Add 1021 (#143)

* Add 1021 * Update md/1021.md Add \` to function names Co-authored-by: Borworntat Dendumrongkul <[email protected]> --------- Co-authored-by: Borworntat Dendumrongkul <[email protected]>
programming-in-th · Oct 27, 2023 · a2d8e09 · a2d8e09
1 parent a4362cc
commit a2d8e09
Show file tree

Hide file tree

Showing 10 changed files with 96 additions and 0 deletions.
diff --git a/md/1021.md b/md/1021.md
@@ -0,0 +1,96 @@
+โจทย์ข้อนี้มีคำสั่ง $N$ คำสั่ง โดยคำสั่งจะมีสองแบบ
+
+1. ใส่สินค้ามูลค่า $i$ เข้าไปในเครื่อง
+2. ถามว่าสินค้าที่มีมูลค่ามากสุดในเครื่องมีมูลค่าเท่าใดหากมีและเอาออกจากเครื่อง
+
+โจทย์ข้อนี้แก้ได้ด้วย Priority Queue ซึ่งเป็นโครงสร้างข้อมูลที่มีประสิทธิภาพในการหาค่าสูงสุดของชุดข้อมูลที่อาจมีการเพิ่มเข้าหรือลบออก
+
+ทั้งนี้ Priority Queue เป็นโครงสร้างข้อมูลที่มีอยู่ใน STL ซึ่งทำให้ข้อนี้แก้ได้ง่ายมากหากใช้ `std::priority_queue` โดยเพียงต้องใช้ฟังก์ชัน `push` เพื่อคำสั่งประเภทแรก และ `top` กับ `pop` สำหรับคำสั่งประเภทสอง
+
+เนื่องจากโจทย์ข้อนี้เป็นโจทย์ที่ต้องการสอนให้รู้จักการใช้ Priority Queue เฉลยนี้จะอธิบายโครงสร้าง Binary Heap ซึ่งเป็นวิธีที่พื้นฐานที่สุดสำหรับการเขียน Priority Queue (Priority Queue มีความหมายที่กว้างกว่า Binary Heap นอกจาก Binary Heap ยังมีโครงสร้างข้อมูลอื่นที่สามารถใช้เขียน Priority Queue เช่น Fibonacci Heap หรือ Binomial Heap)
+
+## Binary Heap
+
+Binary Heap ที่ต้องการในข้อนี้จะต้องรองรับ Operation สองแบบคือ:
+1. Push($i$) ใส่ข้อมูลที่มีค่า $i$ เข้าไปใน Heap
+2. Pop() return ค่าสูงสุดใน Heap และเอาข้อมูลนั้นออกจาก Heap 
+โดย Operation ทั้งสองมี Time Complexity $\mathcal{O}(\log{}N)$ และการเก็บ Heap มี Memory Complexity $\mathcal{O}(N)$ (เมื่อ $N$ คือขนาดของ Heap)
+
+### หลักการทำงานของ Heap
+
+Heap เป็นโครงสร้างข้อมูลที่เก็บในลักษณะ Complete Binary Tree ซึ่งเป็น Binary Tree ประเภทหนึ่ง
+
+Binary Tree เป็น Tree ที่แต่ละ Node มีลูกอย่างมาก 2 ตัว 
+
+Complete Binary Tree คือ Binary Tree ที่แต่ละชั้นจะมีจำนวน Node มากสุดที่เป็นไปได้ยกเว้นชั้นสุดท้ายซึ่งจะเก็บ Node ไว้ด้านซ้ายสุดก่อน นั่นคือในชั้นที่ $h$ ของ Binary Tree ที่มีชั้น $H$ เป็นชั้นสุดท้าย จะมี Node $2^h$ ตัวหาก $h < H$ และในชั้น $H$ มีได้ตั้งแต่ $1$ ถึง $2^H$ ตัว 
+
+นอกจากนี้ Heap จะรักษาคุณสมบัติว่าสำหรับ Node $x$ ใดๆ ลูกของ Node $x$ จะมีค่าไม่เกินค่าของ Node $x$ ซึ่งจะทำให้ Node รากที่อยู่สูงสุดใน Heap เป็นค่าสูงสุดในทั้ง Heap
+
+![](../media/1021/1.png)
+
+ในการ Implement โครงสร้างข้อมูล Binary Heap โดยทั่วไปจะเก็บเป็น Array จากช่องที่ $1$ ถึง $N$ โดยรากอยู่ที่ $1$ และให้ลูกขวาของ Node ที่ช่อง $x$ ที่ช่อง $2x$ และลูกซ้ายอยู่ที่ $2x+1$ (สังเกตตัวเลขแดงในภาพประกอบซึ่งแทนตำแหน่งของแต่ละ Node ใน Array)
