【随笔浅谈】splay 时间复杂度简要分析

splay 的复杂度分析

势能分析

在数据结构问题中，我们往往难以估计第 \(i\) 次的实际时间开销 \(t_i\)。

所以我们要引入一些势能分析的概念：

• 设 \(\phi_i\) 表示：第 \(i\) 次操作过后，数据结构的势能值。
• 记 \(a_i = t_i + \phi_i - \phi_{i - 1}\)，即第 \(i\) 次操作的均摊时间。

注意：确定势能值的势函数是需要我们自己确定的，寻找一个优秀的势函数往往可以更容易解决问题。

假设执行了 \(m\) 次操作，那么总的实际时间为：

\[\sum\limits_{1 \leq i \leq m} t_i = \sum\limits_{1 \leq i \leq m} a_i + \phi_0 - \phi_m \]

所以知道了 \(a_i, \phi\) 的复杂度就可以求出总的实际时间了。

在 splay 中，我们取这样的一个势函数：

• 设当前状态下，节点 \(x\) 的势能值 \(F(x) = \log \text{size}_x\)。
• 设当前状态下，整棵 splay 的势能值 \(\phi = \sum\limits_{1 \leq i \leq n} F(i)\)。

接下来要证明的结论是：

\[\begin{aligned}a_i & \leq 3(F(x') - F(x)) + 1 \\ & = \mathcal{O}\left(\log \frac{n}{\text{size}_x}\right) = \mathcal{O}(\log n)\end{aligned} \]

其中 \(F(x), F(x')\) 分别表示伸展 \(x\) 前和伸展 \(x\) 后节点 \(x\) 的势能值。

双旋 splay 的三种旋转

来回顾一下双旋 splay 的三种旋转：

1. 当 \(x\) 的父亲 \(p\) 是根节点时，直接 zig/zag \(x\)。

2. 当 \(x\) 和上两代祖先位于一条链上：先 zig/zag \(p\)，再 zig/zag \(x\)。

3. 当 \(x\) 和上两代祖先分叉时：先 zig/zag \(x\)，再 zig/zag \(x\)。

第一种旋转的均摊分析（以 zig 为例）

分析：

• 时间开销：旋转了一次。

• 势能变化：子树大小只有节点 \(x, y\) 发生了变化，故只有节点 \(x, y\) 的势能值发生了变化。

所以可以得到：

\[\begin{aligned}a_{\text{zig}} & = 1 + F(x') + F(y') - F(x) - F(y) \\& = 1 + F(y') - F(x)\end{aligned} \]

适当放缩得：

\[a_{\text{zig}} \leq 3(F(x') - F(x)) + 1 \]

第二种旋转的均摊分析（以 zig-zig 为例）

分析：

• 时间开销：旋转了两次。
• 势能变化：子树大小只有节点 \(x, y, z\) 发生了变化，故只有节点 \(x, y, z\) 的势能值发生了变化。

所以可以得到：

\[\begin{aligned}a_{\text{zig-zig}} & = 2 + F(x') + F(y') + F(z') - F(x) - F(y) - F(z) \\& = 2 + F(y') + F(z') - F(x) - F(y)\end{aligned} \]

然后你发现这个多出来的 \(2\) 非常令人不爽。

注意到：

\[F(x) + F(z') - 2 \cdot F(x') \leq \log \frac{\text{size}_x \cdot \text{size}_{z'}}{\text{size}^2_{x'}} \leq -2 \]

（均值不等式即可证明，大家都会。）

然后将这两个式子合并可以得到：

\[a_{\text{zig-zig}} \leq 2 \cdot F(x') + F(y') - 2 \cdot F(x) - F(y) \]

适当放缩得：

\[a_{\text{zig-zig}} \leq 3(F(x') - F(x)) \]

第三种旋转的均摊分析（以 zig-zag 为例）

分析：

• 时间开销：旋转了两次。
• 势能变化：子树大小只有节点 \(x, y, z\) 发生了变化，故只有节点 \(x, y, z\) 的势能值发生了变化。

所以可以得到：

\[\begin{aligned}a_{\text{zig-zag}} & = 2 + F(x') + F(y') + F(z') - F(x) - F(y) - F(z) \\& = 2 + F(y') + F(z') - F(x) - F(y)\end{aligned} \]

注意到：

\[F(x) + F(z') - 2 \cdot F(x') \leq \log \frac{\text{size}_x \cdot \text{size}_{z'}}{\text{size}^2_{x'}} \leq -2 \]

然后将这两个式子合并可以得到：

\[a_{\text{zig-zag}} \leq 2 \cdot F(x') + F(y') - 2 \cdot F(x) - F(y) \]

适当放缩得：

\[a_{\text{zig-zag}} \leq 3(F(x') - F(x)) \]

顺次组合所有操作

在伸展一个节点 \(x\) 的时候，将每次旋转的贡献式子连接起来，消除相邻的项，可以得到：

\[\begin{aligned}a_i & \leq 3(F(x') - F(x)) + 1 \\& = \mathcal{O}\left(\log \frac{n}{\text{size}_x}\right) = \mathcal{O}(\log n)\end{aligned} \]

• 因为 \(a_i = \mathcal{O}(\log n)\)，所以 \(\sum\limits_{1 \leq i \leq m} a_i = \mathcal{O}(m \log n)\)。
• 因为 \(0 \leq \phi \leq n \log n\)，所以 \(\phi_0 - \phi_m = \mathcal{O}(n \log n)\)。

于是 splay 的时间复杂度即为 \(\mathcal{O}((n + m) \log n)\)。