1632
правки
Изменения
м
[[Файл:Suffix_tree_3.png|thumb|right|Суффиксное дерево для строки <tex>xabxa</tex> с защитным символом]]
Количество Число внутренних вершин дерева, каждая из которых имеет не менее двух детей, меньше количества числа листьев.
Докажем лемму индукцией по количеству листьев <tex>n</tex>.
'''База''': Докажем лемму индукцией по числу листьев <tex>n</tex>.
При <tex>n = 2</tex> в дереве одна внутренняя вершина, следовательно утверждение верно.: '''База'''
'''Переход''' : При <tex>n \rightarrow n + 1= 2</tex>в дереве одна внутренняя вершина, следовательно утверждение верно.
Возьмем вершину в дереве с : '''Переход''' <tex>n \rightarrow n + 1</tex> листами, у которой два ребенка {{---}} листья. Рассмотрим возможные случаи:
1) У нее более двух детей. Тогда отрежем от нее лист. Получим дерево : Возьмем вершину в дереве с <tex>n+ 1</tex> листьямилистами, причем в нем количество внутренних вершин такое же, как в исходном дереве. Но у полученного дерева по индукционному предположению менее <tex>n</tex> внутренних вершин, а, значит, и для исходного дерева лемма вернакоторой два ребенка {{---}} листья.Рассмотрим возможные случаи:
2) # У нее более двух детей. Тогда отрежем от нее лист. Получим дерево с <tex>n</tex> листьями, причем в нем число внутренних вершин такое же, как в исходном дереве. Но у полученного дерева по индукционному предположению менее <tex>n</tex> внутренних вершин, а, значит, и для исходного дерева лемма верна.# У нее ровно два ребенка. Отрежем их, получим дерево с <tex>n - 1</tex> листьями, количество число внутренних вершин которого на <tex>1</tex> меньше, чем в исходном дереве. Тогда по индукционному предположению у него менее <tex>n - 1</tex> внутренних вершин, значит, в исходном дереве их меньше <tex>n+ 1</tex>.
go[0] = Vertex() // корень
count = 0 // номер последней вершины, созданной в дереве (глобальная переменная)
'''for''' i = 0 '''to''' n // для каждого символа строки
insert(i, n) // добавляем суффикс, начинающийся с него
* # Количество различных подстрок данной строки.* # Наибольшую общую подстроку двух строк.* # [[Суффиксный массив| Суффиксный массив]] и массив <tex>lcp</tex> (''longest common prefix'') исходной строки.* # Строку максимальной длины, ветвящуюся влево и вправо за <tex>ST + O(n)</tex>.
rollbackEdits.php mass rollback
[[Суффиксный бор|Суффиксный бор]] {{---}} удобная структура данных для поиска подстроки в строке, но она требует порядка квадрата длины исходной строки памяти. Оптимизацией суффиксного бора, требующей линейное количество памяти, является '''сжатое суффиксное дерево''' (англ. ''compressed suffix tree''), рассматриваемое далее.
==Определение==
{{Определение
|neat = 1
|id=suffix_tree
|definition =
'''Суффиксное дерево''' (сжатое суффиксное дерево) <tex>T</tex> для строки <tex>s</tex> (где <tex>|s| = n</tex>) {{---}} дерево с <tex>n</tex> листьями, обладающее следующими свойствами:
*Каждая каждая внутренняя вершина дерева имеет не меньше двух детей;*Каждое каждое ребро помечено непустой подстрокой строки <tex>s</tex>;*Никаких никакие два ребра, выходящие из одной вершины, не могут иметь пометок, начинающихся с одного и того же символа;*Дерево дерево должно содержать все суффиксы строки <tex>s</tex>, причем каждый суффикс заканчивается точно в листе и нигде кроме него.}}[[Файл:Suffix_tree_3.png|250px|thumb|Суффиксное дерево для строки <tex>xabxa</tex> с защитным символом]]
'''Данное определение порождает следующую проблему:''' <br/>
Рассмотрим дерево для строки <tex>xabxa</tex>: суффикс <tex>xa</tex> является префиксом суффикса <tex>xabxa</tex>, а, значит, этот суффикс не закачивается в листе. Для решения проблемы в конце строки <tex>s</tex> добавляют символ, не входящий в исходный алфавит: '''''защитный''''' символ. Обозначим его как <tex>\$</tex>. Любой суффикс строки с защитным символом действительно заканчивается в листе и только в листе, т. к. в такой строке не существует двух различных подстрок одинаковой длины, заканчивающихся на <tex>\$</tex>.
Далее <tex>n</tex> {{---}} длина строки <tex>s</tex> с защитным символом.