+
+เนื่องจาก Binary Heap จัดเป็น Complete Binary Tree จะทำให้จำนวนชั้นของ Heap เป็น $\mathcal{O}(\log N)$ เมื่อ $N$ คือจำนวนสมาชิกใน Heap
+
+#### Push
+
+สำหรับการ Push ค่า $i$ จะใส่ค่า $i$ เข้าไปที่ตำแหน่งซ้ายสุดของชั้นสุดท้ายที่ยังว่าง หากชั้นสุดท้ายเต็มแล้วจะใส่ในช่องซ้ายสุดของชั้นใหม่ จากนั้นจะสลับค่าที่เพิ่งใส่ไปกับ Node พ่อของมันจนกว่ามันมีค่าไม่เกิน Node พ่อ 
+
+เนื่องจากมีเพียง $\mathcal{O}(\log N)$ ชั้น จะมีการสลับอย่างมาก $\mathcal{O}(\log N)$ ครั้ง ซึ่งหมายความว่า Push มี Time Complexity $\mathcal{O}(\log N)$
+
+ตัวอย่างการใส่ 84 เข้าไปใน Heap ตัวอย่างด้านบน
+
+![](../media/1021/push_1.png)
+
+84 มีค่ามากกว่า 15 จึงต้องสลับ
+
+![](../media/1021/push_2.png)
+
+84 มีค่ามากกว่า 78 จึงสลับอีกรอล
+
+![](../media/1021/push_3.png)
+
+84 มีค่าไม่เกิน 90 จึงจบขั้นตอนการ Push
+
+#### Pop
+
+สำหรับการ Pop ค่าที่ต้องการ return คือค่าสูงสุดกล่าวคือค่าที่อยู่ที่ราก 
+
+สำหรับการเอาค่านั้นออกจาก Heap จะสลับ Node ในตำแหน่งขวาสุดของชั้นสุดท้ายมาแทนรากเก่า และสลับ Node ที่ถูกสลับขึ้นมากับลูกที่มีค่ามากสุดจน Node นั้นมีค่าไม่ต่ำกว่าลูกทั้งสอง 
+
+Pop มี Time Complexity $\mathcal{O}(\log N)$ เช่นเดียวกับ Push เนื่องจาก Heap มีเพียง $\mathcal{O}(\log N)$ ชั้น
+
+
+ตัวอย่างการ Pop จาก Heap ตัวอย่างด้านบน
+
+![](../media/1021/push_3.png)
+
+ค่าที่รากคือ 90 ซึ่งเป็นค่าที่ต้องการ return
+
+![](../media/1021/pop_1.png)
+
+สลับ Node ขวาสุดของชั้นสุดท้ายขึ้นมาเป็นรากใหม่
+
+![](../media/1021/pop_2.png)
+
+15 มีค่าน้อยกว่า 90 จึงสลับลงไป
+
+![](../media/1021/pop_3.png)
+
+15 มีค่าน้อยกว่า 85 จึงสลับลงไปอีก
+
+![](../media/1021/pop_4.png)
+
+15 มีค่าน้อยกว่า 30 จึงสลับลงไปอีก
+
+![](../media/1021/pop_5.png)
+
+จบขั้นตอนการ Pop เนื่องจากไม่มีลูกให้สลับลงไปอีก
+
+## Solution
+
+เมื่อมี Priority Queue แล้วสำหรับแต่ละคำสั่งใน $N$ คำสั่งที่ได้ เพียวต้อง Push สำหรับ P และ Pop สำหรับ Q
+
+แต่ละคำสั่งใช้เวลา $\mathcal{O}(\log{}N)$ ไม่ว่าจะเป็น P หรือ Q ดังนั้น Time Complexity ของข้อนี้คือ $\mathcal{O}(N\log{}N)$ 
+
+ภาพประกอบทำใน https://visualgo.net/en 
diff --git a/media/1021/1.png b/media/1021/1.png
diff --git a/media/1021/pop_1.png b/media/1021/pop_1.png
diff --git a/media/1021/pop_2.png b/media/1021/pop_2.png
diff --git a/media/1021/pop_3.png b/media/1021/pop_3.png
diff --git a/media/1021/pop_4.png b/media/1021/pop_4.png
diff --git a/media/1021/pop_5.png b/media/1021/pop_5.png
diff --git a/media/1021/push_1.png b/media/1021/push_1.png
diff --git a/media/1021/push_2.png b/media/1021/push_2.png
diff --git a/media/1021/push_3.png b/media/1021/push_3.png