Heaps

ARBOLES PARCIALMENTE ORDENADOS ESTRUCTURAS DE DATOS www.espol.edu.ec www.fiec.espol.edu.ec

CONCEPTOS Arbol Parcialmente Ordenado Es Binario Completo Con propiedad de orden Entre raiz e hijos, la raiz contiene el mayor(o menor) de todos Arbol Binario Completo Todos sus niveles estan completos A excepción del ultimo nivel, Alli las hojas van apareciendo seguidas de izquierda a derecha 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28

UTILIDAD DE UN HEAP Si el mayor valor esta siempre en la raiz El heap presenta un cierto orden Al remover consecutivamente la raiz Vamos consiguiendo valores ordenados El heap se utiliza Para el ordenamiento de elementos(HeapSort) Para implementar colas de prioridad QDesencolarMax, es retirar el valor de la raiz

IMPLEMENTACION Un heap no admite “huecos”, C/nivel se va llenando de izq. A der Hay una secuencia Podriamos numerar c/nodo En el orden de llenado 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Si lo vemos asi, dado un índice Podemos conocer los indices de los hijos y el padre de un nodo Ejemplo: Del nodo 4, hijos 8 y 9, padre 2 i*2 i*2+1 i/2 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28

CONTANDO DESDE 0 Queremos usar un vector En c/elemento almacenar la información Dirigirnos a hijos y padre calculando el índice respectivo Izq(i) = i*2 Der(i) = i*2+1 Padre(i) = i/2 Los vectores en C, empiezan desde 0 Cambia un poquito la regla Izq(i) = (i+1)*2-1 = i*2+1 Der(i) = (i+1)*2 = i*2+2 Padre(i) = (i+1)/2-1 = (i-1)/2 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

REGLAS Vector V de tamaño efectivo n V[0] es la raiz Dado un nodo V[i] Si 2i+1 < n, V[2i+1] es el hijo izq Si 2i+2 < n, V[2i+2] es el hijo der Si i != 0, v[(i-1)/2] es el padre Si es heap

DECLARACION: TDA HEAP Tipo de Dato Necesitamos un arreglo Llevar el tamaño efectivo Llevar el máximo del arreglo typedef struct{ Generico *Elementos; int nefectivo; int max; Tipo_Orden tipo; }Heap;

OPERACIONES BASICAS: TDA HEAP Desencolar y Encolar Desencolar: Extraer el elemento mas grande/pequeño del heap(la raiz) Encolar: Insertar un valor al heap y ubicarlo en la posicion correcta HeapSort Dado un Heap permite generar un arreglo/lista ordenado Operaciones Adicionales Ajustar Reestablece la propiedad de orden de un subheap hacia abajo No a todo el arbol! Construir_heap Dado un arreglo que no representa un heap Arregla el arreglo y lo convierte en un Heap

MAS OPERACIONES int PosIzq(Heap H, int i); Retorna el indice del nodo izq de i Si no cumple las reglas, retorna -1 int PosDer(Heap H, int i); Retorna el índice del nodo der de i Si no cumple las reglas, retorna -1 int PosPadre(Heap H, int i); Retorna el índice del nodo padre de i Si no cumple las reglas, retorna -1 Heap * Heap_Crear(int tmax, TipoOrden t); Recibe un heap y lo inicializa para tener un tamaño maximo tmax y un orden t(ascendente o descendente) bool EstaVacio(Heap P); Recibe un Heap y determina si esta Vacio

AJUSTAR Recobra la propiedad de orden Desde un nodo de índice pos Dado un índice pos, PosIzq y PosDer Se compararan los tres para ver quien tiene el mayor Si el mayor lo tiene algun hijo Intercambia Al hacer esto, el sub-heap afectado puede perder su propiedad de Orden…. Ajustar el sub-heap afectado

AJUSTAR: EJEMPLO Un heap puede perder su p.o. Por un nodo Ejemplo: En el nodo 1 no se cumple Ajustar El mayor es el nodo 3 Intercambiar Ajustar desde nodo intercambiado(3) Ejemplo: En el nodo 3 no se cumple Ajustar El mayor es el nodo 3 Intercambiar Ajustar Otra Vez Ejemplo: No se puede ajustar un nodo hoja 150 60 75 80 30 25 72 20 70 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 150 60 75 80 30 25 72 20 70 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60 80 Pos PosMayor 80 60 Pos 70 PosMayor 70 60 150 80 75 70 30 25 72 20 60 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

AJUSTAR: IMPLEMENTACION static void Heap_Ajustar(Heap *H, int posnodo, Generico_fnComparar comocomparar){ int pos_mayor, izq, der; pos_mayor = posnodo; izq = IdxIzquierdo(*H, posnodo); der = IdxDerecho(*H, posnodo); if(izq>=0 && Heap_CompararxTipo(H->tipo_orden,H->Elementos[izq], H->Elementos[posnodo],comocomparar) ) pos_mayor = izq; if(der>=0 && Heap_CompararxTipo(H->tipo_orden,H->Elementos[der], H->Elementos[pos_mayor], comocomparar)) pos_mayor = der; if(pos_mayor != posnodo){ Generico_Intercambiar(&(H->Elementos[pos_mayor]), &(H->Elementos[posnodo])); Heap_Ajustar(H,pos_mayor,comocomparar); } }

