286
правок
Изменения
→Пример операций
==Идея==
===Описание===
Пусть дано некоторое дерево <tex>T</tex>, для которого мы хотим выполнять описанные выше операции. Рассмотрим алгоритм '''сжатия дерева''' (англ. ''tree-contraction algorithm''), предложенный Миллером и Райфом. Алгоритм сжимает <tex>T</tex> в одну вершину путем применения операций <tex>\mathrm{Rake}</tex> и <tex>\mathrm{Compress}</tex> в несколько раундов:
* <tex>\mathrm{Rake}</tex> {{---}} все листья дерева сжимаются к своим родителям,
* <tex>\mathrm{Compress}</tex> {{---}} выбирается и объединяется некоторое множество несмежных друг с другом вершин, имеющих ровно одного сына.
</tr></table>
Сжатие дерева требует линейного времени и логарифмическое число раундов.<br>Для выбора вершин, которые будут удалены во время операции <tex>\mathrm{Compress}</tex>, применяется следующий метод: для каждой вершины генерируется рандомный бит и вершина добавляется в множество удаляемых только в том случае, когда она имеет одного ребёнка, бит для неё равен <tex>0</tex>, а для родителя и ребёнка равен <tex>1</tex>.<br>
Рассмотрим, как изменяется количество вершин в дереве после применения к нему операций <tex>\mathrm{Rake}</tex> и <tex>\mathrm{Compress}</tex>.<br>Разобьём все вершины дерева на три группы:
* <tex>T_0</tex> {{---}} входящая степень равна нулю,
|about=2
|statement=После применения операций <tex>\mathrm{Rake}</tex> и <tex>\mathrm{Compress}</tex> к лесу, математическое ожидание количества вершин в нём не превосходит <tex>\dfrac{7}{8}</tex> от их исходного числа.
|proof=Математическое ожидание количества удаленных вершин <tex>\mathrm{deleted} = T_0 + \dfrac{T_1}{8}</tex> (так как все Все листья будут удалены после операции <tex>\mathrm{Rake}</tex>, а каждая вершина, у которой ровно один сын, будет удалена с вероятностью <tex>\dfrac{1}{8}</tex> после операции <tex>\mathrm{Compress}</tex> (так как мы рассматриваем три бита при выборе вершин и добавляем вершину в множество удаляемых только когда эти биты для родителя, вершины и ребёнка соответственно равны <tex>1</tex>, <tex>0</tex> и <tex>1</tex>).<br>Таким образом математическое ожидание количества удаленных вершин <tex>\mathrm{deleted} = T_0 + \dfrac{T_1}{8}</tex>. Из предыдущей леммы получаем:<br>
<tex>\mathrm{deleted} = \dfrac{1}{2} (T_0 + T_2) + \dfrac{1}{8} T_1 \geqslant \dfrac{1}{8} (T_0 + T_1 + T_2)</tex>.
}}
На каждом раунде сжатия (перечислены сверху вниз) удаляется множество вершин с использованием операций <tex>\mathrm{Rake}</tex> и <tex>\mathrm{Compress}</tex>:
* Операция <tex>\mathrm{Rake}</tex> удаляет лист и ребро, смежное с ним, сохраняя в соседях данные: метку удалённой вершины, вес удалённого ребра и данные о сжатых на предыдущих раундах вершинах.
* Операция <tex>\mathrm{Compress}</tex> удаляет вершины, имеющие ровно одного сына, и смежные им рёбра. Например, для вершины <tex>v</tex> c сыном <tex>w</tex> и родителем <tex>u</tex> будут удалены рёбра <tex>(u, v)</tex> и <tex>(v, w)</tex>. После этого добавляется ребро <tex>(u, w)</tex>, а данные вершины <tex>v</tex> и удалённых рёбер (метка удалённой вершины, сохранённые данные и веса удалённых рёбер) сохраняются в соседние вершины.
Например, для приведённого дерева на первом раунде сжатия применяется операция <tex>\mathrm{Rake}</tex> для вершин <tex>a</tex>, <tex>d</tex>, <tex>n</tex>, <tex>k</tex> и операция <tex>\mathrm{Compress}</tex> для <tex>g</tex> и <tex>i</tex>.<br><br>
Сжатие может быть рассмотрено как рекурсивная кластеризация дерева в один '''кластер'''(англ. ''cluster''). Изначально вершины и рёбра составляют базовый кластер. Операции <tex>\mathrm{Rake}</tex> и <tex>\mathrm{Compress}</tex> формируют большие кластеры из нескольких меньших кластеров.<br><br>На иллюстрации примера все кластеры (кроме базового) обозначены зелёными лепестками. Каждый кластер помечен заглавной буквой метки вершины, входящей в него. Например, кластер <tex>A</tex>, полученный после сжатия вершины <tex>a</tex> содержит вершины <tex>a</tex>, <tex>b</tex> и ребро <tex>(a, b)</tex>; сжатая вершина <tex>g</tex> создает кластер <tex>G</tex>, содержащий эту вершину и рёбра <tex>(f, g)</tex> и <tex>(g, h)</tex>. Во втором раунде, после сжатия вершины <tex>b</tex> создается кластер <tex>B</tex>, содержащий кластер <tex>A</tex> и ребро <tex>(b, c)</tex>.<br>Представление сжатого дерева в виде кластеров:
[[Файл:RC_graph_clusters.png|400px|left|thumb|Кластеризованное дерево <tex>T</tex>.]]
Определим кластер как поддерево исходного дерева, порожденное множеством вершин. {{Определение|definition=Для кластера <tex>C</tex> скажем, что вершина <tex>v</tex> из <tex>C</tex> называется '''граничной вершиной''', если <tex>v</tex> смежная с вершинами не из <tex>C</tex>. }}{{Определение|definition='''Граница кластера''' {{---}} множество граничных вершин кластера. }}{{Определение|definition=, а '''Степень степень кластера''' {{---}} количество граничных вершин кластера.}}
Например, для рассматриваемого дерева кластер <tex>A</tex> имеет границу <tex>\{b\}</tex> и степень <tex>1</tex>, а кластер <tex>G</tex> имеет границу <tex>\{f, g\}</tex> и степень <tex>2</tex>. При сжатии дерева все кластеры, кроме последнего, имеют степени <tex>1</tex> и <tex>2</tex>. Свойством алгоритмом сжатия является то, что:
