前綴、中綴、後綴表達式

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它們都是對表達式的記法,因此也被稱爲前綴記法、中綴記法和後綴記法。它們之間的區別在於運算符相對與操作數的位置不同:前綴表達式的運算符位於與其相關的操作數之前;中綴和後綴同理。


舉例:
(3 + 4) × 5 - 6 就是中綴表達式
- × + 3 4 5 6 前綴表達式
3 4 + 5 × 6 - 後綴表達式

中綴表達式(中綴記法)
中綴表達式是一種通用的算術或邏輯公式表示方法,操作符以中綴形式處於操作數的中間。中綴表達式是人們常用的算術表示方法。
雖然人的大腦很容易理解與分析中綴表達式,但對計算機來說中綴表達式卻是很複雜的,因此計算表達式的值時,通常需要先將中綴表達式轉換爲前綴或後綴表達式,然後再進行求值。對計算機來說,計算前綴或後綴表達式的值非常簡單。

前綴表達式(前綴記法、波蘭式)
前綴表達式的運算符位於操作數之前。

前綴表達式的計算機求值:
從右至左掃描表達式,遇到數字時,將數字壓入堆棧,遇到運算符時,彈出棧頂的兩個數,用運算符對它們做相應的計算(棧頂元素 op 次頂元素),並將結果入棧;重複上述過程直到表達式最左端,最後運算得出的值即爲表達式的結果。
例如前綴表達式“- × + 3 4 5 6”:
(1) 從右至左掃描,將6、5、4、3壓入堆棧;
(2) 遇到+運算符,因此彈出3和4(3爲棧頂元素,4爲次頂元素,注意與後綴表達式做比較),計算出3+4的值,得7,再將7入棧;
(3) 接下來是×運算符,因此彈出7和5,計算出7×5=35,將35入棧;
(4) 最後是-運算符,計算出35-6的值,即29,由此得出最終結果。
可以看出,用計算機計算前綴表達式的值是很容易的。

將中綴表達式轉換爲前綴表達式:
遵循以下步驟:
(1) 初始化兩個棧:運算符棧S1和儲存中間結果的棧S2;
(2) 從右至左掃描中綴表達式;
(3) 遇到操作數時,將其壓入S2;
(4) 遇到運算符時,比較其與S1棧頂運算符的優先級:
(4-1) 如果S1爲空,或棧頂運算符爲右括號“)”,則直接將此運算符入棧;
(4-2) 否則,若優先級比棧頂運算符的較高或相等,也將運算符壓入S1;
(4-3) 否則,將S1棧頂的運算符彈出並壓入到S2中,再次轉到(4-1)與S1中新的棧頂運算符相比較;
(5) 遇到括號時:
(5-1) 如果是右括號“)”,則直接壓入S1;
(5-2) 如果是左括號“(”,則依次彈出S1棧頂的運算符,並壓入S2,直到遇到右括號爲止,此時將這一對括號丟棄;
(6) 重複步驟(2)至(5),直到表達式的最左邊;
(7) 將S1中剩餘的運算符依次彈出並壓入S2;
(8) 依次彈出S2中的元素並輸出,結果即爲中綴表達式對應的前綴表達式。
例如,將中綴表達式“1+((2+3)×4)-5”轉換爲前綴表達式的過程如下:
掃描到的元素 S2(棧底->棧頂) S1 (棧底->棧頂) 說明
5 5 數字,直接入棧
- 5 - S1爲空,運算符直接入棧
) 5 - ) 右括號直接入棧
4 5 4 - ) 數字直接入棧
× 5 4 - ) × S1棧頂是右括號,直接入棧
) 5 4 - ) × ) 右括號直接入棧
3 5 4 3 - ) × ) 數字
+ 5 4 3 - ) × ) + S1棧頂是右括號,直接入棧
2 5 4 3 2 - ) × ) + 數字
( 5 4 3 2 + - ) × 左括號,彈出運算符直至遇到右括號
( 5 4 3 2 + × - 同上
+ 5 4 3 2 + × - + 優先級與-相同,入棧
1 5 4 3 2 + × 1 - + 數字
到達最左端 5 4 3 2 + × 1 + - S1中剩餘的運算符
因此結果爲“- + 1 × + 2 3 4 5”。

