Изменения

'''Биномиальное дерево <tex>B_k</tex>''' (англ. ''binomial tree'') {{---}} [[Дерево, эквивалентные определения|дерево]], определяемое для каждого <tex>k = 0, 1, 2, \dots </tex> следующим образом: <tex>B_0</tex> {{---}} дерево, состоящее из одного узла; <tex>B_k</tex> состоит из двух биномиальных деревьев <tex>B_{k-1}</tex>, связанны связанных вместе таким образом, что корень одного из них является дочерним узлом корня второго дерева.

|statement=Биномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет <tex>2^k</tex> узлов.

Так как в дереве порядка <tex>k+1</tex> вдвое больше узлов, чем в дереве порядка <tex>k</tex>, то дерево порядка <tex>k+1</tex> имеет <tex>2^k * \cdot 2 = 2^{k+1}</tex> узлов. Переход доказан, то переход верный, то свойство доказанобиномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет <tex>2^k</tex> узлов.

|statement=Биномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет высоту <tex>k</tex>;.

Так как в дереве порядка <tex>k+1</tex> высота больше на <tex>1</tex> (так как мы подвешиваем к текущему дереву дерево того же порядка), чем в дереве порядка <tex>k</tex>, то дерево порядка <tex>k+1</tex> имеет высоту <tex>k + 1</tex> . Переход доказан, то переход верный, то свойство доказанобиномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет высоту <tex>k</tex>.

|statement=Биномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет ровно <texdpi = "165">{k\choose i}</tex> узлов на высоте <tex>i</tex>;.

Рассмотрим <tex>i</tex> уровень дерева <tex>B_{k+1}</tex>. Дерево <tex>B_{k+1}</tex> было получено подвешиванием одного дерева порядка <tex>k</tex> к другому. Тогда на <tex>i</tex> уровне дерева <tex>B_{k+1}</tex> всего узлов <texdpi = "165">{k\choose i} </tex> <tex>+ </tex> <tex dpi = "165">{k\choose {i - 1}}</tex>, так как от подвешенного дерева в дерево порядка <tex>k+1</tex> нам пришли узлы глубины <tex>i-1</tex>. То для <tex>i</tex>-го уровня дерева <tex>B_{k+1}</tex> количество узлов <texdpi = "165">{k\choose i} </tex> <tex>+ </tex> <tex dpi = "165">{k\choose {i - 1}} </tex> <tex>=</tex> <tex dpi = "160">{{k + 1}\choose i} </tex>. То свойство доказаноПереход доказан, то биномиальное дерево <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами имеет ровно <tex dpi = "165"> {k\choose i}</tex> узлов на высоте <tex>i</tex>.

|statement=В биномиальном дереве <tex>B_k</tex> с <tex>n</tex> вершинами максимальная степень произвольного узла равна <tex>\log(n)</tex>.

Докажем это утверждение для корня. Степень остальных вершин меньше по предыдущему свойству. Так как степень корня дерева порядка <tex>k</tex> равна <tex>k</tex>, а узлов в этом дереве <tex>n = 2^k</tex>, то прологарифмировав обе части получаем, что <tex>k=O(\log(n))</tex>, то степень произвольного узла не более <tex>\log(n)</tex>.

'''Биномиальная куча ''' (англ. ''binomial heap'') представляет собой множество биномиальных деревьев, которые удовлетворяют следующим свойствам:*Каждое каждое биномиальное дерево в пирамиде куче подчиняется свойству '''[[Двоичная куча|неубывающей пирамидыкучи]]''': ключ узла не меньше ключа его родительского узла (упорядоченное в соответствии со свойством неубывающей пирамиды кучи дерево).,*Для для любого неотрицательного целого <tex>k</tex> найдется не более одного биномиального дерева, чей корень имеет степень <tex>k</tex>.}}

Поскольку количество детей у узлов варьируется в широких пределах, ссылка на детей осуществляется через левого ребенка, а остальные дети образуют односвязный список. Каждый узел в биномиальной пирамиде (куче) представляется набором полей:*<tex>key</tex> {{---}} ключ (вес) элемента;,*<tex>parent</tex> {{---}} указатель на родителя узла;,*<tex>child</tex> {{---}} указатель на левого ребенка узла;,*<tex>sibling</tex> {{---}} указатель на правого брата узла;,

Корни деревьев, их из которых состоит пирамидакуча, содержатся в так называемом '''списке корней''', при проходе по которому степени соответствующих корней находятся в возрастающем порядке.

Рассмотрим операции, которые можно производить с биномиальной пирамидойкучей. Время работы указано в таблице:{| class="wikitable" style="width:10cm" border=1|+|-align="center" bgcolor=#EEEEFF! Операция || Время работы |-align="1center"bgcolor=#FFFFFF |<tex>\mathrm{insert }</tex>||<tex>O(\log(n))</tex> |-align="center" bgcolor=#FFFFFF |<tex>\mathrm{getMinimum }</tex>||<tex>O(\log(n))</tex> |-align="center" bgcolor=#FFFFFF ||<tex>\mathrm{extractMin }</tex>||<tex>\Theta(\log(n))</tex> |-align="center" bgcolor=#FFFFFF |<tex>\mathrm{merge }</tex>||<tex>\Omega(\log(n))</tex> |-align="center" bgcolor=#FFFFFF |<tex>\mathrm{decreaseKey }</tex>||<tex>\Theta(\log(n))</tex> |-align="center" bgcolor=#FFFFFF |<tex>\mathrm{delete }</tex>||<tex>\Theta(\log(n))</tex> |}Обозначим нашу кучу за <tex>H</tex>. То пусть <tex>H.head</tex> {{---}} указатель на корень биномиального дерева минимального порядка этой кучи. Изначально <tex>H.head = null</tex>, то есть пирамида куча не содержит элементов.

Так как корней в этом списке не более <tex>\lfloor \log(n) \rfloor + 1</tex>, то операция выполняется за <tex>O(\log(n))</tex>.

[[Файл:binHeapExample1_1.png|300px370px]] При использовании указателя на биномиальное дерево, которое содержит минимальный элемент, время для этой операции может быть сведено к <tex>O(1)</tex>. Указатель должен обновляться при выполнении любой операции, кроме <tex>\mathrm{getMinimum}</tex>. Это может быть сделано за <tex>O(\log n)</tex>, не ухудшая время работы других операций.

В получившемся списке могут встречаться пары соседних вершин одинаковой степени. Поэтому мы начинаем соединять деревья равной степени и делаем это до тех пор, пока деревьев одинаковой степени не останется. Этот процесс соответствует сложению двоичных чисел столбиком, и время его работы пропорционально числу корневых вершин, то есть операция выполняется за <tex>\Omega(\log(n))</tex>.  

Node '''BinomialHeap''' merge(H1: '''BinomialHeap''', H2: '''BinomialHeap''') {: '''if (''' H1 == ''null) {'' '''return ''' H2; } '''if (''' H2 == ''null) {'' '''return ''' H1; } H.head = ''null'' <font color = "green"> // H {{-- -}} результат слияния</font> curH = H.head <font color = null; "green"> // Слияние слияние корневых списков curH = H.head;</font> curH1 = H1.head; curH2 = H2.head; '''while ''' curH1 != ''null && '' '''and''' curH2 != ''null {'' '''if (''' curH1.degree < curH2.degree) { curH.sibling = curH1; curH = curH1; curH1 = curH1.sibling; } '''else {''' curH.sibling = curH2; curH = curH2; curH2 = curH2.sibling; } } '''if (''' curH1 == ''null) {'' '''while ''' curH2 != ''null {'' curH.sibling = curH2; curH2 = curH2.sibling; } } '''else {''' '''while ''' curH1 != ''null {'' curH.sibling = curH1; curH1 = curH1.sibling; } } curH = H.head <font color = "green"> // объединение деревьев одной степени</font> curH = H.head; '''while ''' curH.sibling != ''null {'' '''if ''' curH.degree == curH.sibling.degree { p[curH] = curH.sibling; tmp = curH.sibling; curH.sibling = curH.sibling.child; curH = tmp; '''continue;''' } curH = curH.sibling; } '''return ''' H; } 

