Introduction to Algorithms, Third Edition


A very quickly growing function and its very slowly growing inverse



Download 4,84 Mb.
Pdf ko'rish
bet379/618
Sana07.04.2022
Hajmi4,84 Mb.
#534272
1   ...   375   376   377   378   379   380   381   382   ...   618
Bog'liq
Introduction-to-algorithms-3rd-edition

A very quickly growing function and its very slowly growing inverse
For integers
k
0
and
j
1
, we define the function
A
k
.j /
as
A
k
.j /
D
(
j
C
1
if
k
D
0 ;
A
.j
C
1/
k
1
.j /
if
k
1 ;
where the expression
A
.j
C
1/
k
1
.j /
uses the functional-iteration notation given in Sec-
tion 3.2. Specifically,
A
.0/
k
1
.j /
D
j
and
A
.i /
k
1
.j /
D
A
k
1
.A
.i
1/
k
1
.j //
for
i
1
.
We will refer to the parameter
k
as the
level
of the function
A
.
The function
A
k
.j /
strictly increases with both
j
and
k
. To see just how quickly
this function grows, we first obtain closed-form expressions for
A
1
.j /
and
A
2
.j /
.
Lemma 21.2
For any integer
j
1
, we have
A
1
.j /
D
2j
C
1
.
Proof
We first use induction on
i
to show that
A
.i /
0
.j /
D
j
C
i
. For the base case,
we have
A
.0/
0
.j /
D
j
D
j
C
0
. For the inductive step, assume that
A
.i
1/
0
.j /
D
j
C
.i
1/
. Then
A
.i /
0
.j /
D
A
0
.A
.i
1/
0
.j //
D
.j
C
.i
1//
C
1
D
j
C
i
. Finally,
we note that
A
1
.j /
D
A
.j
C
1/
0
.j /
D
j
C
.j
C
1/
D
2j
C
1
.
Lemma 21.3
For any integer
j
1
, we have
A
2
.j /
D
2
j
C
1
.j
C
1/
1
.
Proof
We first use induction on
i
to show that
A
.i /
1
.j /
D
2
i
.j
C
1/
1
. For
the base case, we have
A
.0/
1
.j /
D
j
D
2
0
.j
C
1/
1
. For the inductive step,
assume that
A
.i
1/
1
.j /
D
2
i
1
.j
C
1/
1
. Then
A
.i /
1
.j /
D
A
1
.A
.i
1/
1
.j //
D
A
1
.2
i
1
.j
C
1/
1/
D
2
.2
i
1
.j
C
1/
1/
C
1
D
2
i
.j
C
1/
2
C
1
D
2
i
.j
C
1/
1
.
Finally, we note that
A
2
.j /
D
A
.j
C
1/
1
.j /
D
2
j
C
1
.j
C
1/
1
.
Now we can see how quickly
A
k
.j /
grows by simply examining
A
k
.1/
for levels
k
D
0; 1; 2; 3; 4
. From the definition of
A
0
.k/
and the above lemmas, we have
A
0
.1/
D
1
C
1
D
2
,
A
1
.1/
D
2
1
C
1
D
3
, and
A
2
.1/
D
2
1
C
1
.1
C
1/
1
D
7
.


574
Chapter 21
Data Structures for Disjoint Sets
We also have
A
3
.1/
D
A
.2/
2
.1/
D
A
2
.A
2
.1//
D
A
2
.7/
D
2
8
8
1
D
2
11
1
D
2047
and
A
4
.1/
D
A
.2/
3
.1/
D
A
3
.A
3
.1//
D
A
3
.2047/
D
A
.2048/
2
.2047/
A
2
.2047/
D
2
2048
2048
1
>
2
2048
D
.2
4
/
512
D
16
512
10
80
;
which is the estimated number of atoms in the observable universe. (The symbol

” denotes the “much-greater-than” relation.)
We define the inverse of the function
A
k
.n/
, for integer
n
0
, by
˛.n/
D
min
f
k
W
A
k
.1/
n
g
:
In words,
˛.n/
is the lowest level
k
for which
A
k
.1/
is at least
n
. From the above
values of
A
k
.1/
, we see that
˛.n/
D
˚
0
for
0
n
2 ;
1
for
n
D
3 ;
2
for
4
n
7 ;
3
for
8
n
2047 ;
4
for
2048
n
A
4
.1/ :
It is only for values of
n
so large that the term “astronomical” understates them
(greater than
A
4
.1/
, a huge number) that
˛.n/ > 4
, and so
˛.n/
4
for all
practical purposes.


