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最长等距子序列

algorithm

我有100万个按排序顺序的整数,我想找到连续对之间的差相等的最长子序列。例如

1, 4, 5, 7, 8, 12

有一个子序列

   4,       8, 12

我的幼稚方法是贪婪的,只是检查从每个点可以扩展子序列多远。这O(n²)似乎需要花费一点时间。

有没有更快的方法来解决这个问题?

更新。 我将尽快测试答案中给出的代码(谢谢)。但是,很显然,使用n ^
2内存将不起作用。到目前为止,还没有代码以输入结尾的代码[random.randint(0,100000) for r in xrange(200000)]

时机。 我在32位系统上使用以下输入数据进行了测试。

a= [random.randint(0,10000) for r in xrange(20000)] 
a.sort()
  • ZelluX的动态编程方法使用1.6G RAM,耗时2分14秒。使用pypy只需9秒!但是,由于大输入而导致的内存错误导致崩溃。
  • 使用pypy,Armin的O(nd)时间方法花费了9秒,但只有20MB的RAM。当然,如果范围更大,情况会更糟。低内存使用率意味着我也可以使用a=[xrange(200000)中的r的random.randint(0,100000)进行测试],但是在我给pypy提供的几分钟内它并没有完成。

为了能够测试Kluev的方法,我重试了

a= [random.randint(0,40000) for r in xrange(28000)] 
a = list(set(a))
a.sort()

大致列出长度20000。pypy的所有时间

  • ZelluX,9秒
  • 克鲁夫20秒
  • 阿明52秒

看来,如果ZelluX方法可以做成线性空间,那将是明显的赢家。


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2020-07-28

共1个答案

小编典典

更新: ArminRigo的第二个答案已废除了这里描述的第一个算法,该算法更简单,更有效。但是这两种方法都有一个缺点。他们需要许多小时才能找到一百万个整数的结果。因此,我尝试了另外两个变体(请参阅此答案的后半部分),其中假定输入整数的范围是有限的。这种限制允许更快的算法。我也尝试优化Armin
Rigo的代码。最后查看我的基准测试结果。


这是使用O(N)内存的算法思想。时间复杂度为O(N 2 log N),但可以降低为O(N 2)。

算法使用以下数据结构:

  1. prev:索引数组,指向(可能不完整)子序列的前一个元素。
  2. hash:具有key的hashmap =子序列中的连续对之间的差,value =另外两个hashmap。对于这些其他哈希图:键=子序列的开始/结束索引,值=对(子序列长度,子序列的结束/开始索引)。
  3. pq:优先级队列,用于存储在prev和中的子序列的所有可能的“差异”值hash

算法:

  1. prev用索引初始化i-1。更新hashpq注册在此步骤中发现的所有(不完整)子序列及其“差异”。
  2. 从中获取(并删除)最小的“差异” pq。从hash第二个哈希映射中获取相应的记录并对其进行扫描。此时,具有给定“差异”的所有子序列均已完成。如果第二级哈希图包含的子序列长度比迄今为止找到的更好,请更新最佳结果。
  3. 在数组中prev:对于在步骤#2中找到的任何序列的每个元素,请递减索引,并更新hash和可能pq。更新时hash,我们可以执行以下操作之一:添加新的长度为1的子序列,或将现有的子序列增加1,或合并两个现有的子序列。
  4. 删除在步骤2中找到的哈希映射记录。
  5. pq不为空时,从步骤2继续。

该算法prev每次更新O(N)次的O(N)个元素。并且这些更新中的每一个都可能需要向添加新的“差异”
pq。如果我们使用的简单堆实现,所有这些都意味着O(N 2 log N)的时间复杂度pq。为了将其减少到O(N
2),我们可以使用更高级的优先级队列实现。此页面上列出了一些可能性:优先队列

请参阅Ideone上的相应Python代码。此代码不允许列表中有重复的元素。可以解决此问题,但无论如何还是要删除重复项(并找到重复项之外的最长子序列),这将是一个很好的优化。

相同的代码经过一点优化。只要子序列长度乘以可能的子序列“差异”超过源列表范围,搜索就会终止。


Armin
Rigo的代码简单而高效。但是在某些情况下,它会执行一些额外的计算,这些计算可以避免。只要子序列长度乘以可能的子序列“差异”超过源列表范围,搜索就会终止:

def findLESS(A):
  Aset = set(A)
  lmax = 2
  d = 1
  minStep = 0

  while (lmax - 1) * minStep <= A[-1] - A[0]:
    minStep = A[-1] - A[0] + 1
    for j, b in enumerate(A):
      if j+d < len(A):
        a = A[j+d]
        step = a - b
        minStep = min(minStep, step)
        if a + step in Aset and b - step not in Aset:
          c = a + step
          count = 3
          while c + step in Aset:
            c += step
            count += 1
          if count > lmax:
            lmax = count
    d += 1

  return lmax

print(findLESS([1, 4, 5, 7, 8, 12]))

如果源数据(M)中的整数范围很小,则可以使用O(M 2)时间和O(M)空间的简单算法:

def findLESS(src):
  r = [False for i in range(src[-1]+1)]
  for x in src:
    r[x] = True

  d = 1
  best = 1

  while best * d < len(r):
    for s in range(d):
      l = 0

      for i in range(s, len(r), d):
        if r[i]:
          l += 1
          best = max(best, l)
        else:
          l = 0

    d += 1

  return best


print(findLESS([1, 4, 5, 7, 8, 12]))

它类似于ArminRigo的第一种方法,但是它不使用任何动态数据结构。我想源数据没有重复项。并且(为了使代码保持简单),我还假设最小输入值是非负的并且接近于零。


如果我们使用位集数据结构和按位运算来并行处理数据,而不是布尔数组,则可以改进以前的算法。下面显示的代码将位集实现为内置的Python整数。它具有相同的假设:没有重复项,最小输入值是非负值并且接近零。时间复杂度为O(M
2 * log L),其中L为最佳子序列的长度,空间复杂度为O(M):

def findLESS(src):
  r = 0
  for x in src:
    r |= 1 << x

  d = 1
  best = 1

  while best * d < src[-1] + 1:
    c = best
    rr = r

    while c & (c-1):
      cc = c & -c
      rr &= rr >> (cc * d)
      c &= c-1

    while c != 1:
      c = c >> 1
      rr &= rr >> (c * d)

    rr &= rr >> d

    while rr:
      rr &= rr >> d
      best += 1

    d += 1

  return best

基准测试:

输入数据(大约100000整数)通过以下方式生成:

random.seed(42)
s = sorted(list(set([random.randint(0,200000) for r in xrange(140000)])))

对于最快的算法,我还使用了以下数据(大约1000000整数):

s = sorted(list(set([random.randint(0,2000000) for r in xrange(1400000)])))

所有结果以秒为单位显示时间:

Size:                         100000   1000000
Second answer by Armin Rigo:     634         ?
By Armin Rigo, optimized:         64     >5000
O(M^2) algorithm:                 53      2940
O(M^2*L) algorithm:                7       711
2020-07-28