(2021新教科版)高中信息技术必修一 3.2数据与结构(第二课时)教案.docx

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1、3.23.2 数据与结构数据与结构( (第二课时第二课时) ) 【教学目标】 了解树、图结构的基本概念及其特点。 根据数据结构的特点,会选用合适的数据结构组织数据解决简单的问题。 【教学重点】数据结构中的树结构和图结构。 【教学难点】数据结构中的树结构和图结构。 【教学过程】【教学过程】 一、引入一、引入 学生预习,阅读第 59、60 页“任务二探究快递配送过程”之“活动 1了解快递派送线路” ,完成 第 60 页的连点成树(见下图) 。教师检查,并评讲填写情况,引出树结构。 二、树结构二、树结构 1 1、树的递归定义:、树的递归定义: 树是由n(n0)个节点组成的有限集合。若n = 0,则称

2、为空树。任何一个非空树均满足以下两个条 件: (1)仅有一个称为根的节点。 (2)当n0时,其余节点可分为m(m0)个互不相交的有限集合,其中每个集合又是一棵树,并称 为根的子树。如下图所示树的结构:(图1) 2 2、树的常见概念、树的常见概念 1 1)树的结点:)树的结点: 结点结点:使用树结构存储的每一个数据元素都被称为“结点”。例如,图 1中,数据元素 A 就是一个 结点; 父结点(双亲结点)、子结点和兄弟结点:父结点(双亲结点)、子结点和兄弟结点:对于图 1(A)中的结点 A、B、C、D 来说,A 是 B、C、 D 结点的父结点(也称为“双亲结点”),而 B、C、D 都是 A 结点的子

3、结点(也称“孩子结点”)。对 于 B、C、D 来说,它们都有相同的父结点,所以它们互为兄弟结点。 树根结点树根结点(简称简称“根结点根结点”):每一个非空树都有且只有一个被称为根的结点。图 1(A)中,结点A 就是整棵树的根结点。树根的判断依据为:如果一个结点没有父结点,那么这个结点就是整棵树的根结点。 叶子结点:叶子结点:如果结点没有任何子结点,那么此结点称为叶子结点(叶结点)。例如图 1(A)中,结 点 K、L、F、G、M、I、J 都是这棵树的叶子结点。 2 2)子树与空树)子树与空树 子树子树:如图 1(A)中,整棵树的根结点为结点 A,而如果单看结点 B、E、F、K、L 组成的部分来说

4、, 也是棵树,而且节点 B 为这棵树的根结点。所以称 B、E、F、K、L 这几个结点组成的树为整棵树的子树; 同样,结点 E、K、L 构成的也是一棵子树,根结点为 E。 注意:单个结点也是一棵树,只不过根结点就是它本身。图 1(A)中,结点 K、L、F 等都是树,且 都是整棵树的子树。 知道了子树的概念后,树也可以这样定义:树是由根结点和若干棵子树构成的。 空树:空树:如果集合本身为空,那么构成的树就被称为空树。空树中没有结点。 补充:在树结构中,对于具有同一个根结点的各个子树,相互之间不能有交集。例如,图 1(A)中, 除了根结点 A,其余元素又各自构成了三个子树,根结点分别为 B、C、D,

5、这三个子树相互之间没有相同 的结点。如果有,就破坏了树的结构,不能算做是一棵树。 3 3)结点的度和层次)结点的度和层次 对于一个结点,拥有的子树数(结点有多少分支)称为结点的度(结点的度(DegreeDegree)。例如,图 1(A)中, 根结点 A 下分出了 3 个子树,所以,结点 A 的度为 3。 一棵树的度是树内各结点的度的最大值。图 1(A)表示的树中,各个结点的度的最大值为 3,所以, 整棵树的度的值是 3。 结点的层次结点的层次:从一棵树的树根开始,树根所在层为第一层,根的孩子结点所在的层为第二层,依次类 推。对于图 1(A)来说,A 结点在第一层,B、C、D 为第二层,E、F、

6、G、H、I、J 在第三层,K、L、M 在 第四层。 一棵树的深度(高度)是树中结点所在的最大的层次。图 1(A)树的深度为 4。 如果两个结点的父结点虽不相同,但是它们的父结点处在同一层次上,那么这两个结点互为堂兄弟。 例如,图 1(A)中,结点 G 和 E、F、H、I、J 的父结点都在第二层,所以之间为堂兄弟的关系。 4 4)有序树和无序树)有序树和无序树 如果树中结点的子树从左到右看,谁在左边,谁在右边,是有规定的,这棵树称为有序树;反之称为 无序树。 在有序树中,一个结点最左边的子树称为第一个孩子,最右边的称为最后一个孩子。 拿图 1(A)来说,如果是其本身是一棵有序树,则以结点 B 为