21.4
Analysis of union by rank with path compression
575
Properties of ranks
In the remainder of this section, we prove an
O.m ˛.n//
bound on the running time
of the disjoint-set operations with union by rank and path compression. In order to
prove this bound, we first prove some simple properties of ranks.
Lemma 21.4
For all nodes
x
, we have
x:
rank
x:
p
:
rank
, with strict inequality if
x
¤
x:
p
.
The value of
x:
rank
is initially 0 and increases through time until
x
¤
x:
p
; from
then on,
x:
rank
does not change. The value of
x:
p
:
rank
monotonically increases
over time.
Proof
The proof is a straightforward induction on the number of operations, us-
ing the implementations of M
AKE
-S
ET
, U
NION
, and F
IND
-S
ET
that appear in
Section 21.3. We leave it as Exercise 21.4-1.
Corollary 21.5
As we follow the simple path from any node toward a root, the node ranks strictly
increase.
Lemma 21.6
Every node has rank at most
n
1
.
Proof
Each node’s rank starts at
0
, and it increases only upon L
INK
operations.
Because there are at most
n
1
U
NION
operations, there are also at most
n
1
L
INK
operations. Because each L
INK
operation either leaves all ranks alone or
increases some node’s rank by
1
, all ranks are at most
n
1
.
Lemma 21.6 provides a weak bound on ranks. In fact, every node has rank at
most
b
lg
n
c
(see Exercise 21.4-2). The looser bound of Lemma 21.6 will suffice
for our purposes, however.
Proving the time bound
We shall use the potential method of amortized analysis (see Section 17.3) to prove
the
O.m ˛.n//
time bound. In performing the amortized analysis, we will find it
convenient to assume that we invoke the L
INK
operation rather than the U
NION
operation. That is, since the parameters of the L
INK
procedure are pointers to two
roots, we act as though we perform the appropriate F
IND
-S
ET
operations sepa-
rately. The following lemma shows that even if we count the extra F
IND
-S
ET
op-
erations induced by U
NION
calls, the asymptotic running time remains unchanged.


576
Chapter 21
Data Structures for Disjoint Sets
Lemma 21.7
Suppose we convert a sequence
S
0
of
m
0
M
AKE
-S
ET
, U
NION
, and F
IND
-S
ET
op-
erations into a sequence
S
of
m
M
AKE
-S
ET
, L
INK
, and F
IND
-S
ET
operations by
turning each U
NION
into two F
IND
-S
ET
operations followed by a L
INK
. Then, if
sequence
S
runs in
O.m ˛.n//
time, sequence
S
0
runs in
O.m
0
˛.n//
time.
Proof
Since each U
NION
operation in sequence
S
0
is converted into three opera-
tions in
S
, we have
m
0
m
3m
0
. Since
m
D
O.m
0
/
, an
O.m ˛.n//
time bound
for the converted sequence
S
implies an
O.m
0
˛.n//
time bound for the original
sequence
S
0
.
In the remainder of this section, we shall assume that the initial sequence of
m
0
M
AKE
-S
ET
, U
NION
, and F
IND
-S
ET
operations has been converted to a sequence
of
m
M
AKE
-S
ET
, L
INK
, and F
IND
-S
ET
operations. We now prove an
O.m ˛.n//
time bound for the converted sequence and appeal to Lemma 21.7 to prove the
O.m
0
˛.n//
running time of the original sequence of
m
0
operations.
Potential function
The potential function we use assigns a potential
q
.x/
to each node
x
in the
disjoint-set forest after
q
operations. We sum the node potentials for the poten-
tial of the entire forest:
ˆ
q
D
P
x
q
.x/
, where
ˆ
q
denotes the potential of the
forest after
q
operations. The forest is empty prior to the first operation, and we
arbitrarily set
ˆ
0
D
0
. No potential
ˆ
q
will ever be negative.
The value of
q
.x/
depends on whether
x
is a tree root after the
q
th operation.
If it is, or if
x:
rank
D
0
, then
q
.x/
D
˛.n/
x:
rank
.
Now suppose that after the
q
th operation,
x
is not a root and that
x:
rank
1
.
We need to define two auxiliary functions on
x
before we can define
q
.x/
. First
we define
level
.x/
D
max
f
k
W
x:
p
:
rank
A
k
.x:
rank
/
g
:
That is, level
.x/
is the greatest level
k
for which
A
k
, applied to
x
’s rank, is no
greater than
x
’s parent’s rank.
We claim that
0
level
.x/ < ˛.n/ ;
(21.1)
which we see as follows. We have
x:
p
:
rank
x:
rank
C
1
(by Lemma 21.4)
D
A
0
.x:
rank
/
(by definition of
A
0
.j /
) ,
which implies that level
.x/
0
, and we have


