Методы получения случайных комбинаторных объектов — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Правильные скобочные последовательности)
Строка 43: Строка 43:
 
Рассмотрим "полуправильные" скобочные последовательности т.е. такие что всякой закрывающей скобке соответствует парная открывающая, но не все открытые скобки закрыты. Такую последовтеьность можно охарактеризовать двумя числами: <tex> l </tex> — длина скобочной последовательности и <tex> b </tex> — баланс (т.е. разность между количеством открывающих и закрывающих скобок). Заметим что любой префикс правильной скобочной последовательности является "полупраильной" скобочной последовательностью, и что для любого префикса <tex> P </tex> длины <tex> l </tex> число различных ПСП длины <tex> n </tex> равно числу "полуправильных" скобочных последовательностей длины <tex> n-l </tex> с таким же балансом как у <tex> P </tex>.
 
Рассмотрим "полуправильные" скобочные последовательности т.е. такие что всякой закрывающей скобке соответствует парная открывающая, но не все открытые скобки закрыты. Такую последовтеьность можно охарактеризовать двумя числами: <tex> l </tex> — длина скобочной последовательности и <tex> b </tex> — баланс (т.е. разность между количеством открывающих и закрывающих скобок). Заметим что любой префикс правильной скобочной последовательности является "полупраильной" скобочной последовательностью, и что для любого префикса <tex> P </tex> длины <tex> l </tex> число различных ПСП длины <tex> n </tex> равно числу "полуправильных" скобочных последовательностей длины <tex> n-l </tex> с таким же балансом как у <tex> P </tex>.
  
Научимся считать <tex> number(l, b) </tex> {{---}} число последовательностей длины <tex> l </tex> и баланса <tex> b </tex>).
+
Научимся считать <tex> number(l, b) </tex> {{---}} число последовательностей длины <tex> l </tex> и баланса <tex> b </tex>). Если <tex> l = 0 </tex>, то ответ понятен сразу: <tex> number[0][0] = 1 </tex>, все остальные <tex> number[0][b] = 0 </tex>. Пусть теперь <tex> i > 0 </tex>, тогда переберём, чему мог быть равен последний символ этой последовательности. Если он был равен <tex> '(' </tex>, то до этого символа мы находились в состоянии <tex> (l-1,b-1) </tex>. Если он был равен <tex>')'</tex>, то предыдущим было состояние <tex>(l-1,b+1)</tex>. Таким образом, получаем формулу:
 +
 
 +
<tex>number[i][j] = number[i-1][j-1] + number[i-1][j+1]</tex>
 +
 
 +
(считается, что все значения <tex>d[i][j]</tex> при отрицательном <tex>j</tex> равны нулю). Этот преподсчет можно выполнить за <tex>O(n^2)</tex>.

Версия 01:19, 8 декабря 2018

Описание алгоритма

Задача:
Необходимо сгенерировать случайный комбинаторный объект размера [math] n [/math] с равномерным распределением вероятности, если в наличии есть функция для генерации случайного числа в заданном интервале.

Пусть [math] B = \{b_1, b_2 ..., b_k\} [/math] - множество различных элементов, которые могут находиться в данном комбинаторном объекте.

Будем получать элементы по порядку: сначала определим, какой элемент будет стоять на первом месте, потом на втором и так далее. Считаем, что мы построили префикс длинны [math] i [/math] : [math] P = \{a_1, a_2, \ldots, a_i\} [/math]. Будем выбирать элемент [math] a_{i+1} [/math] из множества всех возможных так, чтобы вероятность выбора элемнта [math] b \in B [/math], была пропорциональна числу комбинторных обьектов размера [math] n [/math] с префиксом [math] P + b [/math]. Для этого разобъем отрезок натуральных чисел [math] [1, s] [/math]. где [math] s [/math] - число различных комбинаторных объектов с текущим префиксом, на [math] k [/math] диапазонов так, чтобы размер диапазаоны [math] d_j [/math] был равен числу объектов с префиксом [math] P + b_j [/math]. С помощью функция для генерации случайного числа получим число [math] r [/math] в интервале [math] [1, s] [/math] и добавим к префиксу [math] P [/math] элемент [math] b_j [/math] соответствующий диапазону отрезка в которм находится полученное число.

