Изменения
Нет описания правки
==Уменьшение числа бит в числах==
Один из способов ускорить сортировку {{---}} уменьшить число бит в числе. Один из способов уменьшить число бит в числе {{---}} использовать деление пополам (эту идею впервые подал van Emde Boas). Деление пополам заключается в том, что количество оставшихся бит в числе уменьшается в 2 раза. Это быстрый способ, требующий <tex>O(m)</tex> памяти. Для своего дерева Андерссон использует хеширование, что позволяет сократить количество памяти до <tex>O(n)</tex>. Для того, чтобы еще ускорить алгоритм нам необходимо упаковать несколько чисел в один контейнер, чтобы затем за константное количество шагов произвести хеширование для всех чисел хранимых в контейнере. Для этого используется хеш функция для хеширования <tex>n</tex> чисел в таблицу размера <tex>O(n^2)</tex> за константное время, без коллизий. Для этого используется хеш модифицированная функция авторства: Dierzfelbinger и Raman.
Алгоритм: Пусть целое число <tex>b \ge 0</tex> и пусть <tex>U = \{0, \ldots, 2^b - 1\}</tex>. Класс <tex>H_{b,s}</tex> хеш функций из <tex>U</tex> в <tex>\{0, \ldots, 2^s - 1\}</tex> определен как <tex>H_{b,s} = \{h_{a} \mid 0 < a < 2^b, a \equiv 1 (\mod 2)\}</tex> и для всех <tex>x</tex> из <tex>U: h_{a}(x) = (ax \mod 2^b) div 2^{b - s}</tex>.
Данный алгоритм базируется на лемме №1:
Взяв <tex>s = 2 \log n</tex> получаем хеш функцию <tex>h_{a}</tex> которая захеширует <tex>n</tex> чисел из <tex>U</tex> в таблицу размера <tex>O(n^2)</tex> без коллизий. Очевидно, что <tex>h_{a}(x)</tex> может быть посчитана для любого <tex>x</tex> за константное время. Если упаковать несколько чисел в один контейнер так, что они разделены несколькими битами нулей, спокойно применяется <tex>h_{a}</tex> ко всему контейнеру, а в результате все хеш значения для всех чисел в контейере были посчитаны. Заметим, что это возможно только потому, что в вычисление хеш знчения вовлечены только (mod <tex>2^b</tex>) и (div <tex>2^{b - s}</tex>).
Такая хеш функция может быть найдена за <tex>O(n^3)</tex>.
==Signature sorting==
В данной сортировке используется следующий алгоритм:
Предположим, что <tex>n</tex> чисел должны быть сортированы, и в каждом <tex>\log m</tex> бит. Рассматривается, что в каждом числе есть <tex>h</tex> сегментов, в каждом из которых <tex>\log (m/h)</tex> бит. Теперь применяем хеширование ко всем сегментам и получаем <tex>2h \log n</tex> бит хешированных значений для каждого числа. После сортировки на хешированных значениях для всех начальных чисел начальная задача по сортировке <tex>n</tex> чисел по <tex>m</tex> бит в каждом стала задачей по сортировке <tex>n</tex> чисел по <tex> \log (m/h)</tex> бит в каждом.
Так же, рассмотрим проблему последующего разделения. Пусть <tex>a_{1}</tex>, <tex>a_{2}</tex>, <tex>\ldots</tex>, <tex>a_{p}</tex> {{---}} <tex>p</tex> чисел и <tex>S</tex> {{---}} множество чисeл. Необходимо разделить <tex>S</tex> в <tex>p + 1</tex> наборов таких, что: <tex>S_{0}</tex> < {<tex>a_{1}</tex>} < <tex>S_{1}</tex> < {<tex>a_{2}</tex>} < <tex>\ldots</tex> < {<tex>a_{p}</tex>} < <tex>S_{p}</tex>. Т.к. используется signature sorting, до того как делать вышеописанное разделение, необходимо поделить биты в <tex>a_{i}</tex> на <tex>h</tex> сегментов и возьмем некоторые из них. Так же делим биты для каждого числа из <tex>S</tex> и оставим только один в каждом числе. По существу для каждого <tex>a_{i}</tex> берутся все <tex>h</tex> сегментов. Если соответствующие сегменты <tex>a_{i}</tex> и <tex>a_{j}</tex> совпадают, то нам понадобится только один. Сегменты, которые берутся для числа в <tex>S</tex>, {{---}} сегмент, который выделяется из <tex>a_{i}</tex>. Таким образом преобразуется начальная задачу о разделении <tex>n</tex> чисел в <tex>\log m</tex> бит в несколько задач на разделение с числами в <tex>\log (m/h)</tex> бит.