CONSTRUIR UN HEAP La estructura de un heap Puede almacenar un arreglo que no cumpla las propiedades de orden Ejemplo: Hay que arreglar la propiedad de orden De cada raiz Ajustar c/raiz Desde la ultima a la primera 15 1 28 35 10 5 8 21 50 42 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15 1 28 35 10 5 8 21 50 42 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

CONSTRUIR HEAP: EJEMPLO Ajustar el ultimo nodo raiz Los nodos raiz comienzan desde 0 hasta n/2-1 Al ajustar cada nodo De atrás hacia delante Nos aseguramos que los valores mas altos suban! 15 1 28 35 10 5 8 21 50 42 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15 1 28 35 10 5 8 21 50 42 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 42 10 50 35 28 50 1 35 1 50 15 42 15 50 42 28 35 15 5 8 21 1 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

CONSTRUIR HEAP: IMPLEMENTACION void Construir_Heap(Heap *H, Generico_fncomparar comocomparar){ int i; for(i = H->n/2-1; i >= 0; i--){ Heap_Ajustar(H,i,comocomparar); } }

DESENCOLAR Que importancia tiene la raiz en el heap? Es el mayor/menor elemento del mismo Sobre el resto de elementos no estamos seguros Pero de la raiz, es la mayor de todos Desencolar es eliminar la raiz Que valor se ubica en la nueva raiz? El ultimo reemplaza al primero El tamaño efectivo del heap cambia Se ajusta desde la raiz El arbol queda bien otra vez

DESENCOLAR: EJEMPLO Intercambiar valores Raiz con ultimo Aminorar tamaño efectivo Ajustar arbol 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 28 28 125 75 80 30 25 72 15 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 125 28 28 80 125 80 75 28 30 25 72 15 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8

DESENCOLAR: IMPLEMENTACION Generico Heap_DesEnColar(Heap *H, Generico_fnComparar comocomparar){ Generico gmax; if(!Heap_EstaVacio(*H)){ gmax = H->Elementos[0]; Generico_Intercambiar(&(H->Elementos[0]), &(H->Elementos[H->nefectiva-1])); H->nefectiva --; Heap_Ajustar(H, 0, comocomparar); return gmax; } return NULL; }

HEAPSORT Uno de los usos de los heaps es ordenar Como? Extraer el mayor elemento del heap(raiz) Ponerla al final de otro arreglo Repetir los dos ultimos pasos hasta que el Heap quede Vacio El arreglo quedara ordenado

HEAPSORT: EJEMPLO Desencolar y ponerlo al final del nuevo arreglo/lista Repetir hasta que el arbol quede vacio 72 25 15 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 28 15 0 20 1 25 2 28 3 30 4 72 5 75 6 80 7 125 8 150 9 125 80 20 28 125 80 75 28 30 25 72 15 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 80 30 15 20 80 30 75 28 20 25 72 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 75 15 15 75 30 72 28 20 25 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 72 15 15 72 30 25 28 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 28 20 15 30 28 25 15 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 28 15 20 28 20 25 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 15 25 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 15 20 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

HEAPSORT: IMPLEMENTACION LSE *HeapSort(LSE *Desordenada, Generico_fncomparar comocomparar){ Heap H; LSE_nodo *p; p = LSE_NodoPrimero(Desordenada); while(!LSE_EstaVacia(Desordenada)) { Heap_Encolar(&H,LSE_SacarPrimerNodo(Desordenada),comocomparar) } while(Heap_EstaVacio(H)){ LSE_InsertarInicio(Desordenada, Heap_Desencolar(H, comocomparar); } return Desordenada; }

ENCOLAR Al añadir un nuevo elemento el Heap DEBE conservar su propiedad de orden Se añade al final del arreglo El elemento empieza a subir a su posición ideal Comparando siempre con el padre Hasta que el valor insertado sea menor que el del padre

ENCOLAR: EJEMPLO Insertar al final Subir el valor hasta que ya no sea necesario Nuevo valor: 130 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 150 125 75 80 30 25 72 15 20 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 130 10 130 130 30 130 125

ENCOLAR: IMPLEMENTACION void Heap_EnColar(Heap *H, Generico G, Generico_fnComparar comocomparar){ int padre, i; if(H->nefectiva < H->max){ H->Elementos[H->nefectiva] = G; H->nefectiva++; i = H->nefectiva-1; padre = IdxPadre(*H,i); while((i>=0 && padre>=0) && Heap_CompararxTipo(H->tipo_orden, H->Elementos[i], H->Elementos[padre], comocomparar)){ Generico_Intercambiar(&(H->Elementos[i]), &(H->Elementos[padre])); i = padre; padre = IdxPadre(*H,i); } } }

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