Изменения

'''''Алгоритм Ху-Таккера''''' (англ. ''Hu- Tucker Algorithm'') {{---}} алгоритм построения оптимального алфавитного дерева.

''Алфавитное дерево'' {{- --}} дерево в котором при просмотре листьев слева направо символы идут в алфавитном порядке, и код последующего лексикографически больше предыдущего.

Пусть <tex>A=\{a_{1},a_{2},...,a_{n}\}</tex> — алфавит из <tex>n </tex> различных символов, <tex>W=\{w_{1},w_{2},...,w_{n}\}</tex> — соответствующий ему набор весов. Тогда алгоритм выбора набора бинарных кодов <tex>C=\{c_{1},c_{2},...,c_{n}\}</tex>, такой, что:

1. *<tex>c_{i}</tex> не является префиксом для <tex>c_{j}</tex>, при <tex>i \ne j</tex>

2. *для всех <tex>a_{i}<a_{j}</tex>, выполнено <tex>c_{i}<c_{j}</tex>

3. *при удовлетворенности условия <tex>2</tex>, <tex>\sum\limits_{i \in [1, n]} w_{i}\cdot |c_{i}|</tex> минимальна (<tex>|c_{i}|</tex> — длина кода <tex>c_{i}</tex>)

* '''Шаг 2.''' ''Комбинирование''. По данной последовательности из <tex>n </tex> вершин строим последовательность из <tex>n-1</tex> вершины, комбинируя минимальную совместимую пару и заменяя ее левую вершину вершиной с весом <tex> w = w_{l} + w_{r} </tex> и удаляя правую. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не останется одна вершина.

* '''Шаг 4.''' ''Перестройка''. После того, как номера уровней <tex>l_{1}, l_{2}, ..., l_{n}</tex> всех листьев определены, просматриваем последовательность слева направо и находим самый левый номер максимального уровня, скажем, <tex>l_{i}=q</tex>. Тогда и <tex>l_{i+1}=q</tex> (в последовательности <tex>l_{1}, l_{2}, ..., l_{n}</tex> максимальные номера уровней всегда располагаются рядом). Создаем вершину уровня <tex>q-1</tex> вместо вершин уровня <tex>q</tex>. Другими словами, последовательность уровней <tex>l_{1}, l_{2}, ..., l_{q}, l_{q}, ..., l_{n}</tex> заменяется на <tex>l_{1}, l_{2}, ..., l_{q}-1, ..., l_{n}</tex>. Повторяем этот процесс до тех пор пока не останется одна вершина с уровнем <tex>0</tex>.

* '''Шаг 1.''' Если значение двух верхних элементов различно или в стеке всего один элемент перейти к шагу <tex>2</tex>, иначе к шагу <tex>3</tex>.* '''Шаг 2.''' Поместить следующий элемент <tex>l_{i}</tex> на вершину стека. Перейти к шагу <tex>1</tex>.* '''Шаг 3.''' Удалить <tex>2 </tex> верхних элемента стека, поместить в стек элемент со значением меньшим на единицу, чем удаленные. Если значение нового элемента равно нулю {{---}} остановиться, иначе перейти к шагу <tex>1</tex>.

Для примера возьмем алфавит <tex>A= \{</tex> ''a,b,c,d,e,f,t,g,h,i,j'' <tex>\} </tex>, а набор весов <tex>W= \{</tex> ''8,6,2,3,4,7,11,9,8,1,3'' <tex>\} </tex>.

Определим уровни для каждого листа <tex>L= \{</tex> ''3,3,5,5,4,3,3,3,3,4,4'' <tex>\} </tex>.

Осталось только назначить код для каждого символа. Это делается аналогично [[Алгоритм Хаффмана|коду Хаффмана]]: левым ребрам назначается <tex>0</tex>, а правым <tex>1</tex>.

Если последовательность весов является впадиной, то новые вершины, создаваемые в фазе <tex>1 </tex> алгоритма Ху-Таккера, образуют очередь с монотонно возрастающими весами. Потомки каждой из этих новых вершин могут быть соединены в алфавитное бинарное дерево, удовлетворяющее условию: если <tex>w_{i} \le leqslant w_{j}</tex>, то <tex>l_{j} \le leqslant l_{i}</tex>.

