0096. 不同的二叉搜索树

• 标签：树、二叉搜索树、数学、动态规划、二叉树
• 难度：中等

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题目大意

描述：给定一个整数 $n$。

要求：求以 $1$ 到 $n$ 为节点构成的「二叉搜索树」有多少种？

说明：

• $1 \le n \le 19$。

示例：

• 示例 1：

输入：n = 3
输出：5

• 示例 2：

输入：n = 1
输出：1

解题思路

思路 1：动态规划

一棵搜索二叉树的左、右子树，要么也是搜索二叉树，要么就是空树。

如果定义 $f[i]$ 表示以 $i$ 为根的二叉搜索树个数，定义 $g(i)$ 表示 $i$ 个节点可以构成的二叉搜索树个数，则有：

• $g(i) = f(1) + f(2) + f(3) + … + f(i)$。

其中当 $i$ 为根节点时，则用 $(1, 2, …, i - 1)$ 共 $i - 1$ 个节点去递归构建左子搜索二叉树，用 $(i + 1, i + 2, …, n)$ 共 $n - i$ 个节点去递归构建右子搜索树。则有：

• $f(i) = g(i - 1) \times g(n - i)$。

综合上面两个式子 $\begin{cases} g(i) = f(1) + f(2) + f(3) + … + f(i) \cr f(i) = g(i - 1) \times g(n - i) \end{cases}$ 可得出：

• $g(n) = g(0) \times g(n - 1) + g(1) \times g(n - 2) + … + g(n - 1) \times g(0)$。

将 $n$ 换为 $i$，可变为：

• $g(i) = g(0) \times g(i - 1) + g(1) \times g(i - 2) + … + g(i - 1) \times g(0)$。

再转换一下，可变为：

• $g(i) = \sum_{1 \le j \le i} \lbrace g(j - 1) \times g(i - j) \rbrace$。

则我们可以通过动态规划的方法，递推求解 $g(i)$，并求解出 $g(n)$。具体步骤如下：

1. 划分阶段

按照根节点的编号进行阶段划分。

2. 定义状态

定义状态 $dp[i]$ 表示为： $i$ 个节点可以构成的二叉搜索树个数。

3. 状态转移方程

$dp[i] = \sum_{1 \le j \le i} \lbrace dp[j - 1] \times dp[i - j] \rbrace$

4. 初始条件

• $0$ 个节点可以构成的二叉搜索树个数为 $1$（空树），即 $dp[0] = 1$。

5. 最终结果

根据我们之前定义的状态，$dp[i]$ 表示为： $i$ 个节点可以构成的二叉搜索树个数。。 所以最终结果为 $dp[n]$。

思路 1：代码

class Solution:
    def numTrees(self, n: int) -> int:
        dp = [0 for _ in range(n + 1)]
        dp[0] = 1
        for i in range(1, n + 1):
            for j in range(1, i + 1):
                dp[i] += dp[j - 1] * dp[i - j]
        return dp[n]

思路 1：复杂度分析

• 时间复杂度：$O(n^2)$。
• 空间复杂度：$O(n)$。

参考资料

• 【题解】画解算法：96. 不同的二叉搜索树 - 不同的二叉搜索树