Список заданий по продвинутым алгоритмам 2022 осень

1. Задания с 1 по 12 только для магистратуры. Бакалавриат пока отдыхает. Используя формулу Стирлинга $n!\approx \sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^n$ оцените, чему равна вероятность, что на $2n$ брошенных честных монетах выпадет поровну нулей и единиц. Найдите асимптотическое поведение при $n \to \infty$
2. Найдите распределение и математическое ожидание следующей случайной величины: число бросков нечестной монеты до первого выпадения 1.
3. 10 шаров раскладываются по 5 корзинам. Для каждого шара равновероятно выбирается, в какую корзину он помещается. Какое математическое ожидание числа пустах корзин? Числа корзин, содержащих ровно один шар?
4. Предложите метод генерации случайной перестановки порядка $n$ с равновероятным распределением всех перестановок, если мы умеем генерировать равномерно распределенное целое число от 1 до $k$ для любых небольших $k$ ($k = O(n)$).
5. Дает ли следующий метод равномерную генерацию всех перестановок? ""p = [1, 2, ..., n]; for i from 1 to n: swap(p[i], p[random(1..n)] )""
6. Рассмотрим следующий метод генерации случайной перестановки. Применим алгоритм из задания 5, а затем к получившейся перестановке верный алгоритм из задания 4. Будет ли полученное распределение на перестановках равномерным? Применим верный алгоритм из задания 4, а затем к получившейся перестановке алгоритм из задания 5. Будет ли полученное распределение на перестановках равномерным?
7. Предложите метод генерации случайного сочетания из $n$ по $k$ с равновероятным распределением всех сочетаний, если мы умеем генерировать равномерно распределенное целое число от 1 до $t$ для любых небольших $t$ ($t = O(n)$), использующий $O(k)$ времени и памяти.
8. Улучшить неравенство Маркова в общем случае нельзя. Докажите, что для любого $c > 1$ найдется такая неотрицательная случайная величина $\xi$, что $P(\xi \ge cE\xi) = 1/c$.
9. Можно ли подобрать такую неотрицательную случайную величину $\xi$, чтобы для двух различных $c_1 > 1$ и $c_2 > 1$ выполнялось $P(\xi \ge c_iE\xi) = 1/c_i$ ($i \in \{1, 2\}$)?
10. Для какого максимального $\alpha$ можно подобрать такую неотрицательную случайную величину $\xi$, чтобы для двух различных $c_1 > 1$ и $c_2 > 1$ выполнялось $P(\xi \ge c_iE\xi) = \alpha/c_i$ ($i \in \{1, 2\}$)?
11. Улучшить неравенство Чебышева в общем случае нельзя. Докажите, что для любого $c > 0$ найдется такая отличная от константы случайная величина $\xi$, что $P(|\xi - E\xi| \ge c) = D\xi/c^2$.
12. Улучшить неравенство Чебышева нельзя даже для суммы. Докажите, что для любого $c > 0$ найдется такое семейство одинаково распределенных отличных от константы случайных величин $\xi_1, \xi_2, \ldots, \xi_n$, что $P(|\sum\xi_i - \sum E\xi_i| \ge c) = nD\xi/c^2$.
13. Докажите, что дисперсия возвращаемого значения в алгоритме Морриса не превышает $1/2n^2$
14. Докажите, что дисперсия возвращаемого значения в алгоритме Флажолета-Мартина не превышает $1/(t+1)^2$
15. Доминирующий элемент. Рассмотрим алгоритм, который ищет элемент, который встречается хотя бы $n/2$ раз в потоке $[a_1, \ldots, a_n]$. Пусть $0 \le a_i < N$ и $N \ge 2n$. Докажите, что детерминированный алгоритм, использующий $o(n\log(N/n))$ бит, не может решить поставленную задачу. Указание: рассмотрите состояние после половины элементов потока.
16. Предложите алгоритм, использующий $O(\log(N+n))$ бит, который решает предыдущую задачу в предположении, что доминирующий элемент существует.
17. Обобщите предыдущий алгоритм на случай $\varepsilon$-частых элементов: будем называть элемент $\varepsilon$-частым, если он составляет хотя бы $\varepsilon$ долю элементов во вводе. Как зависит память от $\varepsilon$?
18. Все различные. Докажите или опровергните, что любой детерминированный алгоритм, который всегда корректно отвечает, верно ли, что все элементы во вводе $[a_1, a_2, \ldots, a_n]$ различны, должен использовать хотя бы $\Omega(n\log(2N/n))$ памяти.
