Jaka jest oczekiwana głębokość losowo wygenerowanego drzewa?


19

Dawno temu myślałem o tym problemie, ale nie mam o nim pojęcia.

Algorytm generujący jest następujący. Zakładamy, że istnieje dyskretnych węzłów ponumerowanych od do . Następnie dla każdego w , nadrzędny ty węzeł w drzewie będzie losowym węzłem w . Iteruj po każdym , aby wynik był losowym drzewem z węzłem głównym . (Być może nie jest to wystarczająco losowe, ale to nie ma znaczenia.)n0n−1i{1,…,n−1}i{0,…,i−1}i0

Jaka jest oczekiwana głębokość tego drzewa?


Zakładam, że jest rootem i chciałeś powiedzieć: „Następnie dla każdego w tworzymy element nadrzędny węzła ...”. Dobrze? v0i[1,n)i
— Bez tytułu

Czego próbowałeś? Czy próbowałeś napisać relację powtarzalności, powiedzmy dla jaka jest oczekiwana głębokość węzła ? d(i)i
— DW

3
Obiekty te są znane pod nazwą „losowe drzewo rekurencyjne”.
— James Martin

Odpowiedzi:


15

Myślę, że istnieje wynik koncentracji o , ale nie podałem jeszcze szczegółów.elog⁡n

Możemy uzyskać górną granicę prawdopodobieństwa, że ​​węzeł ma przodków, w tym . Dla każdego możliwego pełnego łańcucha niezerowych przodków prawdopodobieństwo tego łańcucha wynosi . Odpowiada to razy wyrażeniu gdzie warunki są uporządkowane. Zatem górną granicą tego prawdopodobieństwa jest gdzie jest pierwszą liczbą harmonicznychd 0 d ( 1 , 2 , . . . , d ) ( 1nd0d(a1,a2,...,ad) 1(1a1)(1a2)⋯(1ad)×1n (1+11n1(1+12)+13)+⋯1n-1)re Hn-1n-11+11n(re!)H.n-1reH.n-1n-1 Hn-1≈log(n-1)+γdn→∞nd+11+12)+...+1n-1 . . Dla stałych i prawdopodobieństwo, że węzeł jest na głębokości wynosi co najwyżejH.n-1≈log⁡(n-1)+γren→∞nre+1

(log⁡n)ren(re!)(1+o(1))

Przez przybliżenie Stirlinga możemy to oszacować jako

1n2πd(elog⁡nd)d.

W przypadku dużego , cokolwiek znacznie większego niż , podstawa wykładnicza jest mała, więc to ograniczenie jest małe, i możemy użyć powiązania unii, aby powiedzieć, że prawdopodobieństwo, że istnieje co najmniej jeden węzeł z niezerowymi przodkami jest mały.remilog⁡nre


Widzieć

Luc Devroye, Omar Fawzi, Nicolas Fraiman. „Właściwości głębokości losowych rekurencyjnych drzew skalowanych załączników”.

B. Pittel. Uwaga na wysokości losowych drzew rekurencyjnych i losowych drzew wyszukiwania m-ary. Struktury losowe i algorytmy, 5: 337–348, 1994.

Pierwsze z nich twierdzi, że drugie wykazało, że maksymalna głębokość wynosi z dużym prawdopodobieństwem, i oferuje kolejny dowód.(e+o(1))log⁡n


2
Bardzo dobrze. W celu wyjaśnienia dla innych czytelników: ponieważ nie można powtórzyć , termin ( 1 + 1aijest tylko górną granicą. (1+12+…+1n−1)d
— Peter Shor,

3

Na to pytanie udzielono odpowiedzi kilka lat temu, ale dla zabawy, oto prosty dowód górnej granicy. Ograniczamy oczekiwania, a następnie ograniczamy ogonem.

