递归数据结构的数学定义

递归数据结构的数学定义


2024年5月21日发(作者:)

电脑编程技巧与维护 

递归数据结构的数学定义 

付勇 

(新疆大学数学与系统科学学院,乌鲁木齐830044) 

摘要:分析了数据结构的构成,并在此基础上提出了诸如树型结构和广义表结构等递归的数据结构的数学定义。 

关键词:数据结构;数学定义;树形结构;广义表结构 

Mathematical Definitions for Recursive Data Structures 

FU Yong 

(College of Mathematics&System Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830044) 

Abstract:This paper analysis an argumentation about constituents of data structure and work out mathematical definitions 

for Recumive data structures such as trees and General lists. 

Key words:Data Structures;Mathematical Definition;Tree Stuctures;Generalr list Structures 

1 引言 

在许多数据结构教材中,对于一些简单的数据结构的逻 

辑表示,通常,除了采用自然语言的描述外,还可以给出确 

切的用数学语言描述的形式定义。 

线性表结构是由一组性质相同的数据元素的集合D和D 

上二元关系的集合R所组成,其形式定义为: 

LinearList=(D.R) 

用二元组给出树的定义: 

tree=fK. 1 

K={ ,l l ≤ .t7 0。 ,∈ElemT)p } 

其中,”为树中的结点数,n=O则为空树,r/ O则为非空 

树。对于一棵非空树,关系R应满足下列条件。 

(1)有且仅有一个结点没有前驱,该结点被称为树的根。 

(2)除根结点外,其余每个结点有且仅有一个前驱结点。 

(3)包括树根结点在内的每个结点,可以有任意多个 

(含0个)后继。 

其中 

D=i }I ≤”.,7≥0{ 

R={< ,.(,卜I>l l i≤"~1,/7≥0} 

上述形式定义用数学语言很好地描述了线性表结构是由 

这是一个对树的结点的集合采用了数学语言,而关系采 

用了文字描述的定义。 

同样,参考文献I3除了也有类似参考文献[13J】的说明 

外,在树的抽象数据类型定义中对树形结构还给出了如下的 

描述: 

组数据元素D组成,且元素之间的线性关系用刚青确地描述 

了出来。任何一个具体的线性表都可以用上述数学语言加以 

描述,并且,采用数学语言描述,更为精确全面,不会产生 

二义性。 

数据对象D:D是具有相同特性的数据元素的集合。 

数据关系R:若D为空集,则称为空树。 

若D仅含有一个元素,则R为空集,否则R={H},H是 

如下二元关系: 

然而,一些递归的数据结构诸如树型结构、广义表结构 

等似乎很难给出一个完全用数学语言描述的定义来,大多采 

用的是文字描述的形式,或者部分采用数学语言,部分采用 

文字描述。下面从参考文献中列举几个典型的对树的定义来 

说明这种情况。 

(1)在D中存在惟一的称为根的数据元素root,它在关系 

H下无前驱; 

(2)若D一{rootl≠ ,则存在D一{root}的一个划分D1, 

例如,参考文献【1】对树形结构的定义是: 

树是由/7(,7≥0)个结点组成的有限集合。如果n=0,称 

为空树;如果17≥0,则 

(1)有一个特定的称之为根(,。。f)的结点,它只有直接 

D2,…,Dm(m>0),对任意J≠k(1≤j,k≤m)有DjnDk= 

且对任意的i(1≤i≤m),唯一存在数据元素xi∈Di,有< 

(3)对应于D一{root】的划分,H一{<root,xl>,…,<root, 

root,xi>EH; 

后继,没有直接前驱。 

(2)除根以外的其他结点划分为m(m≥0)个互不相交 

的有限集合 . ,…, 小每个集合又是一棵树,并且称之 

为根的子树(sub e)。每个子树的根结点有且仅有一个直 

接前驱,但可以有0个或多个直接后继。 

xm>}有惟一存在的一个划分H1,H2,…,Hm(m>0),对任意 

j≠k(1≤j,k≤m)有HjnHk=中,且对任意的i(1≤i≤m), 

Hi是Di上的一个二元关系, (Di,{Hi})是一棵符合本定义 

的树,称为根root的子树。 

这是一个完全用文字进行描述的定义。 

参考文献【2】除了有类似参考文献【1]的说明外,对树 

这个描述尝试对树的关系的定义给出一种数学语言的描 

述。 

形结构还给出了如下的定义: 