Пример:
<tex>a_{1}</tex> = 3, <tex>a_{2}</tex> = 5, <tex>a_{3}</tex> = 7, <tex>a_{4}</tex> = 10, S = <tex>\{1, 4, 6, 8, 9, 13, 14\}</tex>.
Делим числа на 2 сегмента. Для <tex>a_{1}</tex> получим верхний сегмент 0, нижний 3; <tex>a_{2}</tex> верхний 1, нижний 1; <tex>a_{3}</tex> верхний 1, нижний 3; <tex>a_{4}</tex> верхний 2, нижний 2. Для элементов из S получим: для 1: нижний 1 т.к. он выделяется из нижнего сегмента <tex>a_{1}</tex>; для 4 нижний 0; для 8 нижний 0; для 9 нижний 1; для 13 верхний 3; для 14 верхний 3. Теперь все верхние сегменты, нижние сегменты 1 и 3, нижние сегменты 4, 5, 6, 7, нижние сегменты 8, 9, 10 формируют 4 новые задачи на разделение.
==Сортировка n целых чисел в sqrt(n) наборов==
Спуск вниз можно рассматривать как сортировку <tex>q</tex> чисел в каждом наборе вместе с <tex>p</tex> числами <tex>a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{p}</tex> из ЭП-дерева, так, что эти <tex>q</tex> чисел разделены в <tex>p + 1</tex> наборов <tex>S_{0}, S_{1}, \ldots, S_{p}</tex> таких, что <tex>S_{0} < </tex>{<tex>a_{1}</tex>} < <tex>\ldots</tex> < {<tex>a_{p}</tex>}<tex> < S_{p}</tex>.
Теперь рассмотрим проблему упаковки, которая решается следующим образом. Считается, что число бит в контейнере <tex>\log m \ge \log\log\log n</tex>, потому, что в противном случае можно использовать radix sort для сортировки чисел. У контейнера есть <tex>h/ \log\log n</tex> хешированных значений (сегментов) в себе на уровне <tex>\log h</tex> в ЭП-дереве. Полное число хешированных бит в контейнере <tex>(2 \log n)(c \log\log n)</tex> бит. Хотя хешированны биты в контейнере выглядят как <tex>0^{i}t_{1}0^{i}t_{2} \ldots t_{h/ \log\log n}</tex>, где <tex>t_{k}</tex>-ые это хешированные биты, а нули это просто нули. Сначала упаковываем <tex>\log\log n</tex> контейнеров в один и получаем <tex>w_{1} = 0^{j}t_{1, 1}t_{2, 1} \ldots t_{\log\log n, 1}0^{j}t_{1, 2} \ldots t_{\log\log n, h/ \log\log n}</tex> где <tex>t_{i, k}</tex>: <tex>k = 1, 2, \ldots, h/ \log\log n</tex> из <tex>i</tex>-ого контейнера. Ипользуем <tex>O(\log\log n)</tex> шагов, чтобы упаковать <tex>w_{1}</tex> в <tex>w_{2} = 0^{jh/ \log\log n}t_{1, 1}t_{2, 1} \ldots t_{\log\log n, 1}t_{1, 2}t_{2, 2} \ldots t_{1, h/ \log\log n}t_{2, h/ \log\log n} \ldots t_{\log\log n, h/ \log\log n}</tex>. Теперь упакованные хеш биты занимают <tex>2 \log n/c</tex> бит. Используем <tex>O(\log\log n)</tex> времени чтобы распаковать <tex>w_{2}</tex> в <tex>\log\log n</tex> контейнеров <tex>w_{3, k} = 0^{jh/ \log\log n}0^{r}t_{k, 1}O^{r}t_{k, 2} \ldots t_{k, h/ \log\log n} k = 1, 2, \ldots, \log\log n</tex>. Затем используя <tex>O(\log\log n)</tex> времени упаковываем эти <tex>\log\log n</tex> контейнеров в один <tex>w_{4} = 0^{r}t_{1, 1}0^{r}t_{1, 2} \ldots t_{1, h/ \log\log n}0^{r}t_{2, 1} \ldots t_{\log\log n, h/ \log\log n}</tex>. Затем используя <tex>O(\log\log n)</tex> шагов упаковать <tex>w_{4}</tex> в <tex>w_{5} = 0^{s}t_{1, 1}t_{1, 2} \ldots t_{1, h/ \log\log n}t_{2, 1}t_{2, 2} \ldots t_{\log\log n, h/ \log\log n}</tex>. В итоге используем <tex>O(\log\log n)</tex> времени для упаковки <tex>\log\log n</tex> контейнеров. Считаем что время потраченное на одно слово {{---}} константа.