21.4
Analysis of union by rank with path compression
577
A
˛.n/
.x:
rank
/
A
˛.n/
.1/
(because
A
k
.j /
is strictly increasing)
n
(by the definition of
˛.n/
)
> x:
p
:
rank
(by Lemma 21.6) ,
which implies that level
.x/ < ˛.n/
. Note that because
x:
p
:
rank
monotonically
increases over time, so does level
.x/
.
The second auxiliary function applies when
x:
rank
1
:
iter
.x/
D
max
˚
i
W
x:
p
:
rank
A
.i /
level
.x/
.x:
rank
/
:
That is, iter
.x/
is the largest number of times we can iteratively apply
A
level
.x/
,
applied initially to
x
’s rank, before we get a value greater than
x
’s parent’s rank.
We claim that when
x:
rank
1
, we have
1
iter
.x/
x:
rank
;
(21.2)
which we see as follows. We have
x:
p
:
rank
A
level
.x/
.x:
rank
/
(by definition of level
.x/
)
D
A
.1/
level
.x/
.x:
rank
/
(by definition of functional iteration) ,
which implies that iter
.x/
1
, and we have
A
.x:
rank
C
1/
level
.x/
.x:
rank
/
D
A
level
.x/
C
1
.x:
rank
/
(by definition of
A
k
.j /
)
>
x:
p
:
rank
(by definition of level
.x/
) ,
which implies that iter
.x/
x:
rank
. Note that because
x:
p
:
rank
monotonically
increases over time, in order for iter
.x/
to decrease, level
.x/
must increase. As long
as level
.x/
remains unchanged, iter
.x/
must either increase or remain unchanged.
With these auxiliary functions in place, we are ready to define the potential of
node
x
after
q
operations:
q
.x/
D
(
˛.n/
x:
rank
if
x
is a root or
x:
rank
D
0 ;
.˛.n/
level
.x//
x:
rank
iter
.x/
if
x
is not a root and
x:
rank
1 :
We next investigate some useful properties of node potentials.
Lemma 21.8
For every node
x
, and for all operation counts
q
, we have
0
q
.x/
˛.n/
x:
rank
:


578
Chapter 21
Data Structures for Disjoint Sets
Proof
If
x
is a root or
x:
rank
D
0
, then
q
.x/
D
˛.n/
x:
rank
by definition. Now
suppose that
x
is not a root and that
x:
rank
1
. We obtain a lower bound on
q
.x/
by maximizing level
.x/
and iter
.x/
. By the bound (21.1), level
.x/
˛.n/
1
, and
by the bound (21.2), iter
.x/
x:
rank
. Thus,
q
.x/
D
.˛.n/
level
.x//
x:
rank
iter
.x/
.˛.n/
.˛.n/
1//
x:
rank
x:
rank
D
x:
rank
x:
rank
D
0 :
Similarly, we obtain an upper bound on
q
.x/
by minimizing level
.x/
and iter
.x/
.
By the bound (21.1), level
.x/
0
, and by the bound (21.2), iter
.x/
1
. Thus,
q
.x/
.˛.n/
0/
x:
rank
1
D
˛.n/
x:
rank
1
<
˛.n/
x:
rank
:
Corollary 21.9
If node
x
is not a root and
x:
rank
> 0
, then
q
.x/ < ˛.n/
x:
rank
.

Download 4,84 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   375   376   377   378   379   380   381   382   ...   618




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish