286
правок
Изменения
Нет описания правки
'''Сплей-дерево ''' (англ. ''Splay-tree)''' {{---}} ) — это [[Дерево поиска, наивная реализация | двоичное дерево поиска]]. Оно позволяет находить быстрее те данные, которые использовались недавно. Относится к разряду сливаемых деревьев. Сплей-дерево было придумано Робертом Тарьяном и Даниелем Слейтером в <tex>1983 </tex> году.
==Эвристики==
Для того, чтобы доступ к недавно найденным данным был быстрее, надо, чтобы эти данные находились ближе к корню. Этого мы можем добиться, используя различные эвристики:
* '''Move to Root''' {{---}} совершает повороты вокруг ребра <tex>(x, p)</tex>, где <tex>x</tex> - — найденная вершина, <tex>p</tex> - — ее предок, пока <tex>x</tex> не окажется корнем дерева. Однако можно построить такую последовательность операций, что амортизированное время доступа к вершине будет <tex> O\Omega(n) </tex>.
* '''Splay''' {{---}} также совершает повороты, но чередует различные виды поворотов, благодаря чему достигается логарифмическая амортизированная оценка. Она будет подробно описана ниже.
'''Пример''': При последовательном использовании операций "move to root" для вершин <tex>A</tex> и <tex>B</tex> требуется по <tex>6</tex> поворотов, в то время как при использовании операции "splay" для вершины <tex>B</tex> достаточно <tex>3</tex> поворотов.
[[file:Move_to_root.png|750px]]
[[file:Splay.png|750px]]
==Операции со splay-деревом==
===Splaysplay(Treetree, x)==="Splaysplay" делится на <tex>3 </tex> случая:====Zigzig====Если <tex>p</tex> - — корень дерева с сыном <tex>x</tex>, то совершаем один поворот вокруг ребра <tex>(x, p)</tex>, делая <tex>x</tex> корнем дерева. Данный случай является крайним и выполняется только один раз в конце, если изначальная глубина <tex>x</tex> была нечетной.
[[file:ZigSplayЗиг.gifpng|500px800px|Zig - zig — поворот]]====Zigzig-Zigzig====Если <tex>p</tex> - — не корень дерева, а <tex>x</tex> и <tex>p</tex> - — оба левые или оба правые дети, то делаем поворот ребра <tex>(p, g)</tex>, где <tex>g</tex> отец <tex>p</tex>, а затем поворот ребра <tex>(x, p)</tex>.
[[file:ZigZigSplayЗиг_зиг.gifpng|500px800px|Zigzig-zig - — поворот]]====Zigzig-Zagzag====Если <tex>p</tex> - — не корень дерева и <tex>x</tex> - — левый ребенок, а <tex>p</tex> - — правый, или наоборот, то делаем поворот вокруг ребра <tex>(x, p)</tex>, а затем поворот нового ребра <tex>(x, g)</tex>, где <tex>g</tex> - — бывший родитель <tex>p</tex>.
[[file:ZigZagSplayЗиг_заг2.gifpng|500px900px|Zigzig-zag - — поворот]]
Данная операция занимает <tex>O(d)</tex> времени, где <tex>d</tex> - — длина пути от <tex>x</tex> до корня. В результате этой операции <tex>x</tex> становится корнем дерева, а расстояние до корня от каждой вершины сокращается примерно пополам, что связано с разделением случаев "zig-zig" и "zig-zag".
===Findfind(Treetree, x)===Эта операция выполняется как для обычного [[Дерево поиска, наивная реализация|бинарного дерева]], только после нее запускается операция Splaysplay.
===Mergemerge(Tree1tree1, Tree2tree2)===У нас есть два дерева <tex>Tree1\mathtt{tree1}</tex> и <tex>Tree2\mathtt{tree2}</tex>, причём подразумевается, что все элементы первого дерева меньше элементов второго. Запускаем Splay splay от самого большого элемента в дереве <tex>Tree1\mathtt{tree1}</tex> (пусть это элемент <tex>i</tex>). После этого корень <tex>Tree1\mathtt{tree1}</tex> содержит элемент <tex>i</tex>, при этом у него нет правого ребёнка. Делаем <tex>Tree2\mathtt{tree2}</tex> правым поддеревом <tex>i</tex> и возвращаем полученное дерево.