Чтобы добавить новый элемент в биномиальную кучу нужно создать биномиальную пирамиду кучу <tex>H'</tex> с единственным узлом, содержащим этот элемент, за время <tex>O(1)</tex> и объединить ее с биномиальной пирамидой кучей <tex>H</tex> за <tex>O(\log(n))</tex>, так как в данном случае куча <tex>H'</tex> содержит лишь одно дерево.

* Удаляем дерево <tex>B_k</tex> из кучи <tex>H</tex>. Иными словами , удаляем его корень из списка корней кучи. Это можно сделать за время <tex>O(1)</tex>.* Пусть <tex>H'</tex> {{---}} куча детей найденного корня. При этом мы для каждого из ребенка устанавливаем указатель на предка равным <tex>null</tex>. После этого сливаем кучу <tex>H'</tex> c <tex>H</tex> за <tex>\Omega(\logn)</tex>. Процедура выполняется за время <tex>\Theta(\log n)</tex>, поскольку всего в списке <tex>\Theta(\log n)</tex> корней биномиальных деревьев. И всего у найденного дерева <tex> k </tex> порядка (с минимальным значением ключа) ровно <tex> k </tex> детей, то сложность перебора этих детей будет тоже <tex>\Theta(\log n)</tex>. А процесс слияния выполняется за <tex>\Omega(\log n)</tex>. Таким образом, операция выполняется <tex>\Theta(\log n)</tex>.

Процедура выполняется за время <tex>\Theta(\log(n))</tex>, поскольку всего в списке <tex>\Theta(\log(n))</tex> корней биномиальных деревьев. И всего у найденного дерева <tex> k </tex> порядка (с минимальным значением ключа) ровно <tex> k </tex> детей, то сложность перебора этих детей будет тоже <tex>\Theta(\log(n))</tex>. А процесс слияния выполняется за <tex>\Omega(\log(n))</tex>. Таким образом операция выполняется <tex>\Theta(\log(n))</tex>[[Файл:BinHeapExampleNew31.png|700px|Примеp извлечения минимума]]

'''Node ''' extractMin(H: '''BinomialHeap''') { : <font color = "green">//поиск корня х с минимальным значением ключа в списке корней Н:</font> min = <tex>\infty</tex>; x = ''null;'' xBefore = ''null; '' curx = H.head; curxBefore = ''null;'' '''while ''' curx != ''null {'' '''if''' curx.key < min <font color = "green"> // релаксируем текущий минимум if curx.key < min {/font> min = curx.key; x = curx; xBefore = curxBefore; } curxBefore = curx; curx = curx.sibling; } '''if''' xBefore == ''null'' <font color = "green"> //удаление найденного корня x из списка корней деревьев кучи</font> if (xBefore == null) { H.head = x.sibling; } '''else {''' xBefore.sibling = x.sibling; } H' = ''null'' <font color = "green">//построение кучи детей вершины x, при этом изменяем предка соответствующего ребенка на ''null'': H' = null;</font> curx = x.child; H'.head = x.child; '''while ''' curx != ''null {'' p[curx] = ''null'' <font color = "green">// меняем указатель на родителя узла curx</font> p[ curx = curx] .sibling <font color = null; "green">// переход к следующему ребенку</font> curx H = merge(H, H') <font color = curx.sibling; } "green">// слияние нашего дерева с деревом H'</font> H = merge(H, H'); ''return ''' x; } 