7、根结点的子树为整棵树的第一个孩子, 以结点 D 为根结点的子树为整棵树的最后一个孩子。 5 5)森林:)森林: 由 m(m = 0)个互不相交的树组成的集合被称为森林。图 1(A)中,分别以 B、C、D 为根结点的 三棵子树就可以称为森林。前面讲到,树可以理解为是由根结点和若干子树构成的,而这若干子树本身是 一个森林,所以,树还可以理解为是由根结点和森林组成的。用一个式子表示为: Tree =(root,F) 其中,root 表示树的根结点,F 表示由 m(m = 0)棵树组成的森林。 3 3、二叉树:、二叉树: 在日常的应用中, 我们讨论和用的更多的是树的其中一种结构,就是二叉树。 二叉树二

8、叉树是树的特殊一种, 具有如下特点: 1、每个结点最多有两颗子树,结点的度最大为2。 2、左子树和右子树是有顺序的,次序不能颠倒。 3、即使某结点只有一个子树,也要区分左右子树。 二叉树是一种比较有用的折中方案,它添加,删除元素都很快, 并且在查找方面也有很多的算法优化, 所以,二叉树既有链表的好处,也有数组的好处,是两者的优化方案,在处理大批量的动态数据方面非常 有用。来源:学|科|网Z|X|X|K 【说一说】社会、工作、生活中的树形结构实例: 快递公司物流配送体系快递公司物流配送体系 树结构之行政区划树结构之行政区划 来源来源:Z.xx.k.Com:Z.xx.k.Com 三、图结构三、图结

9、构 图结构是由一组节点(称为顶点)和一组节点间的连线(称为边或弧)构成的一种数据结构。图结构 中的每个顶点都可以与其他顶点有边相连,图结构中数据元素之间是多对多的关系。 1 1、常见的概念、常见的概念 1)顶点(顶点(vertex):):图中的数据元素,如图一。 2)边边(edge):图中连接这些顶点的线,如图一。 所有的顶点构成一个顶点集合, 所有的边构成边 的集合,一个完整的图结构就是由顶点集合和边集 合组成。图结构在数学上记为以下形式: G=(V,E) 或者 G=(V(G),E(G) 其中 V(G)表示图结构所有顶点的集合,顶点可以用不同的数字或者字母来表示。E(G)是图结构 中所有边的

10、集合,每条边由所连接的两个顶点来表示。 图结构中顶点集合 V(G)不能为空,必须包含一个顶点,而图结构边集合可以为空,表示没有边。 3)无向图无向图 如果一个图结构中,所有的边都没有方向性, 那么这种图便称为无向图。 典型的无向图, 如图二所 示。 由于无向图中的边没有方向性, 这样我们在表示 边的时候对两个顶点的顺序没有要求。例如顶点 VI 和顶点 V5 之间的边,可以表示为(V2, V6),也可以 表示为(V6,V2)。 (图二图二 无向图无向图) 对于图二无向图,对 应的顶点集合和边集合如下: V(G)= V1,V2,V3,V4,V5,V6 E(G)= (V1,V2),(V1,V3),(

11、V2,V6),(V2,V5),(V2,V4),(V4,V3),(V3, V5),(V5,V6) 4)有向图有向图 一个图结构中, 边是有方向性的, 那么这种图就称为 有向图,如图三所示。由于图的边有方向性,我们在表示 边的时候对两个顶点的顺序就有要求。我们采用尖括号表 示有向边,例如表示从顶点 V2 到顶点 V6,而 表示顶点 V6 到顶点 V2。 图三图三 有向图有向图 对于图三有向图,对应的顶点集合和边集合如下: V(G)= V1,V2,V3,V4,V5,V6 E(G)= , , 【说一说】社会、工作、生活中的图结构实例: 城市交通图(铁路网,公路网,航空网) 电话网、互联网 来源:学科网

12、ZXXK 【活动3】规划取快递最快路线 【朴素算法】穷举遍历,依次列出所有可能走法如图3.2.10。将图中每个节点进行编号, 编号互不相同:如作为根节点的“家”编号为“X”,其3个子节点(快递门店A,快递门店B, 快递门店C)分别编号为“A” “B” “C”,详见下图。 【算法演示 1】求解最短时间(基于图 3.2.10 的分析树) 【算法演示 2】求解最短时间(直接对图 3.2.9 进行深度优先遍历) 四、小结四、小结 树结构和图结构,是两种比较难的数据结构。 领会树结构和图结构的本质特征, 会用树结构、 图结构对工作学习生活中的具体问题进行抽象和分析, 解决一些简单问题。 本课中的Python程序,难度较大,可作为较高要求下的研习之用。 五、练习五、练习 人、狼、羊、菜过河问题:有一个人带着一只狼、一只羊和一捆白菜,来到一条河边,河边只有一条 小船, 人每次过河最多只能带一样, 如果人不在现场, 狼就要吃羊, 羊就要吃菜。 他应该怎样安排过河呢? 请完成下面的“树”结构分析图,帮他找到可行的过河方案。 提示:可约定对象在左岸用0表示,在右岸用1表示。 来源:学*科*网Z*X*X*K 要求:能以纸笔方式画出分析树得出结论即可。 (解答略) 六、课后作业:六、课后作业: 来源来源: :学科网学科网

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