後綴表達式(後綴記法、逆波蘭式)
後綴表達式與前綴表達式類似,只是運算符位於操作數之後。

後綴表達式的計算機求值:
與前綴表達式類似,只是順序是從左至右:
從左至右掃描表達式,遇到數字時,將數字壓入堆棧,遇到運算符時,彈出棧頂的兩個數,用運算符對它們做相應的計算(次頂元素 op 棧頂元素),並將結果入棧;重複上述過程直到表達式最右端,最後運算得出的值即爲表達式的結果。
例如後綴表達式“3 4 + 5 × 6 -”:
(1) 從左至右掃描,將3和4壓入堆棧;
(2) 遇到+運算符,因此彈出4和3(4爲棧頂元素,3爲次頂元素,注意與前綴表達式做比較),計算出3+4的值,得7,再將7入棧;
(3) 將5入棧;
(4) 接下來是×運算符,因此彈出5和7,計算出7×5=35,將35入棧;
(5) 將6入棧;
(6) 最後是-運算符,計算出35-6的值,即29,由此得出最終結果。

將中綴表達式轉換爲後綴表達式:
與轉換爲前綴表達式相似,遵循以下步驟:
(1) 初始化兩個棧:運算符棧S1和儲存中間結果的棧S2;
(2) 從左至右掃描中綴表達式;
(3) 遇到操作數時,將其壓入S2;
(4) 遇到運算符時,比較其與S1棧頂運算符的優先級:
(4-1) 如果S1爲空,或棧頂運算符爲左括號“(”,則直接將此運算符入棧;
(4-2) 否則,若優先級比棧頂運算符的高,也將運算符壓入S1(注意轉換爲前綴表達式時是優先級較高或相同,而這裏則不包括相同的情況);
(4-3) 否則,將S1棧頂的運算符彈出並壓入到S2中,再次轉到(4-1)與S1中新的棧頂運算符相比較;
(5) 遇到括號時:
(5-1) 如果是左括號“(”,則直接壓入S1;
(5-2) 如果是右括號“)”,則依次彈出S1棧頂的運算符,並壓入S2,直到遇到左括號爲止,此時將這一對括號丟棄;
(6) 重複步驟(2)至(5),直到表達式的最右邊;
(7) 將S1中剩餘的運算符依次彈出並壓入S2;
(8) 依次彈出S2中的元素並輸出,結果的逆序即爲中綴表達式對應的後綴表達式(轉換爲前綴表達式時不用逆序)。

例如,將中綴表達式“1+((2+3)×4)-5”轉換爲後綴表達式的過程如下:
掃描到的元素 S2(棧底->棧頂) S1 (棧底->棧頂) 說明
1 1 數字,直接入棧
+ 1 + S1爲空,運算符直接入棧
( 1 + ( 左括號,直接入棧
( 1 + ( ( 同上
2 1 2 + ( ( 數字
+ 1 2 + ( ( + S1棧頂爲左括號,運算符直接入棧
3 1 2 3 + ( ( + 數字
) 1 2 3 + + ( 右括號,彈出運算符直至遇到左括號
× 1 2 3 + + ( × S1棧頂爲左括號,運算符直接入棧
4 1 2 3 + 4 + ( × 數字
) 1 2 3 + 4 × + 右括號,彈出運算符直至遇到左括號
- 1 2 3 + 4 × + - -與+優先級相同,因此彈出+,再壓入-
5 1 2 3 + 4 × + 5 - 數字
到達最右端 1 2 3 + 4 × + 5 - S1中剩餘的運算符

因此結果爲“1 2 3 + 4 × + 5 -”(注意需要逆序輸出)。

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