==Лемма №1==
Даны целые числа <tex>b</tex> <tex>\ge</tex> <tex>s</tex> <tex>\ge</tex> 0 и <tex>T</tex> является подмножеством <tex>\{0, \ldots, 2^b - 1\}<tex>, содержащим <tex>n</tex> элементов, и <tex>t</tex> <tex>\ge</tex> <tex>2^{-s + 1}</tex>С<tex>^k_{n}</tex>. Функция <tex>h_{a}</tex> принадлежащая <tex>H_{b,s}</tex> может быть выбрана за время <tex>O(bn^2)</tex> так, что количество коллизий <tex>coll(h_{a}, T) <tex>\le</tex> t</tex>
==Лемма №2==
<tex>n</tex> целых чисел можно отсортировать в <tex>\sqrt{n}</tex> наборов <tex>S_{1}</tex>, <tex>S_{2}</tex>, <tex>\ldots</tex>, <tex>S_{\sqrt{n}}</tex> таким образом, что в каждом наборе <tex>\sqrt{n}</tex> чисел и <tex>S_{i}</tex> < <tex>S_{j}</tex> при <tex>i</tex> < <tex>j</tex>, за время <tex>O(n \log\log n/ \log k)</tex> и место <tex>O(n)</tex> с не консервативным преимуществом <tex>k \log\log n</tex>
==Лемма №3==
Выбор <tex>s</tex>-ого наибольшего числа среди <tex>n</tex> чисел упакованных в <tex>n/g</tex> контейнеров может быть сделана за <tex>O(n \log g/g)</tex> время и с использованием <tex>O(n/g)</tex> места. Конкретно медиана может быть так найдена.
Доказательство:
Так как возможно делать попарное сравнение <tex>g</tex> чисел в одном контейнере с <tex>g</tex> числами в другом и извлекать большие числа из одного контейнера и меньшие из другого за константное время, возможно упаковать медианы из первого, второго, <tex>\ldots</tex>, <tex>g</tex>-ого чисел из 5 контейнеров в один контейнер за константное время. Таким образом набор <tex>S</tex> из медиан теперь содержится в <tex>n/(5g)</tex> контейнерах. Рекурсивно находим медиану <tex>m</tex> в <tex>S</tex>. Используя <tex>m</tex> уберем хотя бы <tex>n/4</tex> чисел среди <tex>n</tex>. Затем упакуем оставшиеся из <tex>n/g</tex> контейнеров в <tex>3n/4g</tex> контейнеров и затем продолжим рекурсию.
==Лемма №4==
Если <tex>g</tex> целых чисел, в сумме использующие <tex>(\log n)/2</tex> бит, упакованы в один контейнер, тогда <tex>n</tex> чисел в <tex>n/g</tex> контейнерах могут быть отсортированы за время <tex>O((n/g) \log g)</tex>, с использованием <tex>O(n/g)</tex> места.
Доказательство:
Так как используется только <tex>(\log n)/2</tex> бит в каждом контейнере для хранения <tex>g</tex> чисел, используем bucket sorting чтобы отсортировать все контейнеры. представляя каждый как число, что занимает <tex>O(n/g)</tex> времени и места. Потому, что используется <tex>(\log n)/2</tex> бит на контейнер понадобится <tex>\sqrt{n}</tex> шаблонов для всех контейнеров. Затем поместим <tex>g < (\log n)/2</tex> контейнеров с одинаковым шаблоном в одну группу. Для каждого шаблона останется не более <tex>g - 1</tex> контейнеров которые не смогут образовать группу. Поэтому не более <tex>\sqrt{n}(g - 1)</tex> контейнеров не смогут сформировать группу. Для каждой группы помещаем <tex>i</tex>-е число во всех <tex>g</tex> контейнерах в один. Таким образом берутся <tex>g</tex> <tex>g</tex>-целых векторов и получаем <tex>g</tex> <tex>g</tex>-целых векторов где <tex>i</tex>-ый вектор содержит <tex>i</tex>-ое число из входящего вектора. Эта транспозиция может быть сделана за время <tex>O(g \log g)</tex>, с использованием <tex>O(g)</tex> места. Для всех групп это занимает время <tex>O((n/g) \log g)</tex>, с использованием <tex>O(n/g)</tex> места.