object randomObject(n: int, k: int):  // [math] n [/math] — размер комбинторного объекта, [math] k [/math] — число различных элемнтов.
  for i = 1 to n                               
    s = number(prefix)  // число комбинаторных объектов с текущим префиксом. 
    r = random(1, s)
    for j = 1 to k  
      if number(prefix + B[j]) < r  // [math] B [/math] — множество всех возможных элементов. 
        r = r - number(prefix + B[j])  // если [math] r [/math] не попало в текщий диапазон — перейдем к следующему.
      else 
        prefix[i] = b[j]
        break
  return prefix

Сложность алгоритма — [math]O(nk) [/math]. Количества комбинаторных объектов с заданными префиксами считаются известными, и их подсчет в сложности не учитывается. Стоит отметить, что подсчет количества комбинаторных объектов с заданным префиксом зачастую является задачей с достаточно большой вычислительной сложностью.

Доказательство корректности

Докажем по индукции, что вероятность получить любой перфикс [math] P [/math] равна [math] C(n)\over{S(P)} [/math], где [math] C(n) [/math] - число различных комбинаторных данного типа длины [math] n [/math], а [math] S(P) [/math] - число различных комбинаторных обьектов с таким префиксом.

  • Любой комбинаторный объеут имеет пустой перфикс, следовательно [math] S(\varnothing)=C(n) [/math]. Вероятность получить любой префикс [math] P [/math] длины [math] 1 [/math] равна [math] S(\varnothing)\over{S(P)} [/math], что равно [math] C(n)\over{S(P)} [/math].
  • Пусть вероятность получить префикс [math] P [/math] длины [math] l [/math] равна [math] C(n)\over{S(P)} [/math]
  • Тогда вероятность получить из [math] P [/math] любой префикс [math] P' [/math] длины [math] l+1 [/math] равна [math] C(n)\over{S(P)} [/math][math]\cdot[/math][math] S(P)\over{S(P')} [/math] , что равно [math] C(n)\over{S(P')} [/math]

Битовые вектора

Рассмотрим алгоритм получения случайного битового вектора. В битовом векторе может находиться только два типа элементов: [math] 0 [/math] и [math] 1 [/math], следовательно [math] k = 2 [/math]. Заметим что для любого префикса длины [math] l [/math] число возможных комбинаторных объектов одинаково и равно, следовательно на каждом шаге алгоритма небходмо выбирать с равной вероятностью [math] 0 [/math] или [math] 1 [/math]

vector<int> randomBitVector(n: int):  // [math] n [/math] — размер битового вектора.
  for i = 1 to n                               
    r = random(0, 1)
    v[i] = r
  return prefix

Сложность алгоритма — [math] O(n) [/math], так как в случае двоичных векторов [math] k [/math] постоянно и равно [math] 2 [/math].

Правильные скобочные последовательности

Рассмотрим алгоритм получения случайной правильной скобочной последовательности. Правильная скобочная пследовательность состоит из двух типов элементов: открывающей и закрывающей скобок, следовательно [math] k = 2 [/math].

Рассмотрим "полуправильные" скобочные последовательности т.е. такие что всякой закрывающей скобке соответствует парная открывающая, но не все открытые скобки закрыты. Такую последовтеьность можно охарактеризовать двумя числами: [math] l [/math] — длина скобочной последовательности и [math] b [/math] — баланс (т.е. разность между количеством открывающих и закрывающих скобок). Заметим что любой префикс правильной скобочной последовательности является "полупраильной" скобочной последовательностью, и что для любого префикса [math] P [/math] длины [math] l [/math] число различных ПСП длины [math] n [/math] равно числу "полуправильных" скобочных последовательностей длины [math] n-l [/math] с таким же балансом как у [math] P [/math].

Научимся считать [math] number(l, b) [/math] — число последовательностей длины [math] l [/math] и баланса [math] b [/math]). Если [math] l = 0 [/math], то ответ понятен сразу: [math] number[0][0] = 1 [/math], все остальные [math] number[0][b] = 0 [/math]. Пусть теперь [math] i \gt 0 [/math], тогда переберём, чему мог быть равен последний символ этой последовательности. Если он был равен [math] '(' [/math], то до этого символа мы находились в состоянии [math] (l-1,b-1) [/math]. Если он был равен [math]')'[/math], то предыдущим было состояние [math](l-1,b+1)[/math]. Таким образом, получаем формулу:

[math]number[i][j] = number[i-1][j-1] + number[i-1][j+1][/math]

(считается, что все значения [math]d[i][j][/math] при отрицательном [math]j[/math] равны нулю). Этот преподсчет можно выполнить за [math]O(n^2)[/math].