===Splitsplit(Treetree, x)===Запускаем Splay splay от элемента <tex>x</tex> и возвращаем два дерева, полученные отсечением правого или левого поддерева от корня, в зависимости от того, содержит корень элемент больше или не больше, чем <tex>x</tex>.
===Addadd(Treetree, x)===Запускаем Splitsplit(Treetree, x), который нам возвращает деревья <tex>Tree1\mathtt{tree1}</tex> и <tex>Tree2\mathtt{tree2}</tex>, их подвешиваем к <tex>x</tex> как левое и правое поддеревья соответственно.
===Removeremove(Treetree, x)=== Запускаем Splay splay от <tex>x</tex> элемента и возвращаем Merge от его детей.
==Анализ операции splay==
[[Амортизационный анализ | Амортизационный анализ]] сплей-дерева проводится с помощью метода потенциалов. Потенциалом рассматриваемого дерева назовём сумму рангов его вершин. Ранг вершины <tex>x</tex> — это величина, обозначаемая <tex>r(x)</tex> и равная <tex>\log_2 C(x)</tex>, где <tex>C(x)</tex> — количество вершин в поддереве с корнем в <tex>x</tex>.
{{Лемма
|id = Lemma1
|statement=
Амортизированное время операции splay вершины <tex>x</tex> в дереве с корнем <tex>t</tex> не превосходит <tex>3r(t) - 3r(x) + 1</tex>
Разберём случаи в зависимости от типа шага:
'''Zigzig'''. Поскольку выполнен один поворот, то время амортизированное время выполнения шага <tex>T = 1 + r'(x) + r'(p) - r(x) - r(p)</tex> (поскольку только у вершин <tex>x</tex> и <tex>p</tex> меняется ранг). Ранг вершины <tex>p</tex> уменьшился, поэтому <tex>T \le leqslant 1 + r'(x) - r(x)</tex>. Ранг вершины <tex>x</tex> увеличился, поэтому <tex>r'(x) - r(x) \ge geqslant 0</tex>. Следовательно, <tex>T \le leqslant 1 + 3r'(x) - 3r(x)</tex>. '''zig-zig'''. Выполнено два поворота, амортизированное время выполнения шага <tex>T = 2 + r'(x) + r'(p) + r'(g) - r(p) - r(x) - r(g)</tex>. Поскольку после поворотов поддерево с корнем в <tex>x</tex> будет содержать все вершины, которые были в поддереве с корнем в <tex>g</tex> (и только их), поэтому <tex>r'(x) = r(g)</tex>. Используя это равенство, получаем: <tex>T = 2 + r'(p) + r'(g) - r(x) - r(p) \leqslant 2 + r'(p) + r'(g) - 2r(x)</tex>, поскольку <tex>r(x) \leqslant r(p)</tex>. Далее, так как <tex>r'(p) \leqslant r'(x)</tex>, получаем, что <tex>T \leqslant 2 + r'(x) + r'(g) - 2r(x)</tex>. Мы утверждаем, что эта сумма не превосходит <tex>3(r'(x) - r(x))</tex>, то есть, что <tex>r(x) + r'(g) - 2r'(x) \leqslant -2</tex>. Преобразуем полученное выражение следующим образом: <tex>(r(x) - r'(x)) + (r'(g) - r'(x)) = \log_2 \dfrac {C(x)}{C'(x)} + \log_2 \dfrac {C'(g)}{C'(x)}</tex>.