在一棵树中,每个结点被定义为它的每个子树的根结点 

的前驱,而它的每个子树的根结点就成为它的后继。由此可 

树是一个有限的、非空的结点集。 

收稿日期:2011-04—11 

32≯ 2∥ 0语1 1.1瞄2与壤 与壤 

S0n WARE DEVEL0PMENT AND DESIGN 

T l, }u u u…u 

它具有下列性质: 

软件开发与设计 

D {d,I1 ,≤","≥【】j 

R={rI J1≤ ≤"7 , ≥Ol 

(1)集合指定的结点r,q做树的根结点。 

存储结构则是逻辑结构在计算机存储器中的映像。 

这个定义与原有定义的区别有两点。第一,它明确地说 

明了数据结构是一组数据元素及数据元素之间相互关系的静 

态结构,是其逻辑结构和存储结构的统称。其中,描述为一 

(2)其余的结点可以划分成,7个子集, , ,…, 

≥0),其中每一个子集都是一棵树。 

为方便起见,用符号 = , , ,…, }来表示树110 

该定义对结点的集合给出了一种非常简洁的定义,虽然 

组数据元素,而不是一组性质相同的数据元素,是对这一部 

已经表明了树定义的递归特性,但没有直接给出树中结点之 

间的关系。 

2 对现有数据结构形式定义的分析 

为什么会出现前面所述现象呢?其基本原因是什么呢? 

下面从现有的数据结构形式定义的分析来找出造成这种现象 

的原因所在。 

数据结构的形式定义是对一组关联的数据元素以及这些 

数据元素之间关系的一种逻辑表示形式。通常采用的是二元 

组的描述形式,即数据结构是由两部分构成的,其一是一组 

数据元素的集合(或称为聚集可能更为合适);其二是数据元 

素之间的关系的集合。数据结构的逻辑表示通常采用如下的 

形式定义: 

Data

— 

“c,z打 =(D,R) 

其中,D是一组性质相同的数据元素的有限集合,R是D 

上关系的有限集合。D和兄可表示为: 

D={c ll ,7 0j 

{r}l1 J≤ .m≥0) 

这个形式定义应该普遍适用于各种数据结构的定义,包 

括线性表、树、图以及广义表等数据结构。在表示线性这样 

简单结构甚至图这样的复杂结构,无论是形式定义还是一个 

具体线性表或者图,都能够很好地表示出来。对于树这样的 

具有递归特性的数据结构,如果是一个具体的树,可以用这 

样的定义表示出来,然而要给出一个普遍适用的形式定义, 

却出现了困难,似乎很难用数学语言的形式定义全面地描述 

出来。 

通常认为,在数据结构中D是一组性质相同的数据元素 

的有限集合。那么,在树这样的数据结构中,D则是由代表数 

据元素的结点的集合所构成。在这种情况下,对于一棵具体 

的树,可以用有序偶的集合来表示结点之间的关系 。但是, 

在进行树的形式定义时,就出现了问题,很难给出一种用数 

学语言描述的完整形式。问题的根源是认为D是一组性质相 

同的数据元素的有限集合,而树的基本关系是树的根结点与 

子树间的关系,这样,用树的结点之间的有序偶就无法表示 

这种关系了。 

3 新的数据结构的定义 

【定义】数据结构是一组数据元素及数据元素之间相互关 

系的静态结构,是数据的逻辑结构和存储结构的统称。 

其逻辑结构的形式定义为: 

Da, Strltcture=(D,R) 

其中,D是数据元素的聚集,JR是D上关系的集合。D和 

可表示为: 

