MIT算法导论公开课之第13课 平摊分析、表的扩增、势能方法

平摊分析(Amortized analysis)问题引入

  • 一个哈希表应该多大?
    越大越好(哈希表越大搜索时间消耗越短)。
    越小越好(哈希表越小占用存储空间越小)。
    对于要存储n个元素的哈希表的大小最好为Θ(n)。
  • 当不知道要存储的元素数量时,如何设定哈希表的大小?
    使用动态表的策略,当哈希表已满,再加入元素时(溢出),将哈希表扩大:
    1.分配一个更大的表。
    2.将旧表中的元素拷贝至新表。
    3.释放旧表的空间。
    • Ex:
      动态表的策略
    • 运行时间分析:
      在最坏情况下,一次插入运算的代价为Θ(n)。
      因此人们自然的这样想,n次插入运算的代价为n·Θ(n)= Θ(n^2),这是完全错误的分析,因为并不是所有插入操作都为最坏情况。
      正确的结果是,n次插入运算的代价为Θ(n)。
    • 正确分析:
      关于第i次插入操作的代价,当i-1为2的幂时,代价为i,其他时候,代价为1。
      正确分析
      正确分析

平摊分析

  • 用平摊的思想来分析一个操作序列,以证明每个操作的平均代价很小,尽管其中一个或几个操作的代价比较大。
  • 用到平均但并不涉及到概率学,主要想表示的是在最坏情况下的平均表现。

  • 三种平摊分析的方法:
    1.聚集方法(aggregate)上面分析所用的方法
    2.记账方法(accounting)
    3.势能方法(potential)
    其中2和3方法要更精确,因为它们为每一个操作分配了特定的平摊代价,而1方法经常不能确定每一个操作的平摊代价。

记账方法

记账方法
记账方法

势能方法

势能方法
势能方法
势能方法

平摊分析的总结

  • 平摊分析为数据结构的性能提供了一个简洁的抽象概念。
  • 在不关注实时表现,只关注聚集行为时,平摊分析是一种很好的描述方式。
  • 在有些情况中,不同的操作会有不同的平摊代价,它们的和仍然是实际代价的上限。
  • 三种方法都是可用的,但都有各自的适用情况使得它们是简单准确的,不同的方法可能得到不同的上限结果。

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