Мы утверждаем, что эта сумма не превосходит <tex>32(r'(x) - r(x))</tex>, то есть, что <tex>r'(xp) + r'(g) - 2r'(x) \le leqslant -2</tex>. Преобразуем полученное выражение следующим образом: Но, поскольку <tex>(r(x) - r'(x)p) + (r'(g) - r2r'(x)) = \log_2 \fracdfrac {C'(xp)}{C'(x)} + \log_2 \fracdfrac {C'(g)}{C'(x)}\leqslant -2</tex>- аналогично доказанному ранее, что и требовалось доказать.
}}
==Теорема о близких запросах в сплей-дереве==
{{Теорема
|about =
о близких запросах в сплей-дереве
|statement =
Пусть в сплей-дерево сложены ключи <tex> 1, \dotsc, n </tex>. Зафиксируем один из ключей <tex> f </tex>. Пусть выполняется <tex> m </tex> запросов к ключам. Тогда суммарное время на запросы есть <tex> \displaystyle O(n \log_{2} n + m + \sum_{i=1}^{m} \log_2 ( \lvert q_{i} - f \rvert + 1)) </tex>, где <tex> q_{i} </tex> {{---}} значение в вершине, к которой обращаются в <tex> i </tex>-ый запрос.
|proof =
Для доказательства теоремы воспользуемся методом потенциалов:
<tex> a_{i} = t_{i} + \Phi_{i} - \Phi_{i-1} </tex>.
По условию выполняется <tex> m </tex> запросов, следовательно
<tex> T = \displaystyle \sum_{i=1}^{m} t_{i} = \sum_{i=1}^{m} \left (a_{i} + \Phi_{i-1} - \Phi_{i} \right) = \sum_{i=1}^{m} a_{i} + \sum_{i=1}^{m} \left ( \Phi_{i-1} - \Phi_{i} \right) </tex> <tex> (\ast) </tex>.
Введем следующие обозначения:
* Весом узла с ключом <tex> q </tex> будем называть величину <tex> w(q) =\displaystyle \dfrac {1}{\left (\lvert q - f \rvert + 1 \right )^{2}} </tex>.
* Размером узла, содержащего ключ <tex> q </tex>, будем называть величину <tex> s(q) = \displaystyle \sum_{y} w(y) </tex>, где <tex> y </tex> {{---}} узлы поддерева с корнем в <tex> q </tex>.
* <tex> r(q) = \log_{2}s(q) </tex> {{---}} ранг узла.
* Потенциал дерева после <tex> i </tex>-го запроса обозначим как <tex> \Phi_{i} = \displaystyle \sum_{q=1}^{n} r(q) = \displaystyle \sum_{q=1}^{n} \log_{2}s(q) </tex>.
Пусть <tex> W </tex> {{---}} вес дерева. Тогда <tex> W = \displaystyle \sum_{q=1}^{n} w(q) = \sum_{q=1}^{n} \dfrac {1}{\left (\lvert q - f \rvert + 1 \right)^{2}} \leqslant 2 \cdot \sum_{q=1}^{+\infty} \dfrac {1}{ \left ( \lvert q - f \rvert + 1 \right)^{2}} = O(1) </tex>.
Последнее верно, так как при фиксированном <tex> f </tex>, начиная с некоторого места, а именно <tex> q = f </tex>, ряд сходится.
Из определения размера узла следует, что <tex> w(q) \leqslant s(q) \leqslant W </tex>.
Также заметим, что для любого <tex> q </tex> от <tex> 1 </tex> до <tex> n </tex> верно, что <tex> w(q) \geqslant \displaystyle \dfrac {1}{n^{2}} </tex>, так как максимальное значение знаменателя в определении <tex> w(q) </tex> достигается при <tex> q = n </tex> и <tex> f = 1 </tex> или наоборот.
