From 3260b1d4833b49fa30cc141b2c214cf33f29b41e Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: sshwy Date: Tue, 16 Jul 2019 16:01:47 +0800 Subject: [PATCH] =?utf8?q?pangu=E6=8F=92=E4=BB=B6?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=utf8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- docs/string/ac-automaton.md | 48 ++++++++++++++++++++++----------------------- 1 file changed, 24 insertions(+), 24 deletions(-) diff --git a/docs/string/ac-automaton.md b/docs/string/ac-automaton.md index 27ec398b..86b9b063 100644 --- a/docs/string/ac-automaton.md +++ b/docs/string/ac-automaton.md @@ -1,4 +1,4 @@ -我知道,很多人在第一次看到这个东西的时侯是非常兴奋的。(别问我为什么知道)不过这个自动机啊它叫作`Automaton`,不是`Automation`,让萌新失望啦。切入正题。似乎在初学自动机相关的内容时,许多人难以建立对自动机的初步印象,尤其是在自学的时侯。而这篇文章就是为你们打造的。笔者在自学AC自动机后花费两天时间制作若干的gif,呈现出一个相对直观的自动机形态。尽管这个图似乎不太可读,但这绝对是在作者自学的时侯,画得最~~妙不可读~~的gif了。另外有些小伙伴问这个gif拿什么画的。笔者名誉担保:用Windows画图。 +我知道,很多人在第一次看到这个东西的时侯是非常兴奋的。(别问我为什么知道)不过这个自动机啊它叫作`Automaton`,不是`Automation`,让萌新失望啦。切入正题。似乎在初学自动机相关的内容时,许多人难以建立对自动机的初步印象,尤其是在自学的时侯。而这篇文章就是为你们打造的。笔者在自学 AC 自动机后花费两天时间制作若干的 gif,呈现出一个相对直观的自动机形态。尽管这个图似乎不太可读,但这绝对是在作者自学的时侯,画得最~~妙不可读~~的 gif 了。另外有些小伙伴问这个 gif 拿什么画的。笔者用 Windows 画图软件制作。 ## 概述 @@ -12,17 +12,17 @@ AC 自动机是**以 TRIE 的结构为基础**,结合**KMP 的思想**建立 ## 字典树构建 -AC自动机在初始时会将若干个模式串丢到一个TRIE里,然后在TRIE上建立AC自动机。这个TRIE就是普通的TRIE,该怎么建怎么建。 +AC 自动机在初始时会将若干个模式串丢到一个 TRIE 里,然后在 TRIE 上建立 AC 自动机。这个 TRIE 就是普通的 TRIE,该怎么建怎么建。 -这里需要仔细解释一下 TRIE 的结点的含义,尽管这很小儿科,但在之后的理解中极其重要。TRIE中的结点表示的是某个模式串的前缀。我们在后文也将其称作状态。一个结点表示一个状态,TRIE的边就是状态的转移。 +这里需要仔细解释一下 TRIE 的结点的含义,尽管这很小儿科,但在之后的理解中极其重要。TRIE 中的结点表示的是某个模式串的前缀。我们在后文也将其称作状态。一个结点表示一个状态,TRIE 的边就是状态的转移。 -形式化地说,对于若干个模式串$s_1,s_2\dots s_n$,将它们构建一棵字典树后的所有状态的集合记作 $Q$。 +形式化地说,对于若干个模式串 $s_1,s_2\dots s_n$,将它们构建一棵字典树后的所有状态的集合记作 $Q$。 ## 失配指针 -AC自动机利用一个fail指针来辅助多模式串的匹配。 +AC 自动机利用一个 fail 指针来辅助多模式串的匹配。 -状态 $u$ 的 fail 指针指向另一个状态 $v$ ,其中 $v\in Q$ ,且 $v$ 是 $u$ 的最长后缀(即在若干个后缀状态中取最长的一个作为 fail 指针)。对于学过KMP的朋友,我在这里简单对比一下这里的 fail 指针与 KMP 中的 next 指针: +状态 $u$ 的 fail 指针指向另一个状态 $v$ ,其中 $v\in Q$ ,且 $v$ 是 $u$ 的最长后缀(即在若干个后缀状态中取最长的一个作为 fail 指针)。对于学过 KMP 的朋友,我在这里简单对比一下这里的 fail 指针与 KMP 中的 next 指针: 1. 共同点:两者同样是在失配的时候用于跳转的指针。 2. 不同点:next 指针求的是最长 Border(即最长的相同前后缀),而 fail 指针指向所有模式串的前缀中匹配当前状态的最长后缀。 @@ -68,11 +68,11 @@ AC 自动机在做匹配时,同一位上可匹配多个模式串。 ## 字典树与字典图 -我们直接上代码吧。字典树插入的代码就不分析了(后面完整代码里有),先来看构建函数 `build()`,该函数的目标有两个,一个是构建fail指针,一个是构建自动机。参数如下: +我们直接上代码吧。字典树插入的代码就不分析了(后面完整代码里有),先来看构建函数 `build()`,该函数的目标有两个,一个是构建 fail 指针,一个是构建自动机。参数如下: 1. `tr[u,c]` 这个有两者理解方式。我们可以简单理解为字典树上的一条边,即 $trie[u,c]$;也可以理解为从状态(结点) $u$ 后加一个字符`c`到达的状态(结点),即一个状态转移函数 $trans(u,c)$。下文中我们将用第二种理解方式继续讲解。 -2. `q` 队列,用于BFS遍历字典树。 -3. `fail[u]` 结点 $u$ 的fail指针。 +2. `q` 队列,用于 BFS 遍历字典树。 +3. `fail[u]` 结点 $u$ 的 fail 指针。 ```cpp void build(){ @@ -95,9 +95,9 @@ void build(){ 接下来解答一下上文提出的问题。细心的同学会发现,`else ` 语句的代码会修改字典树的结构。没错,它将不存在的字典树的状态链接到了失配指针的对应状态。在原字典树中,每一个结点代表一个字符串 $S$,是某个模式串的前缀。而在修改字典树结构后,尽管增加了许多转移关系,但结点(状态)所代表的字符串是不变的。 -而 $trans(S,c)$ 相当于是在 $S$ 后添加一个字符 `c` 变成另一个状态 $S'$。如果$S'$存在,说明存在一个模式串的前缀是$S'$,否则我们让 $trans(S,c)$ 指向 $trans(fail[S],c)$。由于$fail[S]$ 对应的字符串是$S$ 的后缀,因此$trans(fail[S],c)$ 对应的字符串也是 $S'$ 的后缀。 +而 $trans(S,c)$ 相当于是在 $S$ 后添加一个字符 `c` 变成另一个状态 $S'$。如果 $S'$ 存在,说明存在一个模式串的前缀是 $S'$,否则我们让 $trans(S,c)$ 指向 $trans(fail[S],c)$。由于 $fail[S]$ 对应的字符串是 $S$ 的后缀,因此 $trans(fail[S],c)$ 对应的字符串也是 $S'$ 的后缀。 -换言之在 TRIE 上跳转的时侯,我们只会从 $S$ 跳转到 $S'$,相当于匹配了一个 $S'$;但在AC自动机上跳转的时侯,我们会从$S$跳转到$S'$的后缀,也就是说我们匹配一个字符 `c`,然后舍弃 $S$ 的部分前缀。舍弃前缀显然是能匹配的。那么fail指针呢?它也是在舍弃前缀啊!试想一下,如果文本串能匹配$S$ ,显然它也能匹配 $S$ 的后缀。所谓的 fail 指针其实就是 $S$ 的一个后缀集合。 +换言之在 TRIE 上跳转的时侯,我们只会从 $S$ 跳转到 $S'$,相当于匹配了一个 $S'$;但在 AC 自动机上跳转的时侯,我们会从 $S$ 跳转到 $S'$ 的后缀,也就是说我们匹配一个字符 `c`,然后舍弃 $S$ 的部分前缀。舍弃前缀显然是能匹配的。那么 fail 指针呢?它也是在舍弃前缀啊!试想一下,如果文本串能匹配 $S$ ,显然它也能匹配 $S$ 的后缀。所谓的 fail 指针其实就是 $S$ 的一个后缀集合。 这样修改字典树的结构,使得匹配转移更加完善。同时它将 fail 指针跳转的路径做了压缩(就像并查集的路径压缩),使得本来需要跳很多次 fail 指针变成跳一次。 @@ -106,17 +106,17 @@ void build(){ ![AC_automation_gif_b_pro3.gif](./images/ac-automaton2.gif) 1. 蓝色结点: BFS 遍历到的结点 u -2. 蓝色的边:当前结点下,AC自动机修改字典树结构连出的边。 -3. 黑色的边:AC自动机修改字典树结构连出的边。 -4. 红色的边:当前结点求出的fail指针 -5. 黄色的边:fail指针 +2. 蓝色的边:当前结点下,AC 自动机修改字典树结构连出的边。 +3. 黑色的边:AC 自动机修改字典树结构连出的边。 +4. 红色的边:当前结点求出的 fail 指针 +5. 黄色的边:fail 指针 6. 灰色的边:字典树的边 -可以发现,众多交错的黑色边将字典树变成了**字典图**。图中省s略了连向根结点的黑边(否则会更乱)。我们重点分析一下结点 5 遍历时的情况,~~再妙不可读也请大家硬着头皮去读~~。我们求 $trans(5,\text{ s })=6$ 的 fail 指针: +可以发现,众多交错的黑色边将字典树变成了**字典图**。图中省 s 略了连向根结点的黑边(否则会更乱)。我们重点分析一下结点 5 遍历时的情况,~~再妙不可读也请大家硬着头皮去读~~。