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
<br/>
==Количество Число вершин==По определению, в суффиксном дереве содержится <tex>n</tex> листьев. Оценим количество число внутренних вершин такого дерева.
{{Лемма
|statement=
|proof=
}}
==Занимаемая память==
Представим дерево как двумерный массив размера <tex>|V| \times |\Sigma|</tex>, где <tex>|V|</tex> {{---}} количество число вершин в дереве, <tex>|\Sigma|</tex> {{---}} мощность алфавита. Для любого суффиксного дерева верна предыдущая лемма (у каждой вершины, по определению, не менее двух детей), значит, <tex>|V| = O(2 n)</tex>. Каждая <tex>a[i][j]</tex> ячейка содержит информацию о том, в какую вершину ведет ребро из <tex>i</tex>-ой вершины по <tex>j</tex>-ому символу и индексы <tex>l, r</tex> начала и конца подстроки, записанной на данном переходе. Итак, дерево занимает <tex>O(n|\Sigma|)</tex> памяти.
==Построение суффиксного дерева==
===Наивный алгоритм===
Рассмотрим наивный алгоритм построения суффиксного дерева строки <tex>s</tex>:
'''struct''' Vertex: <span style="color:Green">// Структура, содержащая информацию о вершине </span> '''int''' l <span style="color:Green">// индекс начала подстроки </span> '''int''' r <span style="color:Green">// индекс конца подстроки </span> '''int''' v <span style="color:Green">// индекс текущей позиции </span> go[0] = '''new''' Vertex <span style="color:Green">// массив из пустых Vertex (можно все поля положить -1), размер массива -- количество символов в алфавите </span> count = 0 <span style="color:Green">// номер последней вершины, созданной в дереве (глобальная переменная)</span> '''for''' i = 0 '''to''' n <span style="color:Green">// для каждого символа строки</span> insert(i, n) <span style="color:Green">// добавляем суффикс, начинающийся с него</span> '''void''' insert('''int''' l, '''int''' r):
cur = 0
'''while''' (l < r) '''if''' (go[cur][s[l]].v == -1 ) <span style="color:Green">// если мы не можем пойти из вершины по символу <tex> l </tex></span> createVertex(cur, l, r) <span style="color:Green">// создаем новую вершину </span>
'''else'''
start = go[cur][s[l]].l
finish = go[cur][s[l]].r
hasCut = ''false'' '''for''' j = start '''to''' finish and l + j - start < n <span style="color:Green">// для каждого символа на ребре из текущей вершины</span> '''if''' (s[l+j-start] <tex> \neq </tex> != s[j] ) <span style="color:Green">// если нашли не совпадающий символ</span> <span style="color:Green">// создаем вершину на ребре</span>
old = go[cur][s[l]]
createVertex(cur, l, j - 1)
go[count][s[j]].v = old
go[count][s[j]].r l = j go[count][s[j]].l r = finish
createVertex(count, l + j - start, r)
hasCut = ''true''
'''break'''
'''if''' (!hasCut) cur = go[cur][s[l]].v <span style="color:Green">// переходим по ребру</span> l = l + finish - start <span style="color:Green">// двигаемся по суффиксу на длину подстроки, записанной на ребре</span>
'''else'''
'''break'''
'''void''' createVertex('''int''' cur, '''int''' l, '''int''' r): go[++count] = '''new''' Vertex()
go[cur][s[l]].v = count
go[cur][s[l]].l = l
go[cur][s[l]].r = r
Этот алгоритм работает за время <tex>O(n^2)</tex>, однако [[Алгоритм Укконена| алгоритм Укконена]] позволяет построить сжатое суффиксное дерево за <tex>O(n)</tex>.
===Построение из суффиксного массива===
Пусть нам известен [[Суффиксный массив| суффиксный массив]] <tex>suf</tex> строки <tex>s</tex>, его можно получить [[Алгоритм Карккайнена-Сандерса| алгоритмом Карккайнена-Сандерса]] за линейное время. Для преобразования нам также понадобится массив <tex>lcp</tex> (''longest common prefix''), который можно получить [[Алгоритм Касаи и др.| алгоритмом Касаи]].