Следующая процедура уменьшает ключ элемента <tex>x</tex> биномиальной кучи, присваивая ему новое значение. Вершина, ключ которой был уменьшен, «всплывает» как в обычной куче. Процедура выполняется за время <tex>\Theta(\log(n))</tex>, поскольку глубина вершины <tex>x</tex> в худшем случае есть <tex>\Theta(\log(n))</tex> (свойства биномиального дерева), а при выполнении каждого шага алгоритма мы поднимаемся вверх.

void '''function''' decreaseKey(H: '''BinomialHeap''', x: '''Node''', k: '''int''') { : '''if''' k > key[x] <font color = "green">// проверка на то, что текущий ключ x не меньше передаваемого ключа k if k </font> key[x] then '''return;''' key[x] = k; y = x; z = p[y]; '''while''' z != ''null'' '''and''' key[y] < key[z] <font color = "green">//поднимаем текущий элемент x с новым ключом k, пока //это значение меньше значения в родительской вершине while z != null and key[y] < key[z] do {/font> swap(key[y], key[z]); y = z; z = p[y]; } }

[[Файл:binHeapExample3_2.png|400px370px]]

Удаление ключа сводится к операциям <math>\mathrm {decreaseKey }</math> и <math>\mathrm {extractMin}</math>: сначала нужно уменьшить ключ до минимально возможного значения, а затем извлечь вершину с минимальным ключом. В процессе выполнения процедуры этот узел всплывает вверх, откуда и удаляется. Процедура выполняется за время <tex>\Theta(\log(n))</tex>, поскольку каждая из операций, которые используется в реализацийреализации, работают за <tex>\Theta(\log(n))</tex>.

void '''function''' delete(H: '''BinomialHeap''', x: '''Node''') { //уменшение ключа до минимально вохможного значения: decreaseKey(H, x, <tex>-\infty</tex>);<font color = "green">// уменьшение ключа до минимально возможного значения </font> extractMin(H) <font color = "green">//удаление "всплывшего" элемента extractMin(H); }</font>

=== Персистентность ===Биноминальную кучу можно сделать [[Персистентные структуры данных|персистентной]] при реализации на односвязных списках<ref>[https://github.com/kgeorgiy/okasaki/tree/master/Okasaki/Chapter3 Github {{---}} реализация на Haskell]</ref>. Для этого будем хранить список корней в порядке возрастания ранга, а детей будем хранить по убыванию ранга. Каждый родитель будет знать ребенка с большим рангом, который является головой списка детей, но ребенок не будет знать родителя. Односвязанные списки хороши с точки зрения функционального программирования, так как голова списка не будет достижима из потомков. Тогда при добавлениии новой версии в голову или удалении объявляя другую вершину новой головой мы не будем терять старые версии, которые останутся на месте, так как фактически односвязный список с операциями на голове это [[Персистентный стек|персистентный стек]], который является полностью персистентной функциональной структурой. При этом каждая версия будет поддерживать возможность изменения, что является полным уровнем персистентности. Также поддерживается операция <tex>\mathrm {merge}</tex> для всех версий биномиальных куч, что позволяет получать новую версию путём сливания старых. Это добавляет конфлюэнтный уровень персистентности. == См. также ==* [[Двоичная куча]]* [[Фибоначчиева куча]]* [[Левосторонняя куча]]* [[Куча Бродала-Окасаки]] ==Примечания== <references />== Источники информации ==* [http://ru.wikipedia.org/wiki/Биномиальная_куча Википедия {{---}} Биномиальная куча]* [http://en.wikipedia.org/wiki/Binomial_heap Wikipedia {{---}} Binomial heap]* [http://www.intuit.ru/department/algorithms/dscm/7/ Биномиальные кучи — INTUIT.ru{{---}} Биномиальные кучи]* [http://enwww.wikipedialektorium.orgtv/wikilecture/Binomial_heap Binomial heap — Wikipedia?id=14234 Лекция А.С. Станкевича по приоритетным очередям]