Zdefiniuj rv jako głębokość węzła i ∈ { 0 , 1 , … , n - 1 } . Zdefiniuj ϕ i = ∑ i j = 0 e d j .dii∈{0,1,…,n−1}ϕi=∑j=0iedj.

lemat 1. Oczekiwana maksymalna głębokość, wynosi co najwyżej eE[maxidi] .eHn−1

Dowód. Maksymalna głębokość wynosi co najwyżej . Na koniec pokazujemy E [ ln ϕ n - 1 ] ≤ eln⁡ϕn−1 .E[ln⁡ϕn−1]≤eHn−1

Dla dowolnego , uzależnienie od ϕ i - 1 , przez sprawdzenie ϕ i , E [ ϕ ii≥1ϕi−1ϕi

E[ϕi|ϕi−1]=ϕi−1+E[edi]=ϕi−1+eiϕi−1=(1+ei)ϕi−1.

Z indukcji wynika, że

E[ϕn−1]=∏i=1n−1(1+ei)<∏i=1n−1exp⁡(ei)=exp⁡(eHn−1).

Zatem przez wklęsłość logarytmu

E[ln⁡ϕn−1]≤ln⁡E[ϕn−1]<ln⁡exp⁡(eHn−1)=eHn−1.       ◻

Oto granica ogona:

lemat 2. Napraw dowolne . Następnie Pr [ max i d i ] ≥ ec≥0 wynosi co najwyżej exp ( - c ) .Pr[maxidi]≥eHn−1+cexp⁡(−c)

Dowód. Po sprawdzeniu i związaniu z Markovem prawdopodobieństwo to wynosi najwyżej Pr [ ϕ n - 1 ≥ exp ( eϕ Z dowodu Lemat 1,E[ϕn-1]≤exp(e

Pr[ϕn−1≥exp⁡(eHn−1+c)]≤E[ϕn−1]exp⁡(eHn−1+c).
. Zastąpienie tego po prawej stronie powyżej stanowi dowód. ◻E[ϕn−1]≤exp⁡(eHn−1)   ◻

Jeśli chodzi o dolną granicę, myślę, że dolna granica następuje dość łatwo, biorąc pod uwagę max i d i ≥ ln ϕ t - ln n . Ale...(e−1)Hn−O(1)maxidi≥ln⁡ϕt−ln⁡n [EDYCJA: przemówił zbyt wcześnie]

Nie wydaje się tak łatwo pokazać ciasną dolną granicę ...(1−o(1))eHn


2

Kilka miesięcy temu zastanawiałem się nad tym samym pytaniem (choć w zupełnie innym sformułowaniu), a także nad kilkoma bliskimi wariantami.

Nie mam dla niego rozwiązania w formie zamkniętej (/ asymptotycznej), ale ten widok może ci się przydać (może szukasz tylko górnej granicy?).

Proces, który tu opisujesz, jest uogólnieniem procesu restauracji chińskiej , w którym każdy „stół” jest poddrzewem, którego rodzicem root jest .v0

To daje nam również formułę rekurencyjną dla twojego pytania.

Oznacz przez spodziewane wysokości takiego procesu drzewa z n węzłami.h(n)n

Oznaczmy przez (prawdopodobieństwo rozkładuBwęzłów na poddrzewa).Pn(B)=Πb∈B(b−1)!n!B

Następnie szukaną ilość podaje:h(n)

h(n)=∑B∈BnPn(B)⋅maxb∈Bh(b)

Jeśli chcesz zakodować tę rekurencję, upewnij się, że używasz następujących elementów, aby nie przechodziły w nieskończoną pętlę:

h(n)=∑B∈Bn∖{{n}}Pn(B)⋅maxb∈Bh(b)1−1n!

Bnnh(1)=1


h(n)h


1
Dzięki za pomysł! Właściwie to pierwszy raz napisałem program monte-carlo, gdy spotkałem się z tym problemem, ale ku mojemu zdziwieniu dokładny wynik jest tak trudny do uzyskania.
— zhxchen17
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.