Биномиальная куча

Определение:

Биномиальное дерево [math]B_k[/math] — дерево, определяемое для каждого [math]k = 0, 1, 2, \dots [/math] следующим образом: [math]B_0[/math] — дерево, состоящее из одного узла высоты [math]0[/math], то есть состоит из одного узла; [math]B_k[/math] состоит из двух биномиальных деревьев [math]B_{k-1}[/math], связанны вместе таким образом, что корень одного из них является крайним левым дочерним узлом корня второго дерева.

Пример биномиального дерева [math]B_0, B_2, B_3[/math]

Свойства биномиальных деревьев. Биномиальное дерево [math]B_k[/math] с n вершинами:

• имеет [math]2^k[/math] узлов;
• имеет высоту [math]k[/math];
• имеет ровно [math]{k\choose i}[/math] узлов на высоте [math]i = 0, 1, 2, \dots[/math];
• имеет корень степени [math]k[/math]; степерь всех остальных вершин меньше степени корня биномиального дерева;
• максимальная степень произвольного узла в биномиальном дереве с n узлами равна [math]\log(n)[/math].

Определение:

Биномиальная пирамида (куча) [math]H[/math] — представляет собой множество биномиальных деревьев, которые удовлетворяют следующим свойствам биномиальных пирамид. Каждое биномиальное дерево в [math]H[/math] подчиняется свойству неубывающей пирамиды: ключ узла не меньше ключа его родительского узла (упорядоченное в соответствии со свойством неубывающей пирамиды дерево). Для любого неотрицательного целого [math]k[/math] найдется не более одного биномиального дерева [math]H[/math], чей корень имеет степень [math]k[/math].

Представление биномиальных куч

Поскольку количество детей у узлов варьируется в широких пределах, ссылка на детей осуществляется через левого ребенка, а остальные дети образуют односвязный список. Каждый узел в биномиальной пирамиде (куче) представляется набором полей:

• [math]key[/math] — ключ (вес) элемента;
• [math]parent[/math] — указатель на родителя узла;
• [math]child[/math] — указатель на левого ребенка узла;
• [math]sibling[/math] — указатель на правого брата узла;
• [math]degree[/math] — степень узла (количество дочерних узлов данного узла).

Корни деревьев, их которых состоит пирамида, содержатся в так называемом списке корней, при проходе по которому степени соответствующих корней находятся в неубывающем порядке. Доступ к куче осуществляется ссылкой на первый корень в списке корней.

Операции над биномиальными пирамидами

Рассмотрим операции, которые можно производить с биномиальной пирамидой. Их асимптотические оценки показаны в таблице.

makeHeap	[math]\Theta(1)[/math]
insert	[math]O(\log(n))[/math]
getMinimum	[math]O(\log(n))[/math]
extractMin	[math]\Theta(\log(n))[/math]
merge	[math]\Omega(\log(n))[/math]
decreaseKey	[math]\Theta(\log(n))[/math]
delete	[math]\Theta(\log(n))[/math]

makeHeap

Для создания пустой биномиальной пирамиды процедура makeBinomialHeap просто выделяет память и возвращает объект [math]H[/math], где [math]head[H] = null[/math], то есть пирамида не содержит элементов.

getMinimum

Для нахождения минимального элемента надо найти элемент в списке корней с минимальным значением (предполагается, что ключей, равных [math]\infty[/math], нет).

Асимптотика этой операции получается из того, что корней в этом списке не более [math]\lfloor \log(n) \rfloor + 1[/math].

При вызове этой процедуры для кучи, изображенной на картинке ниже, будет возвращен указатель на вершину с ключем [math]1[/math].

merge

Эта операция, соединяющая две биномиальные кучи в одну, используется в качестве подпрограммы большинством остальных операций.

