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重復洗掉最大平均子陣列

2022-03-01 06:10:23 其他

我有一個正整數陣列。例如:

[1, 7, 8, 4, 2, 1, 4]

“減少操作”找到具有最高平均值的陣列前綴,并將其洗掉。這里,陣列前綴是指一個連續的子陣列,它的左端是陣列的開始,例如[1]or [1, 7]or [1, 7, 8]above。使用更長的前綴可以打破平局。

Original array:  [  1,   7,   8,   4,   2,   1,   4]

Prefix averages: [1.0, 4.0, 5.3, 5.0, 4.4, 3.8, 3.9]

-> Delete [1, 7, 8], with maximum average 5.3
-> New array -> [4, 2, 1, 4]

我將重復歸約操作,直到陣列為空:

[1, 7, 8, 4, 2, 1, 4]
^       ^
[4, 2, 1, 4]
^ ^
[2, 1, 4]
^       ^
[]

現在,實際上執行這些陣列修改是不必要的;我只是在尋找將被此程序洗掉的前綴長度串列,例如,[3, 1, 3]上面。

計算這些前綴長度的有效演算法是什么?


天真的方法是在演算法的每次迭代中從頭開始重新計算所有總和和平均值——O(n^2)我在下面附上了 Python 代碼。我正在尋找對這種方法的任何改進——最好是下面的任何解決方案O(n^2),但是具有相同復雜性但更好的常數因子的演算法也會有所幫助。

以下是我嘗試過的一些事情(沒有成功):

  1. 動態維護前綴和,例如使用二叉索引樹雖然我可以輕松更新前綴總和或及時找到最大前綴總和O(log n)但我還沒有找到任何可以更新平均值的資料結構,因為平均值中的分母正在變化。
  2. Reusing the previous 'rankings' of prefix averages-- these rankings can change, e.g. in some array, the prefix ending at index 5 may have a larger average than the prefix ending at index 6, but after removing the first 3 elements, now the prefix ending at index 2 may have a smaller average than the one ending at 3.
  3. Looking for patterns in where prefixes end; for example, the rightmost element of any max average prefix is always a local maximum in the array, but it's not clear how much this helps.

This is a working Python implementation of the naive, quadratic method:

from fractions import Fraction
def find_array_reductions(nums: List[int]) -> List[int]:
    """Return list of lengths of max average prefix reductions."""

    def max_prefix_avg(arr: List[int]) -> Tuple[float, int]:
        """Return value and length of max average prefix in arr."""
        if len(arr) == 0:
            return (-math.inf, 0)

        best_length = 1
        best_average = Fraction(0, 1)
        running_sum = 0

        for i, x in enumerate(arr, 1):
            running_sum  = x
            new_average = Fraction(running_sum, i)
            if new_average >= best_average:
                best_average = new_average
                best_length = i

        return (float(best_average), best_length)

    removed_lengths = []
    total_removed = 0

    while total_removed < len(nums):
        _, new_removal = max_prefix_avg(nums[total_removed:])
        removed_lengths.append(new_removal)
        total_removed  = new_removal

    return removed_lengths

Edit: The originally published code had a rare error with large inputs from using Python's math.isclose() with default parameters for floating point comparison, rather than proper fraction comparison. This has been fixed in the current code. An example of the error can be found at this Try it online link, along with a foreword explaining exactly what causes this bug, if you're curious.

uj5u.com熱心網友回復:

這個問題有一個有趣的 O(n) 解決方案。

如果您繪制累積總和與指數的關系圖,則:

任何兩個索引之間的子陣列中的平均值是圖中這些點之間的直線的斜率。

第一個最高平均前綴將在與 0 形成最大角度的點結束。然后,下一個最高平均前綴必須具有較小的平均值,并且它將在與第一個結束形成最高角度的點結束. 繼續到陣列的末尾,我們發現......

這些平均最高的段正是累積和圖的上凸包中的段。

使用單調鏈演算法找到這些段。由于點已經排序,因此需要 O(n) 時間。

# Lengths of the segments in the upper convex hull
# of the cumulative sum graph
def upperSumHullLengths(arr):
    if len(arr) < 2:
        if len(arr) < 1:
            return []
        else:
            return [1]
    
    hull = [(0, 0),(1, arr[0])]
    for x in range(2, len(arr) 1):
        # this has x coordinate x-1
        prevPoint = hull[len(hull) - 1]
        # next point in cumulative sum
        point = (x, prevPoint[1]   arr[x-1])
        # remove points not on the convex hull
        while len(hull) >= 2:
            p0 = hull[len(hull)-2]
            dx0 = prevPoint[0] - p0[0]
            dy0 = prevPoint[1] - p0[1]
            dx1 = x - prevPoint[0]
            dy1 = point[1] - prevPoint[1]
            if dy1*dx0 < dy0*dx1:
                break
            hull.pop()
            prevPoint = p0
        hull.append(point)
    
    return [hull[i 1][0] - hull[i][0] for i in range(0, len(hull)-1)]


print(upperSumHullLengths([  1,   7,   8,   4,   2,   1,   4]))

印刷:

[3, 1, 3]

uj5u.com熱心網友回復:

Matt 和 kcsquared 的解決方案和一些基準的簡化版本:

from itertools import accumulate, pairwise

def Matt_Pychoed(arr):
    hull = [(0, 0)]
    for x, y in enumerate(accumulate(arr), 1):
        while len(hull) >= 2:
            (x0, y0), (x1, y1) = hull[-2:]
            dx0 = x1 - x0
            dy0 = y1 - y0
            dx1 = x - x1
            dy1 = y - y1
            if dy1*dx0 < dy0*dx1:
                break
            hull.pop()
        hull.append((x, y))
    return [q[0] - p[0] for p, q in pairwise(hull)]
from itertools import accumulate, count
from operator import truediv

def kc_Pychoed_2(nums):
    removals = []
    while nums:
        averages = map(truediv, accumulate(nums), count(1))
        remove = max(zip(averages, count(1)))[1]
        removals.append(remove)
        nums = nums[remove:]
    return removals

用 20 個不同的 100,000 個從 1 到 1000 的隨機整數陣列進行基準測驗:

  min   median   mean     max  
 65 ms  164 ms  159 ms  249 ms  kc
 38 ms   98 ms   92 ms  146 ms  kc_Pychoed_1
 58 ms  127 ms  120 ms  189 ms  kc_Pychoed_2
134 ms  137 ms  138 ms  157 ms  Matt
101 ms  102 ms  103 ms  111 ms  Matt_Pychoed

kc_Pychoed_1kcsquared在哪里,但有整數running_sum,沒有math.isclose. 我驗證所有解決方案是否為每個輸入計算相同的結果。

對于這樣的隨機資料,kcsquared 似乎介于 O(n) 和 O(n log n) 之間。但如果陣列嚴格遞減,它會降級為二次方。因為arr = [1000, 999, 998, ..., 2, 1]我得到了:

  min   median   mean     max  
102 ms  106 ms  107 ms  116 ms  kc
 60 ms   61 ms   61 ms   62 ms  kc_Pychoed_1
 76 ms   77 ms   77 ms   86 ms  kc_Pychoed_2
  0 ms    1 ms    1 ms    1 ms  Matt
  0 ms    0 ms    0 ms    0 ms  Matt_Pychoed

基準代碼(在線試用!):

from timeit import default_timer as timer
from statistics import mean, median
import random
from typing import List, Tuple
import math
from itertools import accumulate, count
from operator import truediv

def kc(nums: List[int]) -> List[int]:
    """Return list of lengths of max average prefix reductions."""

    def max_prefix_avg(arr: List[int]) -> Tuple[float, int]:
        """Return value and length of max average prefix in arr"""
        if len(arr) == 0:
            return (-math.inf, 0)
        
        best_length = 1
        best_average = -math.inf
        running_sum = 0.0

        for i, x in enumerate(arr, 1):
            running_sum  = x
            new_average = running_sum / i
            
            if (new_average >= best_average
                or math.isclose(new_average, best_average)):
                
                best_average = new_average
                best_length = i

        return (best_average, best_length)

    removed_lengths = []
    total_removed = 0

    while total_removed < len(nums):
        _, new_removal = max_prefix_avg(nums[total_removed:])
        removed_lengths.append(new_removal)
        total_removed  = new_removal

    return removed_lengths

def kc_Pychoed_1(nums: List[int]) -> List[int]:
    """Return list of lengths of max average prefix reductions."""

    def max_prefix_avg(arr: List[int]) -> Tuple[float, int]:
        """Return value and length of max average prefix in arr"""
        if len(arr) == 0:
            return (-math.inf, 0)
        
        best_length = 1
        best_average = -math.inf
        running_sum = 0

        for i, x in enumerate(arr, 1):
            running_sum  = x
            new_average = running_sum / i
            
            if new_average >= best_average:
                
                best_average = new_average
                best_length = i

        return (best_average, best_length)

    removed_lengths = []
    total_removed = 0

    while total_removed < len(nums):
        _, new_removal = max_prefix_avg(nums[total_removed:])
        removed_lengths.append(new_removal)
        total_removed  = new_removal

    return removed_lengths

def kc_Pychoed_2(nums):
    removals = []
    while nums:
        averages = map(truediv, accumulate(nums), count(1))
        remove = max(zip(averages, count(1)))[1]
        removals.append(remove)
        nums = nums[remove:]
    return removals

# Lengths of the segments in the upper convex hull
# of the cumulative sum graph
def Matt(arr):
    if len(arr) < 2:
        if len(arr) < 1:
            return []
        else:
            return [1]
    
    hull = [(0, 0),(1, arr[0])]
    for x in range(2, len(arr) 1):
        # this has x coordinate x-1
        prevPoint = hull[len(hull) - 1]
        # next point in cumulative sum
        point = (x, prevPoint[1]   arr[x-1])
        # remove points not on the convex hull
        while len(hull) >= 2:
            p0 = hull[len(hull)-2]
            dx0 = prevPoint[0] - p0[0]
            dy0 = prevPoint[1] - p0[1]
            dx1 = x - prevPoint[0]
            dy1 = point[1] - prevPoint[1]
            if dy1*dx0 < dy0*dx1:
                break
            hull.pop()
            prevPoint = p0
        hull.append(point)
    
    return [hull[i 1][0] - hull[i][0] for i in range(0, len(hull)-1)]

def pairwise(lst):
    return zip(lst, lst[1:])

def Matt_Pychoed(arr):
    hull = [(0, 0)]
    for x, y in enumerate(accumulate(arr), 1):
        while len(hull) >= 2:
            (x0, y0), (x1, y1) = hull[-2:]
            dx0 = x1 - x0
            dy0 = y1 - y0
            dx1 = x - x1
            dy1 = y - y1
            if dy1*dx0 < dy0*dx1:
                break
            hull.pop()
        hull.append((x, y))
    return [q[0] - p[0] for p, q in pairwise(hull)]

funcs = kc, kc_Pychoed_1, kc_Pychoed_2, Matt, Matt_Pychoed
stats = min, median, mean, max
tss = [[] for _ in funcs]
for r in range(1, 21):
    print(f'After round {r}:')
    arr = random.choices(range(1, 1001), k=100_000)
    # arr = list(range(1000, 1, -1))
    expect = None
    print(*(f'{stat.__name__:^7}' for stat in stats))
    for func, ts in zip(funcs, tss):
        t0 = timer()
        result = func(arr)
        t1 = timer()
        ts.append(t1 - t0)
        if expect is None:
            expect = result
        assert result == expect
        print(*('= ms ' % (stat(ts) * 1e3) for stat in stats), func.__name__)
    print()

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qita/434362.html

標籤:python arrays algorithm data-structures

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    uj5u.com 2023-04-20 07:43:16 more
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    摘要:由于DVPP媒體資料處理功能對存放輸入、輸出資料的記憶體有更高的要求(例如,記憶體首地址128位元組對齊),因此需呼叫專用的記憶體申請介面,那么本期就分享幾個關于DVPP記憶體問題的典型案例,并給出原因分析及解決方法。 本文分享自華為云社區《FAQ_DVPP記憶體問題案例》,作者:昇騰CANN。 DVPP ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:03 more
  • msf學習

    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:17 more
  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more