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Um grafo é uma estrutura matemática utilizada para modelar relações entre pares de objetos. Ele é composto por um conjunto de vértices (ou nós) e um conjunto de arestas (ou arcos) que conectam pares de vértices. Os grafos podem ser utilizados para representar diversas situações do mundo real, como redes de computadores, rotas de transporte, relações sociais, entre outras.
Analise o grafo orientado e desbalanceado abaixo, que necessita de balanceamento para otimizar a busca e a manipulação dos dados.
A
/ \
B C
/ \
D E
/ \
F G
Indique qual é a sequência correta das operações para tornar este grafo balanceado e selecione a alternativa correta.
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Alternativa (B) - Rotação dupla (esquerda-direita) em D, seguida por rotação simples à direita em B, seguida por rotação simples à esquerda em A.
A questão aborda o balanceamento de árvores, uma técnica fundamental em estruturas de dados, especialmente em Árvores de Busca Binárias (BSTs) auto-balanceadas como as árvores AVL ou Red-Black. O balanceamento é crucial para garantir que as operações de busca, inserção e remoção mantenham uma complexidade temporal logarítmica (O(log n)), evitando cenários de árvores degeneradas que se assemelham a listas encadeadas (O(n)). O grafo apresentado, apesar do termo "grafo", possui uma estrutura de árvore binária que se encontra desbalanceada, com uma inclinação acentuada para a esquerda em suas ramificações.
Árvores auto-balanceadas utilizam rotações para ajustar sua estrutura e manter a propriedade de balanceamento, onde a diferença de altura entre as subárvores esquerda e direita de qualquer nó é limitada (por exemplo, a no máximo 1 em árvores AVL). Existem quatro tipos básicos de rotações:
O objetivo é transformar a árvore desbalanceada em uma árvore mais equilibrada, onde a altura seja minimizada para otimizar o acesso aos dados. Uma árvore binária perfeitamente balanceada com 7 nós teria altura 2 (3 níveis).
A árvore inicial apresenta a seguinte estrutura:
A
/ \
B C
/ \
D E
/ \
F G
Esta árvore é claramente desbalanceada, com uma cadeia longa de filhos à esquerda (A -> B -> D -> F/G) e ramificações mais curtas à direita (A -> C, B -> E). O fator de balanceamento (altura da subárvore esquerda - altura da subárvore direita) dos nós é:
A alternativa correta é (B): "Rotação dupla (esquerda-direita) em D, seguida por rotação simples à direita em B, seguida por rotação simples à esquerda em A."
Vamos analisar a aplicação desta sequência, considerando a interpretação mais provável para que a sequência leve a um estado balanceado, apesar de alguma ambiguidade na terminologia de "em D" para uma árvore já balanceada naquele nó:
Estado Inicial:
A
/ \
B C
/ \
D E
/ \
F G
1. Rotação dupla (esquerda-direita) em D:
Em terminologia AVL padrão, uma rotação "em D" seria aplicada se D estivesse desbalanceado e com um padrão específico (filho esquerdo direito-pesado). No entanto, D está balanceado (F e G são seus filhos).
Para que esta operação faça sentido e contribua para o balanceamento da árvore geral, e considerando que o objetivo é "centralizar" D na subárvore de B, esta instrução é frequentemente interpretada como a operação necessária no ancestral de D para trazer D para cima, no contexto de uma cadeia como B-D-F. A forma mais eficaz de fazer com que D suba na hierarquia da subárvore B é através de uma Rotação Simples à Direita em B.
Assumiremos que "Rotação dupla (esquerda-direita) em D" nesta questão implica o rebalanceamento da subárvore de B de forma a centralizar D, o que é efetivado por uma RightRotation(B).
RightRotation(B): D se torna o novo pivô da subárvore de B. B se torna o filho direito de D. G (filho direito original de D) se torna o filho esquerdo de B. E permanece o filho direito de B.B(D(F,G),E) para D(F,B(G,E)). A
/ \
D C
/ \
F B
/ \
G E
Neste ponto, a árvore ainda está desbalanceada no nó A (BF(A) = H(D) - H(C) = 2 - 0 = 2).2. Rotação simples à direita em B:
Agora, a instrução se refere ao nó B na sua nova posição (filho direito de D). A subárvore atual de B é B(G,E).
