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ヒープ構造

Introduction

今日はヒープ構造について書きます。ヒープ構造はデータ構造の一種です。ちょうど大学の自主ゼミグループのセミナー合宿に参加させてもらい、そこでグラフ理論を勉強したので、メモをしておこうと思います。

 slide はこんなのを使いました。


Overview

  • データ構造
  • 二分木
  • ヒープ
  • 実装
  • ヒープソート

データ構造
ヒープ構造の前に、データ構造について、説明します。データ構造とは、データを保存する手法であります。データ構造は、そのデータについてどのような操作を行いたいかによって、最適なものを選ぶことになります。

ヒープ構造はプライオリティキューと呼ばれれるデータ構造を表す方法です。プライオリティキューで行いたい操作は以下の二つです。
  1. データの追加
  2. 最小値の抽出

二分木
まず、グラフを定義します。E と V は集合とし、 $e \in E$、つまりEの要素をedge(枝)と呼びます。また、$v \in V$、つまりVの要素をnodeと呼びます。
g:E->V×V をEからV × Vへの写像とします。この時、.(E,V,g)をグラフを言います。

例えば、次のようなものがあります。


丸いのがそれぞれのnodeで、矢印がedgeになります。
各edgeに対して、始点v1と始点v2を対応させるのが写像gの役目です。


根付き木とは次のような木のことです。



これはnode1からnodeが二つずつどんどん派生していっています。

特に、次のような木を二分木といいます。



特徴は、ノードが上からなおかつ左から敷き詰められています。一番上のノードを根といいます。また、例えば2を基準にすると、1は2の親、4,5は2の子、3は2の兄弟、8,9,10,11,12は葉と呼ばれます。

ヒープ
ヒープ構造はプライオリティキューを二分木で表現したものです。プライオリティキューでやりたいことは次のことでした。
  1. データの追加
  2. 最小値の抽出
.
では、どのようにこの二つの操作を実現するのでしょうか。
初めにデータの追加について説明します。
1. 二分木の最後に追加するノードをくっつける
2.親と比べて、自分のほうが若かったら親と入れ替わる。

3. 2を繰り返して、自分より若い親がいないようにする

こうすることでヒープ構造を壊さずに値を加えることができます。

次に、データの抽出です。
1. Aを取り出す。
2. 根の部分に最後尾のノードをコピーする
 3. 最後尾のノードを削除する

4. 自分の子供のうち、小さいほうと自分を比べて子供のほうが若ければいれかえる。
5.4を自分より年寄りな子がなくなるまで繰り返す。

こうすることでヒープ構造を壊さずに最小値を抽出できる。
大事なのはこの操作の計算量はO(logN)であることです。

実装
ヒープ構造を壊さずにを実装するとき、配列かリストを使います。
子供のノードはの番号は2×親ノード番号+ 1、 2 ×親ノード番号+2になります。 2×親ノード番号+ 1は左側の子供です。 2 ×親ノード番号+2は右側の子供です。

このように、Aの子供はB,C、Bの子供はD,E...という風になっています。


heap構造の実装はこちらのgithubに公開しています。

このgifはヒープ構造を表現した配列に10この値を加えていったあと、10回最小値を取り出したときの配列の値です。

ヒープソート
ヒープソートとは、ヒープ構造から値を取り出すときO(lonN)で最小値を取り出せることを利用したソート方法です。ランダムな配列を一度ヒープ構造に突っ込んで、そのあと、最小値を取り出せば、小さい順になって出てくるということです。

このgifは、最初に移る配列を一旦、heap構造の配列に加えて、取り出していった時の配列の値です。


Reference
https://www.amazon.co.jp/%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%9F%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%86%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%83%96%E3%83%83%E3%82%AF-%E7%AC%AC2%E7%89%88-%EF%BD%9E%E5%95%8F%E9%A1%8C%E8%A7%A3%E6%B1%BA%E3%81%AE%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%82%B4%E3%83%AA%E3%82%BA%E3%83%A0%E6%B4%BB%E7%94%A8%E5%8A%9B%E3%81%A8%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%87%E3%82%A3%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%86%E3%82%AF%E3%83%8B%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%92%E9%8D%9B%E3%81%88%E3%82%8B%EF%BD%9E-%E7%A7%8B%E8%91%89%E6%8B%93%E5%93%89/dp/4839941068



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