Изменения
Нет описания правки
'''Алгоритм Хаффмана'''Алгоритм Хаффмана(англ. ''Huffman's algorithm'' ) — алгоритм [[Задача_об_оптимальном_префиксном_коде_с_сохранением_порядка._Монотонность_точки_разреза | оптимального префиксного кодирования ]] алфавита. Это один из классических алгоритмов, известных с 60-х годов. Использует только частоту появления одинаковых байт Был разработан в изображении1952 году аспирантом Массачусетского технологического института Дэвидом Хаффманом при написании им курсовой работы. Сопоставляет символам входного потока, которые встречаются большее число разИспользуется во многих программах сжатия данных, цепочку бит меньшей длины. Инапример, напротивPKZIP 2, встречающимся редко — цепочку большей длиныLZH и др.
== Определение ==
{{Определение
|definition=
Пусть <tex>A=\{a_{1},a_{2},...\ldots ,a_{n}\}</tex> — алфавит из <tex>n </tex> различных символов, <tex>W=\{w_{1},w_{2},...\ldots ,w_{n}\}</tex> — соответствующий ему набор положительных целых весов. Тогда набор бинарных кодов <tex>C=\{c_{1},c_{2},...\ldots ,c_{n}\}</tex>, где <tex>c_{i}</tex> является кодом для символа <tex>a_{i}</tex>, такой, что:
называется '''кодом Хаффмана'''.
}}
Закодируем слово <tex>abracadabra</tex>. Тогда алфавит будет <tex>A=\{a, b, r, c, d\} </tex>, а набор весов (частота появления символов алфавита в кодируемом слове) <tex>W= Пример ==\{5, 2, 2, 1, 1\}</tex>:
{| class="wikitable"
! Узел || и a || м b || п r || сcd
|-
| Вес || 4 5 || 1 2 || 1 2 || 32
|}
{| class="wikitable"
! Узел || и a || мп rcd || с b
|-
| Вес || 5 || 4 || 2 || 3
|}
{| class="wikitable"
! Узел || и brcd || мпс a
|-
| Вес || 4 6 || 5
|}
{| class="wikitable"
! Символ Узел || и || м || п || сabrcd
|-
| Код || 0 || 100 || 101 Вес || 11
|}
Остался один узел, значит, мы пришли к корню дерева Хаффмана (смотри рисунок). Теперь для каждого символа выберем кодовое слово (бинарная последовательность, обозначающая путь по дереву к этому символу от корня): {| class="wikitable"! Символ || a || b || r || с || d|-| Код || 0 || 11 || 101 || 1000 || 1001|} Таким образом, закодированное слово ''"миссисипи"'' <tex>abracadabra</tex> будет выглядеть как ''"1000111101101010"''<tex>01110101000010010111010</tex>. Длина закодированного слова {{--- 16 бит}} <tex>23</tex> бита. Стоит заметить, что если бы мы использовали для алгоритм кодирования каждого символа из четырёх по 2 с одинаковой длиной всех кодовых слов, то закодированное слово заняло бы <tex>33</tex> бита, длина закодированного слова составила бы 18 битчто существенно больше.
== Корректность алгоритма Хаффмана ==
{{Лемма
Тогда для алфавита <tex>C</tex> существует оптимальный префиксный код, кодовые слова символов <tex>x</tex> и <tex>y</tex> в котором имеют одинаковую максимальную длину и отличаются лишь последним битом.
|proof=
Возьмем дерево <tex>T</tex>, представляющее произвольный оптимальный префиксный код, и преобразуем для алфавита <tex>C</tex>. Преобразуем его в дерево, представляющее другой оптимальный префиксный код, в котором символы <tex>x</tex> и <tex>y</tex> являются листьями — листья с общим родительским узлом, причем в новом дереве эти листья находятся находящиеся на максимальной глубине.