В этом преобразовании используется тот же инвариант, что и в других суффиксных структурах:
Будем строить дерево, добавляя суффиксы в лексикографическом порядке. Чтобы ускорить добавление, будем использовать то, что <tex>i</tex>-ый суффикс имеет с предыдущим <tex>lcp[i]</tex> общих символов. Тогда добавление из корня не отличается от того, что мы поднимемся вверх из предыдущего суффикса до глубины <tex>lcp[i]</tex> и продолжим построение оттуда. Инвариант позволяет нам утверждать, что ни один лист мы не сможем продолжить, и нам всегда нужно будет хоть раз подняться из него вверх. Поскольку суффиксы отсортированы лексикографически, мы не будем спускаться по ребру после того, как уже поднялись из него из-за несовпадения символа. Все это позволяет сформулировать алгоритм добавления суффикса по известной вершине предыдущего суффикса:
# Подняться из вершины вверх до глубины <tex>lcp</tex>.
# Если эта глубина находится на ребре, разрезать ребро по ней.
# Вставить новую вершину как сына вершины с глубиной <tex>lcp</tex>.
В вершинах дерева <tex>Node</tex> мы будем хранить предка <tex>\mathtt {parent}</tex>, [[Стек| стек]] детей в лексикографическом порядке ребер <tex>\mathtt{children}</tex>, глубину вершины в символах от корня <tex>\mathtt{depth}</tex>.
Соответственно, конструктор вершины имеет вид <code>Node(Node parent, '''int''' depth)</code>.
<code>
'''Node ''' addNextSuffix('''Node ''' previous, '''int''' length, '''int''' lcp): '''if''' (previous.depth == 0 '''or''' previous.depth == lcp ) <font color=green> // Добавляем к сыновьям текущей вершины </font> added = '''Node'''(previous, length)
previous.children.push(added)
'''return''' added
'''else'''
'''if''' previous.parent.depth < lcp: <font color=green> // Нужно разрезать ребро </font> inserted = '''Node'''(prevous.parent, lcp)
previous.parent.children.pop()
previous.parent.children.push(inserted)
'''return''' addNextSuffix(previous.parent, length, lcp)
'''Node ''' buildSuffixTree('''int[]''' suf, '''int[]''' lcp, '''int''' length): root = '''Node'''('''null''', 0)
previous = root
'''for''' i = 1 '''to''' length
</code>
В процессе построения мы нигде не запоминали сами позиции строки, соответствующие ребрам. Чтобы их восстановить, достаточно определить максимальный суффикс, который проходит по этому ребру. Для этого с помощью [[Обход в глубину, цвета вершин| обхода в глубину]] посчитаем для каждой вершину дерева максимальную глубину ее листа <tex>\mathtt{maxDepth}</tex>.
Тогда ребро <tex>s[start, end]</tex> определяется так:
<code>
'''functionvoid''' calculatePositions('''Node ''' parent, '''Node ''' child, '''int''' stringLength):
start = stringLength - child.maxDepth + parent.depth
end = start + child.depth - parent.depth - 1
==Использование сжатого суффиксного дерева==
Суффиксное дерево позволяет за линейное время найти:
===Построение суффиксного массива и массива lcp из суффиксного дерева===
Тогда суффиксный массив строится из суффиксного дерева [[Обход в глубину, цвета вершин| обходом в глубину]] в указанном порядке.
Пусть длина строки <tex>\mathtt{length}</tex>, глубина листа в символах <tex>\mathtt{depth}</tex>, тогда номер суффикса <tex>\mathtt{i = length - depth}</tex>.
Для заполнения массива <tex>lcp</tex> нам понадобится вершина <tex>\mathtt{minNode}</tex>, которая будет означать вершину с минимальной глубиной, в которую мы поднимались при переходе между суффиксами. Поскольку мы точно поднимались туда, но не поднимались выше, это будет [[Сведение задачи LCA к задаче RMQ| наименьший общий предок]] этих узлов. Из этого следует, что у рассматриваемых суффиксов совпадает ровно <tex>\mathtt{lcp = minNode.depth}</tex> символов.
<code>
'''int''' curPos = 0
'''Node ''' minNode = root
<font color=green>// Для заполнения нужно вызвать dfs(root) </font>
'''functionvoid''' dfs('''Node ''' n):
'''if''' n.children.size == 0
suf[curPos] = length - n.depth
{{Определение
|definition=
'''Строка <tex>s</tex> называется ветвящейся вправо в <tex>t</tex>''' (англ. ''right branching string''), если существуют символы <tex>c</tex> и <tex>d</tex>, такие что <tex>c</tex> <tex>\ne</tex> <tex>d</tex> : <tex>sc</tex> и <tex>sd</tex> {{--- }} подстроки <tex>t</tex>. Аналогично, '''ветвящаяся влево''' (англ. ''left branching''), если <tex>cs</tex> и <tex>ds</tex> {{--- }} подстроки <tex>t</tex>.