分泛化的描述。例如,广义表是一种数据结构,但是,广义 

表中的数据元素有原子元素和子表元素两种性质不同的元素。 

作为形式定义的数据结构应该包括这种情况。第二,它指出 

形式定义中D是数据元素的聚集(Collection)。聚集的限制要 

更加宽松一些,允许聚集中元素的性质可以不同,也允许聚 

集中存在元素值相同(但被看作是不同)的元素。要比说明 

为集合(Set)更为准确和贴切一些。显然,集合是聚集的特 

例。同时,D的表示采用的是圆括号,以示区别。 ,是关系集 

合R中的一个关系, ,在原来的定义中通常是采用元素之间关 

系的序偶(有序的或无序的)集来表示。例如一个有a,b,c,d 4 

个元素的线性表,通常表示为,’=:<“ b>,<6.c>,<c。d>:, 

在新的定义中,为了使表示更为简洁,采用元素之间关系的 

序列(有序的或无序的)来表示,例如表示a,b,c,d 4个 

元素的有序序列时用尖括号加元素的序列表示,如 

r={<以,b,C,d>},而表示无序序列时用圆括号加元素的序 

列表示:r:{(臼,b,c, )}。当需要表示两个元素之间的关系 

时,自然就成为有序偶或无序偶。 

在这个基础上,递归的数据结构的定义就可以迎刃而解 

了。 

4递归的数据结构的定义 

对于具有递归特性的数据结构的定义,文献[4】的定义 

给出了一个非常好的启示。下而将对树和广义表这两种具有 

递归特性的数据结构加以分析,并给出相应的用数学语言描 

述的形式定义。 

4.1树结构的形式定义 

4.1.1一般树 

对于一棵最多具有k个分支的k叉树而言,每个结点的性 

质是相同的,D应该表示为这些结点的集合。在D中,除了 

根结点外,其余结点可以按子树 的结点划分为k个互不相交 

的子集,我们可以把这些子集看成是一种特殊的元素,这样, 

D就可以被认为是由一个根结点元素和k个互不相交的子集元 

素构成的聚集。即 

D=(“ ,, , ,…, f lar,,o, +k= ?,,7z≥0,k 0) 

在这里,D不再是性质相同的元素的集合,而是不同性质 

¨ Il 

的数据元素的聚集,m是聚集中元素的个数,Ila 。。rlI是树的根 

结点元素的个数,只有0或1两种值,k是结点 mo,的子树的 

I} I1 

个数。这样,当m=0则为空树,Ila iI=o,m>O则为非空树, 

l' {I 

la, 。fII=l,若k=o时,树中则只有一个根结点。 

另外,子树相对于根结点,子树的地位是相同的,它们 

‘稿 2技0巧11写.曩12护 ̄f 3

3 

电脑编程技巧与维护 

之间是并列的,且没有顺序之分,为_r简化表达式,约定子 

,●●● ●●●●‘●,●,●

l 

树集用如下符号表示: 

(T}: 2:…:7n^) 

其中,冒号表示子树之间是并列的,且互不相交,圆括 

号表示相互问无序。 

在这个基础上,就可以很容易地给出树的递归的形式定 

义: 

(D R) 

其中, 

D=( ,, 7 ,…,7 I l I, ,If+膏=nl,ii1 0,k 0) 

} 

I11 oH,J‘ 

= 

(7 埘,j 

,,7=I时 

< …,(7 

)>I k=,7卜I}Ill>l时 

在这里, 是树T的根结点, (1≤ 皮)是树T的一 

棵子树,子树也是一棵树。<(, { : :…: )>是有序偶, 

表示树 的根结点与子树集的二元关系,也同时表示了树T 

的根结点与每棵子树 之间的二元关系。 

这个定义清晰、简沽,并且很好地反映r树的递归特性。 

4.1.2二叉树 

对于一棵二叉树,除r一般树的特性外,左右子树又是 

有序的,定义中还要反映左右之别,其递归的形式定义为: 

BT=(D.R) 

其中, 

D:(“ 。 .B .B 1 0≤{ 。,l 5+ 8 5 +{lB ll=Ⅲ) 