19. Недостающий элемент. Задан массив $[a_1, a_2, \ldots, a_{n-1}]$, где все элементы от $1$ до $n$, кроме одного, встречаются ровно один раз. Найдите недостающий элемент, используя $O(\log n)$ памяти.
20. Два недостающих элемента. Задан массив $[a_1, a_2, \ldots, a_{n-2}]$, где все элементы от $1$ до $n$, кроме двух, встречаются ровно один раз. Найдите недостающие элементы, используя $o(n)$ памяти.
21. Два недостающих элемента. Задан массив $[a_1, a_2, \ldots, a_{2n-1}]$, где все элементы от $1$ до $n$, кроме одного, встречаются ровно два раза, а один — один раз. Найдите этот элемент, используя $o(n)$ памяти.
22. Два недостающих элемента. Задан массив $[a_1, a_2, \ldots, a_{2n-2}]$, где все элементы от $1$ до $n$, кроме двух, встречаются ровно два раза, а два — по одному разу. Найдите эти элементы, используя $o(n)$ памяти.
23. В алгоритме KMV обозначим как $Z$ количество элементов, для которых $h(v) < kM/(1-\varepsilon)t$. Докажите, что $P(Z<k)<1/6$.
24. Задача приблизительного подсчета числа вхождений. Biased Sketch. Рассмотрим алгоритм: выберем случайную хеш-функцию $h: U\to \{0,1, \ldots, m-1\}$ из универсального семейства. Заведем счетчик $cnt[0\ldots m-1]$ и в качестве операцими $update(x)$ будем делать $cnt[h(x)]$++, а в качестве $query(x)$ будем возвращать $cnt[h(x)]$. Пусть выполнено $n$ запросов $update$. Обозначим как $a(x)$ количество вхождений числа $x$. Оцените $P(query(x) > a(x) + \varepsilon n)$.
25. CountMin. В предыдущей задаче чтобы лучше оценить количество, будем использовать несколько хеш-функций. Пусть мы используем $r$ хеш-функций, для каждой свой массив $cnt_i$, в качестве ответа на запрос будем выдавать $\min(cnt_i[h_i(x)])$. Какое $r$ необходимо выбрать, чтобы выполнялось $P(query(x) > a(x) + \varepsilon n) < \delta$?
26. Задача приблизительного подсчета числа вхождений. Unbiased Sketch. Рассмотрим алгоритм: выберем случайную хеш-функцию $h: U\to \{0,1, \ldots, m-1\}$ из универсального семейства, а также случайную знаковую функцию $s: U \to \{-1,1\}$. Заведем счетчик $cnt[0\ldots m-1]$ и в качестве операцими $update(x)$ будем делать $cnt[h(x)]$ += s(x), а в качестве $query(x)$ будем возвращать $cnt[h(x)]\cdot s(x)$. Пусть выполнено $n$ запросов $update$. Обозначим как $a(x)$ количество вхождений числа $x$. Чему равно $E[query(x)]$?
27. В условиях предыдущей задачи докажите, что $D[query(x)] \le \frac{1}{m}\sum_y a(y)^2$.
28. В условиях предыдущих двух задач обозначим как $\lVert a \rVert_2 = \sqrt{\sum_x a(x)^2}$. Оцените $P(|query(x) - a(x)| > \varepsilon \lVert a \rVert_2)$.
29. CountSketch В предыдущих трех задачах, чтобы лучше оценить количество, будем использовать несколько хеш-функций. Пусть мы используем $r$ хеш-функций, для каждой свой массив $cnt_i$, в качестве ответа на запрос будем выдавать $median(cnt_i[h_i(x)])$. Какое $r$ необходимо выбрать, чтобы выполнялось $P(|query(x) - a(x)| > \varepsilon \lVert a \rVert_2) < \delta$?
30. Сравните оценки по времени, памяти и точности для CountMin и CountSketch. Сделайте вывод, когда какой из них лучше.
31. Поиск $k$ самых частых. Используем тот или иной апроксимационный алгоритм (CountMin или CountSketch), мы хотим найти $k$ самых частых элементов в последовательности $a_1, \ldots, a_n$. Будем поддерживать $set$ из $k$ самых частых, упорядоченный по оценке на число их вхождений. Рассматривая очередной элемент, добавляем его в set, если его оценка на число вхождений становится больше, чем у самого редкого в $set$-е. Оцените вероятность, что для всех $x$ в $set$-е в конце выполнено $a(x) \ge (1-\varepsilon)a(y)$, где $y$ - это $k$-й по частоте встречаемости элемент.
