв следующем порядке (слева направо):

Дер1, А, Дер2, В, Дер3

Рассмотрим три случая:

(1) Среднее дерево Дер2глубже остальных двух деревьев.

(2) Дер1имеет глубину не меньше, чем Дер2и Дер3.

(3) Дер3имеет глубину не меньше, чем Дер2и Дер1.

На рис. 10.9 видно, как можно построить дерево НовДерв каждом из этих трех случаев. Например, в случае 1 среднее дерево Дер2следует разбить на два части, а затем включить их в состав НовДер. Три правила, показанные на pис.10.9, нетрудно запасать на Прологе в виде отношения

соединить( Дер, А, Дер2, В, Дер3, НовДер)

Последний аргумент НовДер — это AVL-дерево, построенное из пяти составных частей, пяти первых аргументов. Правило 1, например, принимает вид:

соединить( Д1/Н1, А, д( Д21, В, Д22)/Н2, С, Д3/Н3,

% Пять частей

д( д( Д1/Н1, А, Д21)/На, В, д( Д22, С, Д3/Н3)/Нс)/Нb) :-

% Результат

H2 > H1, H2 > Н3, % Среднее дерево глубже остальных

На is Н1 + 1, % Глубина левого поддерева

Нс is Н3 + 1, % Глубина правого поддерева

Hb is На + 1, % Глубина всего дерева

Программа доб_аvl, вычисляющая также глубину дерева и его поддеревьев, показана полностью на рис. 10.10.