Для контейнеров вне групп (которых <tex>\sqrt{n}(g - 1)</tex> штук) разбираем и собираем заново контейнеры. На это потребуется не более <tex>O(n/g)</tex> места и времени. После всего этого используем bucket sorting вновь для сортировки <tex>n</tex> контейнеров. таким образом все числа отсортированы.
Заметим, что когда <tex>g = O( \log n)</tex> сортировка <tex>O(n)</tex> чисел в <tex>n/g</tex> контейнеров произойдет за время <tex>O((n/g) \log\log n)</tex>, с использованием O(n/g) места. Выгода очевидна.
==Лемма №5==
Если принять, что каждый контейнер содержит <tex> \log m > \log n</tex> бит, и <tex>g</tex> чисел, в каждом из которых <tex>(\log m)/g</tex> бит, упакованы в один контейнер. Если каждое число имеет маркер, содержащий <tex>(\log n)/(2g)</tex> бит, и <tex>g</tex> маркеров упакованы в один контейнер таким же образом<tex>^*</tex>, что и числа, тогда <tex>n</tex> чисел в <tex>n/g</tex> контейнерах могут быть отсортированы по их маркерам за время <tex>O((n \log\log n)/g)</tex> с использованием <tex>O(n/g)</tex> места.
(*): если число <tex>a</tex> упаковано как <tex>s</tex>-ое число в <tex>t</tex>-ом контейнере для чисел, тогда маркер для <tex>a</tex> упакован как <tex>s</tex>-ый маркер в <tex>t</tex>-ом контейнере для маркеров.
Доказательство:
Контейнеры для маркеров могут быть отсортированы с помощью bucket sort потому, что каждый контейнер использует <tex>( \log n)/2</tex> бит. Сортировка сгруппирует контейнеры для чисел как в четвертой лемме. Перемещаем каждую группу контейнеров для чисел.
==Лемма №6==
предположим, что каждый контейнер содержит <tex>\log m \log\log n > \log n</tex> бит, что <tex>g</tex> чисел, в каждом из которых <tex>(\log m)/g</tex> бит, упакованы в один контейнер, что каждое число имеет маркер, содержащий <tex>(\log n)/(2g)</tex> бит, и что <tex>g</tex> маркеров упакованы в один контейнер тем же образом что и числа, тогда <tex>n</tex> чисел в <tex>n/g</tex> контейнерах могут быть отсортированы по своим маркерам за время <tex>O(n/g)</tex>, с использованием <tex>O(n/g)</tex> памяти.
Доказательство:
Заметим, что несмотря на то, что длина контейнера <tex>\log m \log\log n</tex> бит всего <tex>\log m</tex> бит используется для хранения упакованных чисел. Так же как в леммах четыре и пять сортируем контейнеры упакованных маркеров с помощью bucket sort. Для того, чтобы перемещать контейнеры чисел помещаем <tex>g \log\log n</tex> вместо <tex>g</tex> контейнеров чисел в одну группу. Для транспозиции чисел в группе, содержащей <tex>g \log\log n</tex> контейнеров, упаковываем <tex>g \log\log n</tex> контейнеров в <tex>g</tex>, упаковывая <tex>\log\log n</tex> контейнеров в один. Далее делаем транспозицию над <tex>g</tex> контейнерами. Таким образом перемещение занимает всего <tex>O(g \log\log n)</tex> времени для каждой группы и <tex>O(n/g)</tex> времени для всех чисел. После завершения транспозиции, распаковываем <tex>g</tex> контейнеров в <tex>g \log\log n</tex> контейнеров.
Заметим, что если длина контейнера <tex>\log m \log\log n</tex> и только <tex>\log m</tex> бит используется для упаковки <tex>g \le \log n</tex> чисел в один контейнер, тогда выбор в лемме три может быть сделан за время и место <tex>O(n/g)</tex>, потому, что упаковка в доказатльстве леммы три теперь может быть сделана за время <tex>O(n/g)</tex>.
==Литераура==