32. Изменим алгоритм из предыдущего задания, будем вместо $k$ хранить $2k$ элементов, а в конце оставим $k$ из них. Как изменится вероятность?
33. Оцените зависимость вероятности из предыдущих двух заданий от $c$, если вместо $k$ хранится $ck$ элементов, а в конце оставим $k$ из них.
34. Задана правильная скобочная последовательность с $n$ открывающими скобками. Рассмотрим четыре операции: findclose($i$) - найти закрывающую парную скобку для открывающей скобки на позиции $i$, findopen($i$) - найти открывающую парную скобку для закрывающей на позиции $i$, enclose($i$) - найти позицию открывающей скобки для пары скобок, непосредственно внутри которой находится открывающая скобка на позиции $i$, balance($i$) - найти баланс на позиции $i$. Используйте с rank и select с лекции, чтобы вычислить balance за $O(1)$ и $o(n)$ дополнительной памяти.
35. Используйте balance и идеи с лекции, чтобы реализовать $findclose$, $findopen$ и $enclose$.
36. Задано дерево (не обязательно двоичное) с порядком на детях. Для представления дерева используется правильная скобочная последовательность: запись вершины $u$ с детьми $v_1, v_2, \ldots, v_k$, обозначенная как $R(u)$ устроена так: $R(u) = (R(v_1)R(v_2)\ldots R(v_l))$. Опишите с помощью операций предыдущих задач операции: перехода к родителю, перехода к первому ребенку, перехода к следующему ребенку.
37. Размер поддерева. Опишите с помощью операций из предыдущих задач способ узнать размер поддерева для заданной вершины.
38. Глубина вершины. Опишите с помощью операций из предыдущих задач способ узнать глубину вершины.
39. Опишите в терминах скобочных последовательностей операцию LCA. Предложите решение за $O(1)$ и $o(n)$ дополнительной памяти.
40. Обозначим как $BP(n)$ время умножения булевых матриц размера $n \times n$ над $\vee, \wedge$. Обозначим как $MM(n)$ время умножения целочисленных матриц размера $n \times n$ над $+, \times$. Докажите, что $BP(n) = O(MM(n))$.
41. Докажите, что можно найти транзитивное замыкание графа за время $O(BP(n))$.
42. Пусть $A$ и $B$ - матрицы размера $n \times n$. Пусть $R \subset \{1, 2, \ldots, n\}$, $|R|=r$. Обозначим как $A^R$ матрицу, которая получается из $A$ удалением всех столбцов, кроме столбцов из множества $R$. Аналогично, обозначим как $B_R$ матрицу, которая получается из $B$ удалением всех строк, кроме строк из множества $R$. Докажите, что произведение матриц $A^R\cdot B_R$ может быть найдено за время $O((n/r)^2 MM(r))$, где $MM(r)$ - время умножения матриц размером $r\times r$.
43. Пусть $MM(n)=2+\varepsilon$, $\varepsilon>0$. Модифицируйте алгоритм построения BPWM, чтобы он работал за $MM(n) \log n$. Почему эта идея не сработает, если $MM(n) = O(n^2)$?
44. Докажите лемму с лекции про то, что если в урне $n$ шаров, из которых $w$ белых и $n/2\le wr \le n$, а событие $A$ означает, что из $r$ наугад выбранных из урны шаров оказался ровно один белый, то $P(A) \ge 1/2e$.
45. Сохраняется ли вероятность из предыдущего задания, если шары после вытаскивания возвращаются в урну? Если нет, то можно ли получить аналогичную оценку?
46. Как воспользоваться алгоритмом построения BPWM для поиска кратчайших путей между всеми вершинами в графе?
47. Нижняя оценка на сумму длин путей. Докажите, что можно построить граф, в котором $\Omega(n^2)$ пар вершин, расстояние между которыми $\Omega(n)$.
48. Известно, что у учителя есть $2^k$ яблок для некоторого целого неотрицательного $k$. На глазах у студентов он съедает одно яблоко, а остальное раздает ученикам А и В, чтобы ни один из них не видел, сколько получает другой. А и В не знают числа $k$. Они могут показать друг другу по одному знаку из трёх возможных: почесать голову правой, левой или обеими руками. К удивлению учителя, ученики всегда знают, кто получил больше яблок или что учитель съел единственное яблоко сам. Как такое возможно?
