スキップしてメイン コンテンツに移動

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



Labels:

コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

MAP推定

Introduction English ver 今日はMAP推定（事後確率最大化法）について書きました。MAP推定ではベイズの定理を使います。データが少ないとき、最尤推定の結果をあまり信用できない話は、最尤推定の時に書きました。この時、MAP推定では自分の事前に持っている情報を取り入れることができます。 概要 ベイズの定理 MAP推定 共役分布 MAP推定の例 ベイズの定理 ベイズの定理は $$P(A|B) = \frac{P(B|A)P(A)}{P(B)}$$ です。 ただし、 $P(A|B)$ はBが起こった時のAの起こる確率です。 詳しくは  http://takutori.blogspot.com/2018/04/bayes-theorem.html  を見てください。 Map推定 MAP推定ではベイズの定理を使います。MAP推定は事後確率が最大になるようなパラメータを選びます。 いま、$x_1,x_2,...,x_n$というデータを$\theta$というパラメータを持つ分布から得られたとする。この時$P(\theta|x_1,x_2,...,x_n)$を求めたい。 ここで、ベイズの定理を使う。 $$P(\theta|x_1,x_2,...,x_n) = \frac{P(x_1,x_2,...,x_n | \theta ) P(\theta)}{P(x_1,x_2,...,x_n)}$$ ここで、$P(\theta)$は$\theta$の事前分布である。 $x_1,x_2,...,x_n$はそれぞれ独立であるので、 $$P(x_1,x_2,...,x_n | \theta ) = \Pi_{i=1}^n P(x_i|\theta)$$. よって、マップ推定は $$\theta^{\star} = \arg \max_{\theta} \frac{\Pi_{i=1}^n P(x_i|\theta) P(\theta)}{P(x_1,x_2,...,x_n)}$$ となる。 $P(x_1,x_2,...,x_n)$という値は$\theta$には依存しない。よって、定数であり、最適化に定数は関係ないので、排除すると、MAP推定は次のようになる。 $$\th...
コメントを投稿
続きを読む

カーネルK-means 理論編

Introduction English ver 今日は、カーネルK-meansの理論について書きます。カーネルK-meansは通常のK-meansの欠点を補うことができます。通常のK-meansの欠点とカーネルK-meansの強みも説明します。もし、まだ御覧になられていなければ、通常の K-means 理論編 の記事を見ていただけるとよいのではないかと思います。 カーネルK-meansの実装編 も併せてご覧ください。 概要 K-meansの弱点 カーネルトリック カーネルK-means アルゴリズム K-meansの弱点 例えば、次のようなデータを用意します。 このデータはK-meansによってうまく分類することはできません。なぜなら通常のK-meansでは、データとプロトタイプのユークリッド距離に依存しているからです。そのため、このような円状に分布しているデータはうまく分類することができません。 プロトタイプとはそれぞれのクラスにあり、そのクラスを代表するようなもののことです。K-meansでは各クラスの平均ベクトルとなります。それゆえ、以下のような分類になってしまいます。 このようなデータではK-meansはうまくいきません。 K-meansで分類できるデータセットは次のように各クラスで固まっている必要があります。 カーネルK-meansはK-meansの弱点を補います。 カーネルトリック 初めに、カーネルトリックを説明します。 線形分離できないようなデータ$X$を例えば次のように線形分離できるように$\phi(x)$に送る写像$\phi$を考えます。 カーネルは次のように定義されます。 $$K(x,y) = \phi(x)^T \phi(y)$$ $\phi$を具体的に計算することは難しいですが、$K(x,y)$を計算することなら簡単です。 この手法をカーネルトリックと呼ばれます。 カーネルK means K-meansの目的関数を復習しておきます。 $$J = \sum_{n=1}^{N} \sum_{k=1}^{K} r_{nk} ||x_n-\mu_k||^2$$ ここで、 プロトタイプは$\mu_i ~\forall k \in K$としま...
コメントを投稿
続きを読む

MAP estimation

Introduction 日本語 ver Today, I will explain MAP estimation(maximum a posteriori estimation). MAP estimation is used Bayes' thorem. If sample data is few, we can not belive value by Maximum likelihood estimation. Then, MAP estimation is enable to include our sense.  Overveiw Bayes' theorem MAP estimation Conjugate distribution Bayes' theorem  Bayes' theorem is $$P(A|B) = \frac{P(B|A)P(A)}{P(B)}$$ $P(A|B)$ is Probability when B occur. Please go on  http://takutori.blogspot.com/2018/04/bayes-theorem.html to know detail of Bayes' theorem. Map estimation Map estimation is used Bayes' theorem. Map estimation estimate parameter of population by maximuzing posterior probability. Now, suppoce we get data $x_1,x_2,...,x_n$ from population which have parameter $\theta$. Then, we want to $P(\theta|x_1,x_2,...,x_n)$. Here, we use Bayes' theorem. $$P(\theta|x_1,x_2,...,x_n) = \frac{P(x_1,x_2,...,x_n | \theta ) P(\theta)}{P(x_1,x_2,...,x_n)}...
コメントを投稿
続きを読む