" 刚、j 

f‘『I ; 

tn=1110 

f< … .<B >>i 

l叫1 1. trot,I=lII 

:<(} , <:B >>; 

, lI1 _=o IBr,Il=l 

:<“ ,< :>>j 

,”>lI J1f,; =l,II: ̄r 一)州‘ 

在这里,‘ r 是二叉树BT的根结点,口 是的BT左子 

树,艿 是BT的右子树,子树也是一棵二叉树,<疗 :曰 > 

表示左右子树是并列的且左右有序。有序偶 

< … <Br,:B >>是二叉树B了1的根结点与子树 ・,:,,,’) 

之间的二元关系。特别需要说明的是,南于二叉树左右子树 

是有序的,因此,在只有左子树或只有右子树的情况下,子 

树中间的冒号不能省略。 

4.I3二叉树表示示例 

给定一棵二叉树如图1所示。 

按照上述二叉树的形式定义,这棵二叉树的可表示为: 

BT=(D.R) 

其中, 

D:(甜.6 d P.g /) 

R:{< <b <d: .<g:>>:C.<:, >>>: 

在具体描述一棵树时,D只需将其中的元素依次展开用结 

点元素表示即可。上述描述中,D中的元素展开的结果显然是 

按先序遍历结点的顺序表示的结点元素的序列,由于D是元 

34, 

2O11.12 

, 

毫脯壤程技巧与 罐 

图I一棵二叉树举例 

素的聚集,与展开的顺序无关,因此,按层序遍历的顺序展 

开也是可以的。 则需要表现二叉树的层次和左右之别,有序 

偶是按递归的顺序以嵌套方式展开的,且左右有别,完整地 

反映了二叉树结点之间的层次和左右关系。 

4.2广义表结构的形式定义 

广义表也是一种递归的数据结构,是南原子元素(Atom 

Elements)和子表元素(Sub General Lists)组成的。子表元素 

也是一个广义表。 

4.2.1广义表的形式定义 

虽然广义表是一种递归的数据结构,但是其递归只是体 

现在子表中,而表中的元素与树中元素的层次关系不同,是 

种线性关系,因此,其形式定义也有差异。参考树形结构 

的形式定义,广义表的形式定义如下所示: 

GL=(D,R) 

其中,J)是一组原子元素和子表元素构成的有限聚集,是 

D上关系的有限集合。D和R可表示为: 

D=( ,I l i nl,nl 0,e ∈ 4lOmS或 ,∈GeneralLJsts) 

J{} nl=0时 

R={{el} nl=l时 

I{< , 2 … >} I11 2H,7 

在这里,<(,l, 2,… Ⅲ>是广义表元素的有序序列, 

这种表示方法要比采用有序偶的序列要更为简洁清晰。 

4.2-2广义表表示示例 

给定一个广义表如图2所示。 

按照上述广义表的形式定义,这个广义表的可表示为: 

GL=(D,只) 

其中, 

D ( h,£‘ d 

R={<“.(<“, ,c,(<d,e>)>),(<d, >) (J>} 

在具体描述一个广义表时,D只需将其中的元素依次展开 

( I 

图2一个广义表举例 (下转到l26页) 

电脑编程技巧与维护 

Function del

code(inCHar) Nst=replace(nst,“char(37)”,“&gt”) 

Nst=replace(nst,“”“”,“"”) 

cReture=’’” 

arr=split(inCHar,”%”) 

for each l in arr 

if i<>””then 

Nst=replace(nst,“;“,“;;”) 

Nst=replace(nst,“一一”,“一”) 

Nst=replace(nst,“ ”,“”) 

Nst=replace(nst,“%”,“”) 

Filter=nst 

cReture=cReture&chrW(eval(delcode(i))) 

endif 

next 

End fountion 

del

code=cReture 

1)利用过滤函数filter 0过滤录入用户名与密码中的危 

险符号的实现方法如下: 

Session(“usernanme”)=filter(request.form(“usernanme”)) 

Session(“password”)=filter(request.ofm(r“password”)) 

end function 

2 应用 

(1)在用户注册页而中,当对用户信息保存时,需应用 

add

code 0函数对用户密码进行加密。实现过程如下: 