Заметим, что в последовательности-впадине две наименьших вершины всегда совместимы. Поэтому в алгоритме Хаффмана будут комбинироваться те же пары, что и в фазе <tex>1 </tex> алгоритма Ху-Таккера. Для удобства введем две вершины алфавита <tex>w_{L}</tex> и <tex>w_{R}</tex> веса <tex>\infty</tex>, расположенных соответственно в начале и в конце последовательности. Тогда последовательность весов <tex>w_{1} < w_{2} < ... < w_{t} > w_{t+1} > ... > w_{n}</tex> можно рассматривать как последовательность состоящую из двух впадин: <tex>w_{L} > w_{1} < w_{2} < ... < w_{t} > w_{t+1} > ... > w_{n} < w_{R}</tex>.

Из [[#lemma3|леммы 3]] следует, что можно образовать две отдельных [[Очередь | очереди]] {{---}} одну для каждой впадины. Из-за горы вершины из разных впадин не совместимы между собой. Когда наименьшие новые вершины(полученные в результате слияния) во впадинах станут достаточно большими, гора будет наконец скомбинирована. С этого момента все новые вершины станут совместимыми. Получается слияние двух очередей. По существу, фаза <tex>1 </tex> в алгоритме Ху-Таккера подобна слиянию нескольких очередей, а произвольную последовательность весов можно рассматривать как соединение нескольких впадин.

Как пишет Д. Кнут короткого доказательства алгоритма не известно, и вероятно оно никогда не будет найдено. Для доказательства своего алгоритма Ху и Таккеру потребовалось <tex>3 </tex> теоремы и <tex>2 </tex> леммы (См. книгу Т.Ч.Ху и М.Т.Шинг Комбинаторные алгоритмы {{---}} стр.172).

Разберем оценку. Для доказательства такой оценки времени введем понятие ''локально минимальной совместимой пары'' (л.м.с.п), пара <tex>(w_{l},w_{r})</tex> является л.м.с.п, когда выполнены следующие условия <tex>w_{r}<w_{i}</tex> для всех вершин <tex>i</tex> совместимых с <tex>l</tex> и <tex>w_{l} \le leqslant w_{j}</tex> для всех вершин <tex>j</tex> совместимых с <tex>r</tex>. Также докажем следующую лемму:

Пусть <tex>a</tex> {{---}} любая вершина в последовательности, состоящей из вершин алфавита и вершин, образованных в результате комбинации, <tex>w_{i}</tex> {{---}} вес наименьшей вершины <tex>i</tex>, совместимой с <tex>a</tex>. Если в результате комбинирования некоторой л.м.с.п. какая-нибудь новая вершина <tex>d</tex> становится совместимой c с <tex>a</tex>, то <tex>w_{i}<w_{d}</tex>. В частности, в последовательности вершин будет оставаться л.м.с.п., пока комбинируются другие л.м.с.п.

Заметим, что <tex>w_{i}</tex> может находиться в любой стороне от <tex>a</tex>. Если вершина <tex>w_{i}</tex> лежит справа от <tex>a</tex>, то она не вершина алфавита. Пусть <tex>d</tex> {{---}} вершина, которая становится совместимой с <tex>a</tex> после слияния <tex>(b, c)</tex> (она может быть как алфавитной так и слитой). Тогда <tex>d</tex> должна быть совместима с <tex>c</tex> в исходной последовательности и в силу локальной минимальности пары <tex>(b, c)</tex> имеем <tex>w_{b} \le leqslant w_{d}</tex>.

Но <tex>w_{i}<w_{b}</tex>, так как <tex>b</tex> совместима с <tex>a</tex> в исходной последовательности, а <tex>w_{i}</tex> является наименьшим совместимым с <tex>a</tex> весом. Поэтому <tex>w_{i} \le leqslant w_{b} \le leqslant w_{d}</tex>.

== Литература Источники информации ==* ''Т.Ч.Ху и , М.Т.Шинг '' Комбинаторные алгоритмы . — стр. 166 . — ISBN 5-85746-761-6 * ''Дональд Кнут '' Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск = The Art of Computer Programming, vol.3. Sorting and Searching. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — 824 с. — ISBN 5-8459-0082-4