我们求 $trans(5,\text{ s })=6$ 的 fail 指针: ![AC_automation_b_7.png](./images/ac-automaton2.png) -本来的策略是找fail指针,于是我们跳到 $fail[5]=10$发现没有 `s` 连出的字典树的边,于是跳到 $fail[10]=0$ ,发现有$trie[0,\text{ s }]=7$,于是$fail[6]=7$;但是有了黑边、蓝边,我们跳到 $fail[5]=10$ 之后直接走 $trans(10,\text{ s })=7$ 就走到$7$号结点了。~~其实我知道没人会仔细看这鬼扯的两张图片的QAQ~~ +本来的策略是找 fail 指针,于是我们跳到 $fail[5]=10$ 发现没有 `s` 连出的字典树的边,于是跳到 $fail[10]=0$ ,发现有 $trie[0,\text{ s }]=7$,于是 $fail[6]=7$;但是有了黑边、蓝边,我们跳到 $fail[5]=10$ 之后直接走 $trans(10,\text{ s })=7$ 就走到 $7$ 号结点了。~~其实我知道没人会仔细看这鬼扯的两张图片的 QAQ~~ 这就是 build 完成的两件事:构建 fail 指针和建立字典图。这个字典图也会在查询的时候起到关键作用。 @@ -136,7 +136,7 @@ int query(char *t){ return res; } ``` -声明 $u$ 作为字典树上当前匹配到的结点,$res$ 即返回的答案。循环遍历匹配串,$u$ 在字典树上跟踪当前字符。利用 fail 指针找出所有匹配的模式串,累加到答案中。然后清 0。对 $e[j]$ 取反的操作用来判断 $e[j]$ 是否等于 -1。在上文中我们分析过,字典树的结构其实就是一个 $trans$ 函数,而构建好这个函数后,在匹配字符串的过程中,我们会舍弃部分前缀达到最低限度的匹配。fail指针则指向了更多的匹配状态。最后上一份图。对于刚才的自动机: +声明 $u$ 作为字典树上当前匹配到的结点,$res$ 即返回的答案。循环遍历匹配串,$u$ 在字典树上跟踪当前字符。利用 fail 指针找出所有匹配的模式串,累加到答案中。然后清 0。对 $e[j]$ 取反的操作用来判断 $e[j]$ 是否等于 -1。在上文中我们分析过,字典树的结构其实就是一个 $trans$ 函数,而构建好这个函数后,在匹配字符串的过程中,我们会舍弃部分前缀达到最低限度的匹配。fail 指针则指向了更多的匹配状态。最后上一份图。对于刚才的自动机: ![AC_automation_b_13.png](./images/ac-automaton3.png) @@ -151,11 +151,11 @@ int query(char *t){ ## 总结 -~~希望~~大家看懂了文章。其实总结一下,你只需要知道AC自动机的板子很好背就行啦。 +~~希望~~大家看懂了文章。其实总结一下,你只需要知道 AC 自动机的板子很好背就行啦。 -???+ note "模板1" +???+ note "模板 1" - [LuoguP3808【模板】AC 自动机(简单版)](https://www.luogu.org/problemnew/show/P3808) + [LuoguP3808【模板】AC 自动机(简单版)](https://www.luogu.org/problemnew/show/P3808) ```cpp #include @@ -208,7 +208,7 @@ int query(char *t){ } ``` -???+ note "模板2" +???+ note "模板 2" [P3796 【模板】AC 自动机(加强版)](https://www.luogu.org/problemnew/show/P3796) @@ -285,7 +285,7 @@ KMP 自动机:一个不断读入待匹配串,每次匹配时走到接受状 共有 $m$ 个状态,第 $i$ 个状态表示已经匹配了前 $i$ 个字符。 -定义 $trans_{i,c}$ 表示状态 $i$ 读入字符 $c$ 后到达的状态, $next_{i}$ 表示[prefix function](/string/prefix-function),则有: +定义 $trans_{i,c}$ 表示状态 $i$ 读入字符 $c$ 后到达的状态, $next_{i}$ 表示 [prefix function](/string/prefix-function),则有: $$ trans_{i,c} = @@ -297,7 +297,7 @@ $$ (约定 $next_{0}=0$ ) -我们发现 $trans_{i}$ 只依赖于之前的值,所以可以跟[KMP](/string/prefix-function/##knuth-morris-pratt)一起求出来。 +我们发现 $trans_{i}$ 只依赖于之前的值,所以可以跟 [KMP](/string/prefix-function/##knuth-morris-pratt) 一起求出来。 时间和空间复杂度: $O(m|\Sigma|)$。 -- 2.11.0