Тогда, воспользовавшись полученными оценками, найдем изменение потенциала сплей-дерева после <tex> m </tex> запросов:
<tex>\displaystyle \sum_{i=1}^{m} \left ( \Phi_{i-1} - \Phi_{i} \right) = \Phi_{0} - \Phi_{m} \leqslant \sum_{q=1}^{n} \log_{2} W - \sum_{q=1}^{n} \log_{2}w(q) = \sum_{q=1}^{n} \log_{2} \dfrac {W}{w(q)} </tex> <tex> \displaystyle = O \Biggl(\sum_{q=1}^{n} \log_{2} n^{2}\Biggr) = </tex> <tex> \displaystyle O\Biggl(2 \cdot\sum_{q=1}^{n} \log_{2} n\Biggr) = O\left (n \log_{2}n\right) </tex>.
Первое неравенство верно, так как максимальное значение потенциала достигается при <tex> s(q) = W </tex>, а минимальное при <tex> s(q) = w(q) </tex>, а значит изменение потенциала не превышает разности этих величин.
Обозначим за <tex> t </tex> корень сплей-дерева. Тогда, воспользовавшись вышеуказанной [[#Lemma1|леммой]] (можно показать, что она верна для любого фиксированного определения веса узла) получаем, что
<tex> \displaystyle a_{i} = 3 \cdot \left ( r(t) - r(q_{i}) \right) + 1 = O\left (\log_{2} \dfrac {s(t)}{s\left (q_{i}\right)}\right) + 1 = O\left (\log_{2} \dfrac {W}{w(q_{i})}\right) + 1 = </tex> <tex> O\left (\log_{2} \left (W \cdot \left (\lvert q_{i} - f \rvert + 1 \right)^{2} \right ) \right ) + 1 = O\left (\log_{2} \left (\lvert q_{i} - f \rvert + 1 \right) \right ) + 1 </tex>.
Докажем, что данное определение потенциала удовлетворяет условию [[Амортизационный анализ|теоремы о методе потенциалов]].
Для любого <tex> i </tex> верно, что <tex> a_{i} = O(\log_{2}(n)) </tex>, так как <tex> \lvert q_{i} - f \rvert + 1 \leqslant n </tex>, и <tex> \Phi_{i} = O(n\log_{2}(n)) </tex>, как было показано выше. Так как количество операций на запрос <tex>k = O(n) </tex>, то <tex> a_{i} = O(f(k,n)) </tex> и <tex> \Phi_{i} = O(kf(k,n)) </tex>, где <tex> f(k,n) </tex> {{---}} функция из теоремы о методе потенциалов, равная в данном случае <tex> \log_{2}n </tex>. Следовательно, потенциал удовлетворяет условию теоремы.
Тогда, подставляя найденные значения в формулу <tex> (\ast) </tex>, получаем, что
<tex>T=\displaystyle \sum_{i=1}^{m} \left ( O \left ( \log_{2} \left ( \lvert q_{i} - f \rvert + 1 \right) \right) + 1 \right ) + O\left ( n \log_{2} n \right) = </tex> <tex> \displaystyle O \left (n \log_{2} n + m + \displaystyle \sum_{i=1}^{m} \log_{2} \left ( \lvert q_{i} - f \rvert + 1 \right) \right)</tex>.
}}
Данная теорема показывает, что сплей-деревья поддерживают достаточно эффективный доступ к ключам, которые находятся близко к какому-то фиксированному ключу.
==Splay-деревья по неявному ключу==
Splay-дерево по неявному ключу полностью аналогично [[Декартово дерево по неявному ключу|декартову дереву по неявному ключу]], неявным ключом также будет количество элементов дерева, меньших данного. Аналогично, будем хранить вспомогательную величину <tex>C(x)</tex> — количество вершин в поддереве. К операциям, которые уже были представлены в декартовом дереве, добавляется splay, но пересчет <tex>C(x)</tex> в ней тривиален, так как мы точно знаем, куда перемещаются изменяемые поддеревья.
==Источники информации==*[http[wikipedia://en.wikipedia.org/wiki/Splay_tree :Splay_Tree|Википедия {{--- }} Splay tree]]
*[http://www.cs.cmu.edu/~sleator/papers/self-adjusting.pdf Sleator, Daniel D.; Tarjan, Robert E."Self-Adjusting Binary Search Trees"]