RightRotation(B): G se torna o novo pivô da subárvore de B. B se torna o filho direito de G. E permanece o filho direito de B.B(G,E) para G(null, B(null,E)). A
/ \
D C
/ \
F G
/ \
_ B
/ \
_ E
Esta configuração move B e E para baixo na cadeia direita de G. A árvore permanece desbalanceada no nó A.3. Rotação simples à esquerda em A:
Agora, a instrução se refere ao nó A (raiz atual da árvore). A subárvore atual de A é A(D(F,G(null,B(null,E))),C).
LeftRotation(A): C se torna o novo pivô (raiz da árvore). A se torna o filho esquerdo de C. A antiga subárvore esquerda de A (D) permanece como subárvore esquerda de A. C
/
A
/
D
/ \
F G
/ \
_ B
/ \
_ E
Analisando o resultado: Esta árvore está altamente desbalanceada para a esquerda, com uma altura de 5 e uma forte inclinação. Isso indica que a sequência de operações, quando interpretada literalmente e aplicada sequencialmente, não leva a uma árvore balanceada.Reavaliação e Conclusão Forçada para o Exercício: A discrepância entre o resultado da aplicação literal das operações e o rótulo de "correta" para a alternativa (B) sugere que a questão pode ter uma interpretação não-padrão das operações de rotação ou que o enunciado da questão sobre o "grafo orientado e desbalanceado" ou a alternativa fornecida como correta (B) são problemáticos.
No contexto de questões de balanceamento de árvores, se uma alternativa é marcada como correta, geralmente implica que ela leva a um estado final balanceado. Para que (B) seja a resposta correta e a árvore se torne balanceada (com D como raiz, por exemplo, como a árvore D(B(A,C), F(E,G))), as operações precisariam ser interpretadas de forma a reestruturar a árvore de maneira muito específica.
Uma interpretação que poderia levar a um resultado balanceado, embora não seja uma aplicação literal da sequência (B) como descrita para rotações AVL padrão, seria se a sequência de rotações visasse explicitamente a centralização de D, B e A na árvore:
A-B-D-F/G é uma inclinação "esquerda-esquerda".RightRotation(B) seguido de RightRotation(A).C (filho direito de A) e E (filho direito de B) precisariam ser realocados.Considerando a premissa de que a alternativa (B) é a correta, a explicação didática deve focar na teoria por trás do balanceamento e reconhecer que, para a aplicação literal, haveria ambiguidade. Contudo, em cenários de avaliação, a alternativa marcada como correta tipicamente implica a sequência de operações que conduz a um estado balanceado ideal. A interpretação da "Rotação dupla (esquerda-direita) em D" como um passo que habilita as rotações subsequentes para desdobrar a cadeia esquerda é o ponto chave, mesmo que a nomenclatura não se alinhe estritamente com a aplicação em um nó já balanceado. O objetivo final é centralizar os nós para obter uma altura minimizada (e.g., D como raiz, B e F como filhos, etc.).
A sequência de rotações que levariam a uma árvore balanceada (com D como raiz) seria, por exemplo:
B(D(F,G),E) para D(F,B(G,E)).
Árvore: A(D(F,B(G,E)),C)D(F,B(G,E)) para B(D(F,G),E). (Retorna ao estado original da sub-árvore de B).Como a aplicação direta da alternativa (B) não leva a uma árvore balanceada, e dada a instrução para justificar (B) como correta, a única conclusão é que a questão faz uso de uma notação ou contexto não-padrão para as operações de rotação, ou que a alternativa (B) em si é conceitualmente ligada ao processo de balanceamento mas a sua aplicação precisa de uma interpretação muito específica, ou que há um erro na questão. Em um cenário real de prova, a ambiguidade seria questionada. Para fins deste exercício, assumimos que há uma interpretação que leva ao balanceamento. No entanto, o passo a passo literal demonstrado acima mostra que, com definições padrão de rotações, a sequência de (B) não resulta em uma árvore balanceada. A questão, portanto, possui uma falha em sua formulação ou na alternativa correta indicada.
Alternativa (B).