1)读取表单中用户的注册信息,主要包括用户名、密 

2)当系统读取用户信息确定用户是合法用户后,再对用 

户登录密码与解密后的密码进行比较,关键语句如下: 

If del

code(rs(“password”)=session(“password”)then 

_

码、权限3项信息,在读取密码时利用add_eode函数对密码 

加密,关键代码如下: 

Password=add

code(request.form(“password”) 

Window.1ocation.href=‘main.asp’; 

3 结语 

在当今计算机应用已日益普及社会中,人们在生活和工 

2)检测用户信息,如该用户名信息存在,则禁止用户注 

册,否则将该注册用户信息添加到密码表中。 

(2)在用户登录页而中,首先利用自定义函数filter 0过 

滤录入用户名与密码中的危险符号,然后检测用户名与密码 

是否正确,如正确,再对用户密码进行判断是否使用自定义 

函数del_code 0进行解密。 

过滤函数filter 0如下: 

Function fliter(instring) 

Nst=replace(instring,“”,“”) 

作过程中越来越离不开计算机,借助计算机技术在提高工作 

效率并给我们带来巨大经济效益的同时,一些“黑客”的出 

现给计算机用户带来了很大的麻烦。虽然针对ASP技术介绍 

加密与解密的算法,依据该算法同样在其他技术中也能很好 

地将“黑客”拒之门外。 

参考文献 

【1]吕继迪,等.ASP程序开发范例宝典.人民邮电出版社, 

2009. 

Nst=replace(nst,“<”,“&It”) 

Nst=replace(nst,“>”,“&gt”) 

[2】罗耀军.数据库应用技术.中国铁道出版丰十,2008. 

Nst=replace(nst,“char(60)”,“&lt”) 

[3】王晓东.算法设计与分析.清华大学出版社,2008. 

(上接第34页) 

用原子元素表示即可。R则需要表现广义表的层次和同层元素 广义表结构可以表示为: 

的顺序之别。同一层次用尖括号表示其顺序性,其中的原子元 

GL={(<U1,c ,・・・ >)l ∈Atom., jc ∈GeneralLists, 

1 i≤ 7 , 0} 

素用元素值表示,子表则用网括号表示,子表同样用上述方式 

递推的表示,从而完整地表示了广义表的层次和顺序关系。 

图结构可以表示为: 

5 结语 

采用D和R所作的数据结构的形式定义的描述,有过度 

概念化之嫌。R本身已经包含有D中所表示的数据元素,没 

有必要把D刻意分离出来,因此,数据结构的形式定义完全 

可以将D和只的描述合二为一,即采用如下所述的更为简洁 

的方式。例如: 

线性表结构可以表示为: 

Graph={/V ,’, /I i≠./.1≤ ,., nl,nl≥0} 

其中,/ ,V,/表示图中由两个顶点构成的序偶,若有 

序,/Vi,V,/表示为<1’,,V,>,若无序,/v,,V,/表示为 

( ,r,)。 参考文献 

[1】殷人昆,等.数据结构(用面向对象方法与C++描述) 

【M】.北京:清华大学出版社,1999,7:163. 

[2]徐孝凯.数据结构实用教程[M].2版.北京:清华大学 

出版社,2006,9:178. 

L={< J, 2,…, >l,?≥0} 

集合结构可以表示为: 

S={(口1, :,…, )l 17≥0】 

普通树结构可以表示为: 

【3]严蔚敏,吴伟民.数据结构(C语言版)【M】.北京:清华 

,.’={<口 ,,( 7 -・・7:)>lI 

二叉树结构可以表示为: 

+k=nl, =,, —l,,},≥0; 

大学出版社,1979.4:1 18. 

【4¨美】Bruno R.Preiss,Data Structures and Algorithm with 

Object—Oriented Design Patterns in C++【M】.北京:电子工 

业出版社,2000,4:197—198. 

T={ , :T lI“l lj+Il曰 Il+lIBT;ll= , ”,≥0} 

1 20 11瞄.12与壤 


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