49. Петя хочет упростить алгоритм Каргера-Штайна. Он запускает алгоритм Каргера (стягивание по случайному ребру), пока количество вершин не станет равно $t$, а затем запускает алгоритм за $t^3$ поиска минимального глобального разреза. Затем он повторяет алгоритм, пока вероятность успеха не составит хотя бы $1/2$. Какое значение $t$ необходимо выбрать, чтобы минимизировать время работы получившегося алгоритма? Какое будет время работы?
50. Докажите, что если в полном двоичном дереве высоты $h$ каждое ребро удаляется с вероятностью $1/2$, то путь от корня до листа сохраняется с вероятностью $\Theta(1/h)$.
51. Обобщите предыдущее задание, если ребро удаляется с вероятностью $p$.
52. С учетом предыдущего задания модифицируйте алгоритм Каргера-Штайна, чтобы разветвляться когда накопленная вероятность ошибки достигнет $p$. Найдите зависимость времени работы от $p$, какое значение $p$ оптимально выбрать?
53. Назовем разрез $\alpha$-оптимальным, если его размер не больше $\alpha C_{min}$, где $C_{min}$ - минимальный разрез. Оцените вероятность, что один запуск алгоритма Каргера (без разветвлений) найдет $\alpha$-оптимальный разрез (в зависимости от $\alpha$).
54. Докажите, что в графе не больше $n\choose 2$ различных минимальных глобальных разрезов.
55. Сформулируйте и докажите аналогичный предыдущему заданию результат для $\alpha$-оптимальных разрезов.
56. Дерево Кинг. Дано взвешенное дерево $T$. Запустим на дереве $T$ алгоритм Борувки, когда множество вершин $S$ объединяется в новую вершину $s$ для каждой вершины из $u$ добавим ребро из $u$ в $s$ с весом, равным минимальному весу ребра, инцидентного $u$ на этом шаге (того ребра, которое выбирает алгоритм Борувки). Докажите, что задача максимума на пути между листьями в полученном дереве эквивалентна задаче максимума на пути в исходном дереве $T$.
57. Рассмотрим ветвящееся дерево (у каждой внутренней вершины хотя бы два сына, все листья на одном уровне), пусть в нем $n$ вершин. Пусть есть $m$ запросов на пары листьев, для которых необходимо найти максимальное ребро на пути. Разобьем каждый запрос на два запроса на вертикальном пути до $LCA$ этих листьев, таким образом имеем $2m$ вертикальных путей. Для вершины $v$ обозначим как $A(v)$ множество вертикальных путей, проходящих через $v$. Обозначим как $D_i$ множество вершин на расстоянии $i$ от корня, как $d_i$ число вершин на расстоянии $i$ от корня ($d_i=|D_i|$). Докажите, что $\sum\limits_{u\in D_i}\lceil\log(1+|A(u)|)\rceil<\sum\limits_{u\in D_i}\left(1+\log(1+|A(u)|)\right)\le d_i+d_i \log\frac{d_i+2m}{d_i}$.
58. В условиях предыдущей задачи докажите, что $\sum\limits_{i\ge 0}\left(d_i + d_i\log\frac{d_i+2m}{d_i}\right)\le n+n\log\frac{n+2m}{n}+2n$.
59. Докажите, что $\sum\limits_{u}\lceil\log(1+|A(u)|)\rceil = O(n + m)$.
60. Готовимся к алгоритму линейной верификации MST. Введем операцию на множествах целых чисел: $A \downarrow B = \{b \in B | \exists a \in A : a < b \mbox{ and there is no } b′ \in B \mbox{ with } a < b′ < b\}$. Докажите, что $A\downarrow B \subset B$, $|A \downarrow B| \le |A|$, $(A\cup B)\downarrow C = (A \downarrow C) \cup (B \downarrow C)$, $A \downarrow (B \cup C) \subset (A \downarrow B) \cup (A \downarrow C)$.
61. Докажите, что если $A \downarrow B = \varnothing$, то $A \downarrow C = A \downarrow (C \setminus B)$.
62. Докажите, что если $A \downarrow B \subset C \subset B$, то $A \downarrow B = A \downarrow C$.
63. Докажите, что если $\sup(B \cap C) < \inf(B \setminus C)$, то $A \downarrow (B \cap C) = (A \downarrow B) \cap C$ (будем считать, что $\sup\varnothing = -\infty$, $\inf\varnothing = +\infty$).
64. Докажите, что если $A \subset B$, то $A \downarrow C = A \downarrow (B \downarrow C)$.