Пусть символы <tex>a</tex> и <tex>b</tex> — два символа, представленные листьями с общим родительским узлом, которые имеют общий родительский узел и находятся на максимальной глубине дерева <tex>T</tex>.Предположим, что <tex>f[a] \leqslant f[b]</tex> и <tex>f[x] \leqslant f[y]</tex>. Так как <tex>f[x]</tex> и <tex>f[y]</tex> — две наименьшие частоты, а <tex>f[a]</tex> и <tex>f[b]</tex> — две произвольные частоты, то выполняются отношения <tex>f[x] \leqslant f[a]</tex> и <tex>f[y] \leqslant f[b]</tex>. Пусть дерево <tex>T'</tex> — дерево, полученное из <tex>T</tex> путем перестановки листьев <tex>a</tex> и <tex>x</tex>, а дерево <tex>T''</tex> — дерево полученное из <tex>T'</tex> перестановкой листьев <tex>b</tex> и <tex>y</tex>. Разность стоимостей деревьев <tex>T</tex> и <tex>T'</tex> равна:
Таким образом, выполняется неравенство <tex>B(T'') - \leqslant B(T') = \sum\limits_{c \in C} f</tex>. С другой стороны, <tex>T</tex> — оптимальное дерево, поэтому должно выполняться неравенство <tex>B(cT)d_T(C) - \sum\limits_{c \in C} fleqslant B(c)d_{T'}')</tex>. Отсюда следует, что <tex>B(CT)= \\ \\=B(f[a] - f[x]T'')(d_T(a) - d_T(</tex>. Значит, <tex>T''</tex> — дерево, представляющее оптимальный префиксный код, в котором символы <tex>x)) \ge 0 ,</tex>и <tex>y</tex> имеют одинаковую максимальную длину, что и доказывает лемму.}}
{{Лемма
|id=lemma2
|about=2
|statement=Пусть дан алфавит <tex>C</tex>, в котором для каждого символа <tex>c \in C</tex> определены частоты <tex>f[c]</tex>. Пусть <tex>x</tex> и <tex>y</tex> — два символа из алфавита <tex>C</tex> с минимальными частотами. Пусть <tex>C'</tex> — алфавит, полученный из алфавита <tex>C</tex> путем удаления символов <tex>x</tex> и <tex>y</tex> и добавления нового символа <tex>z</tex>, так что <tex>C' = C \backslash \{ x, y \} \cup {z}</tex>. По определению частоты <tex>f</tex> в алфавите <tex>C'</tex> совпадают с частотами в алфавите <tex>C</tex>, за исключением частоты <tex>f[z] = f[x] + f[y]</tex>. Пусть <tex>T'</tex> — произвольное дерево, представляющее оптимальный префиксный код для алфавита <tex>C'</tex> Тогда дерево <tex>T</tex>, полученное из дерева <tex>T'</tex> путем замены листа <tex>z</tex> внутренним узлом с дочерними элементами <tex>x</tex> и <tex>y</tex>, представляет оптимальный префиксный код для алфавита <tex>C</tex>.
|proof=Сначала покажем, что стоимость <tex>B(T)</tex> дерева <tex>T</tex> можно выразить может быть выражена через стоимость <tex>B(T')</tex> дерева <tex>T'</tex>. Для каждого символа <tex>c \le in C \backslash \{x,y\}</tex> выполняется соотношение верно <tex>d_T(C) = d_{T'}(c)</tex>, следовательнозначит, <tex>f[c]d_T(Cc) = f[c]d_{T'}(c)</tex>. Поскольку Так как <tex>d_T(x) = d_{T}d_T(y) = d_{tT'}(z) + 1</tex>, получаем соотношение<br>то <tex>f[x]d_T(x) + f[y]d_{T}d_T(y) = (f[x] + f[y])(d_{T'}(z) + 1) = f[z]d_{T'}(z) + (f[x] + f[y])</tex><br>из которого чего следует равенство <br>, что
<tex> B(T) = B(T') + f[x] + f[y] </tex>
или
<tex> B(T') = B(T) - f[x] - f[y] </tex>.
Докажем лемму методом от противного. Предположим, что дерево <tex> T </tex> не представляет оптимальный префиксный код для алфавита <tex> C </tex>. Тогда существует дерево <tex> T'' </tex>такое, для которого справедливо неравенство что <tex> B(T'') < B(T) </tex>. Согласно лемме (1), элементы <tex>x</tex> и <tex>y</tex> без потери общности можно считать дочерними элементами одного и того же узла. Пусть дерево <tex>T'''</tex> получено из дерева <tex>T''</tex> путем замены заменой элементов <tex>x</tex> и <tex>y</tex> листом <tex>z</tex> с частотой <tex>f[z] = f[x] + f[y] </tex>. Тогда можно записать:<br> <tex>B(T''') = B(T'') - f[x] - f[y] < B(T) - f[x] -f[y] = B(T')</tex>,<br> что противоречит предположению о том, что дерево <tex>T'</tex> представляет оптимальный префиксный код для алфавита <tex>C'</tex>. Таким образомЗначит, наше предположение о том, что дерево <tex>T</tex> должно представлять не представляет оптимальный префиксный код для алфавита <tex>C</tex>, неверно, что и доказывает лемму.
}}
}}
== Литература См. также ==* Томас Х. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн Алгоритмы: построение и анализ — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 1296. — ISBN 5-8489-0857-4[[Оптимальное_хранение_словаря_в_алгоритме_Хаффмана | Оптимальное хранение словаря в алгоритме Хаффмана]]
== Источники информации == * Томас Х. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн. Алгоритмы: построение и анализ — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — с. 459. — ISBN 5-8489-0857-4*[http://en.wikipedia.org/wiki/Huffman_coding Wikipedia — Huffman coding]*[Категорияhttp: Алгоритмы сжатия //ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E2%EE%E8%F7%ED%EE%E5_%E4%E5%F0%E5%E2%EE Википедия — Бинарное дерево]*[http://ru.wikipedia.org/wiki/Префиксный_код Википедия — Префиксный код]
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория:Алгоритмы сжатия]]