Для этого нам надо сначала слить списки корней [math]H_1, H_2[/math] в единый связный список, отсортированный по степеням в монотонно возрастающем порядке. Свойство пирамиды обеспечивает нам в новом списке наличие не более двух деревьев одинаковой степени. Далее мы за один проход по этому списку объединим некоторые деревья так, что в результате все они будут иметь попарно разные степени. На каждом шаге нам надо расмотреть несколько случаев.

• Рассматриваемое дерево и следующее за ним имеют разные степени (случай [math]a[/math] на рисунке). Ситуация тривиальна и не требует никаких действий. Переходим к следующему шагу.
• Текущее дерево и его два ближаших соседа справа (то есть те, которые встретятся на последующих итерациях) имеют одинаковые степени (случай [math]b[/math] на рисунке). Эта ситуация хоть и не тривиальна, но ее следует оставить для следующего шага.
• Если степень текущего и последующего деревьев одинакова (случай [math]c, d[/math] на рисунке), то нам следует объединить их в новое дерево (сделав корнем вершину того дерева, чей ключ наименьший), степень которого будет на единицу больше той, что была ранее.

Пример пирамиды до merge и после:

insert

Необходимо просто создать биномиальную пирамиду [math]H'[/math] с одним узлом за время [math]O(1)[/math] и объединяет ее с биномиальной пирамидой [math]Н[/math], содержащей [math]n[/math] узлов, за время [math]O(\log(n))[/math].

extractMin

Приведенная ниже процедура извлекает узел с минимальным ключом из биномиальной кучи и возвращает указатель на извлеченный узел:

 Node extractMin(H) {
   //поиск корня х с минимальным значением ключа в списке корней Н, и удаление х из корней Н
   min = [math]\infty[/math];
   x = null;
   curx = head[H];
   while curx [math]\ne[/math] null {
     if curx.key < min {
       min = curx.key;
       x = curx;  
     }
     curx = curx.next;
   }
   x.prev.next = x.next;
   x.next.prev = x.prev;
   
   //добавление детей элемента x в кучу.
   H' = makeBinomialHeap();  
   curx = x.child;
   while curx [math]\ne[/math] null {
     p[curx] = null;
     head[H'] = curx;
     H = merge(H, H');  
     curx = curx.sibling;
   }
   return x;
 }

Поскольку минимальный элемент находится в корневом списке, найти его легко; после его удаления соответствующее дерево рассыпается в набор биномиальных деревьев меньшего размера, который надо объединить с оставшейся частью кучи. Все действия выполняются за время [math]O(\log n)[/math], так что общее время работы процедуры есть [math]O(\log n)[/math].

decreaseKey

Следующая процедура уменьшает ключ элемента [math]x[/math] биномиальной кучи, присваивая ему новое значение. Вершина, ключ которой был уменьшен, «всплывает» наверх. Процедура выполняется за время [math]O(\log n)[/math], поскольку глубина вершины [math]x[/math] есть [math]O(\log n)[/math] (свойства биномиального дерева), а при выполнении каждого шага алгоритма мы поднимаемся вверх.

 void decreaseKey(H, x, k) {
   if k > key[x] then
     return;
   key[x] = k;
   y = x;
   z = p[y];
   while z [math]\ne[/math] null and key[y] < key[z] do {
     swap(key[y], key[z]);
     y = z;
     z = p[y];
   }
 }

Пример работы процедуры проиллюстрирован на рисунке ([math]y[/math] — уменьшаемый элемент, [math]z[/math] — его предок).

delete

Удаление ключа сводится к двум предыдущим операциям: мы уменьшаем ключ до минимально возможного значения, а затем удаляем вершину с минимальным ключом. В процессе выполнения процедуры это значение всплывает вверх, откуда и удаляется. Процедура выполняется за время [math]O(\log n)[/math].

 void delete(H, x) {
   decreaseKey(H, x, -[math]\infty[/math]);
   extractMin(H);
 }

Источники

• Биномиальные кучи — INTUIT.ru
• Binomial heap — Wikipedia
• Томас Х. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн Алгоритмы: построение и анализ — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — с. 538-558. — ISBN 5-8489-0857-4