}}
[[Файл:RightMergingSS.png|thumb|right400px|center|Суффиксное дерево для строки <tex>aabcabd</tex>]]Построим Суффиксное cуффиксное дерево при помощи [[Алгоритм Укконена|Алгоритма алгоритма Укконена]]. При создании ответвления будем увеличивать счётчик В полученном дереве не листовой вершине <tex>v</tex> будет соответствовать подстрока <tex>s</tex>, которая ветвится вправо, при условии, что количество "хороших" детей вершины<tex>v > 2</tex> ("хорошие" дети {{---}} листы, от которой идёт новый листметка которых <tex>\ne\$</tex>). В примере для строки <tex>aabcabd</tex> это <tex>b</tex>, <tex>a</tex> и <tex>ab</tex>. Далее введём термины ''левый символ'' и ''вершина различная влево'', чтобы найти строки, на ветвящиеся влево.{{Определение|definition='''Левый символ''' для позиции <tex>i</tex> строки <tex>S</tex> {{---}} это символ <tex>S(i-1)</tex>.'''Левым символом''' листа <tex>L</tex> называется ''левый символ'' начала суффикса, ведущего в этот лист.}}{{Определение|definition='''Вершина <tex>v</tex> различна влево''', если его пометка как минимум два листа в поддереве <tex>v</tex> имеют различные ''левые символы''. По определению лист не может быть различным влево.}}[[Файл:LeftBranchingSS.png|thumb|400px|right|Левые вершины и символы для суффиксного дерева над строкой <tex>\neaabcabd</tex> (символом <tex>\$#</tex>помечены различные влево вершины)]]Допустим, что строка ветвится влево. Таким образомПусть существуют подстроки <tex>cs</tex> и <tex>ds</tex>, тогда есть два суффикса, начинающиеся с <tex>s</tex>, если у которым соответствуют различные листовые вершины счётчик с различными левыми символами (<tex>c</tex> и <tex>d</tex>). Также в дереве существует внутренняя вершина <tex>v</tex>, соответствующая строке <tex>s</tex>. Из определения следует, что <tex>v</tex> различна влево. Чтобы найти строки, ветвящиеся влево, нужно проверить все внутренние вершины суффиксного дерева на различность влево. Если какая-то вершина <tex>v</tex> 1будет различна влево и удовлетворять свойству ветвимости право, то подстрокастрока, соответствующая вершине <tex>v</tex> будет ветвится вправо и влево. Чтобы найти вершины различные влево, нужно хранить левый символ для каждой вершины или информацию о том, что она различна влево. Для поиска строки, которую мы восстановимветвящейся влево, идя вверх по дереву до нужно промаркировать всё дерево. Сделать это можно при помощи [[Обход в глубину, цвета вершин| обхода в глубину]]. Начиная с корня, будет ветвящейся вправо (спускаясь вниз, для листов левый символ уже известен {{---}} при добавление нового суффикса в дерево записываем левый символ для него в примере лист, для строки вершины <tex>aabcabdv</tex> это запустим проверку. :'''Случай 1.''' Если среди левых детей <tex>bv</tex>есть хотя бы один, удовлетворяющий свойству различности влево, то обозначаем <tex>av</tex> как различную влево вершину (в суффиксном дереве свойство различности влево передаётся от детей к родителю {{---}} строка соответствующая вершине <tex>v</tex> и строка соответствующая ребёнку <tex>abv</tex>начинаются с одного и того же символа). Проделав аналогичную операцию для строки обратной исходной ( :'''Случай 2.''' Если среди левых символов детей <tex>v</tex> нет ни одного со свойством различная влево вершина, то проверяем на совпадение левые символы детей. ::'''Случай 2.1.''' Если все левые символ детей <tex>v</tex> одинаковы и эквивалентны <tex>x</tex>, то записываем в <tex>v</tex> этот символ <tex>x</tex>. ::'''Случай 2.2.''' Если не все левые символы детей <tex>v</tex> эквивалентны, то записываем в <tex>v</tex>, что она различна влево. Так как время проверки <tex>v</tex> пропорционально числу детей, время работы всего алгоритма {{---}} <tex>reverseO(abcn)=cba</tex>), мы получим набор подстрок. Теперь несложно среди всех найденных строк найти строку максимальной длины (также этот алгоритм можно использовать для нахождения количества строк, ветвящихся влевои вправо). Найдя максимальную общую подстроку двух наборов мы выполним задачу.
Таким образом мы умеем искать можно найти строку максимальной длины, ветвящуюся влево и вправо , за время <tex>ST+O(Nn)</tex>, где <tex>ST</tex> {{---}} время построения суффиксного дерева.
==См. также==
