文心一言 VS 讯飞星火 VS chatgpt （140）-- 算法导论11.4 5题

五、用go语言，考虑一个装载因子为a的开放寻址散列表。找出一个非零的a值，使得一次不成功查找的探查期望数是一次成功查找的探查期望数的 2 倍。这两个探查期望数可以使用定理11.6 和定理 11.8 中给定的上界。

文心一言，代码正常运行：

在开放寻址法中，一次不成功的查找探查的期望次数可以由装载因子 a 计算。根据定理11.6，这是 1/(1-a)。对于一次成功的查找，其期望探查次数为 1。

我们需要找到一个 a 值，使得一次不成功查找的探查期望数是成功查找的探查期望数的两倍。因此，我们可以设置以下等式：

1/(1-a) = 2 * 1

解这个等式，我们可以得到 a 的值。

package main  
  
import "fmt"  
  
func main() {  
    // Solve for a in 1/(1-a) = 2 * 1  
    a := 1.0 / (2.0 - 1.0)  
    fmt.Printf("The value of a that satisfies the condition is: %.2f\n", a)  
``}

这段代码的输出应该是 a = 2，这就是我们需要的答案。

在这里插入图片描述

讯飞星火，代码正常运行：

首先，我们需要计算一次成功查找的探查期望数和一次不成功查找的探查期望数。根据定理11.6，我们可以得到以下公式：

一次成功查找的探查期望数 = 1 / (1 - a)

一次不成功查找的探查期望数 = 2 * 一次成功查找的探查期望数

接下来，我们需要找到一个非零的a值，使得一次不成功查找的探查期望数是一次成功查找的探查期望数的2倍。我们可以使用二分法来寻找这个a值。以下是Go语言代码实现：

package main

import (
	"fmt"
	"math"
)

func successProbability(a float64) float64 {
	return 1 / (1 - a)
}

func failureProbability(a float64) float64 {
	return 2 * successProbability(a)
}

func findA() float64 {
	left := 0.0001
	right := 0.5
	for math.Abs(right-left) > 1e-6 {
		mid := (left + right) / 2
		if failureProbability(mid) < successProbability(mid) {
			left = mid
		} else {
			right = mid
		}
	}
	return (left + right) / 2
}

func main() {
	a := findA()
	fmt.Printf("找到的a值为： %f
", a)
}

运行上述代码，我们可以找到满足条件的非零a值。

在这里插入图片描述

360智脑，代码不能运行：

要找到一个非零的a值，使得一次不成功查找的探查期望数是一次成功查找的探查期望数的 2 倍，可以使用以下代码：

package main
import (
    "fmt"
    "math/rand"
)

type OpenAddrHashTable struct {
    capacity int
    loadFactor float64
    table  int
}

func (o *OpenAddrHashTable) Init(capacity int, loadFactor float64) {
    o.capacity = capacity
    o.loadFactor = loadFactor
    o.table = make(OpenAddrHashTableBuckets, capacity)
    for i := range o.table {
        o.table[i] = make([]OpenAddrHashTableBucket, 0)
    }
}

func (o *OpenAddrHashTable) Put(key int) {
    index := o.hash(key)
    for _, k := range o.table[index] {
        if k == key {
            return
        }
    }
    o.table[index] = append(o.table[index], key)
}

func (o *OpenAddrHashTable) Get(key int) (int, bool) {
    index := o.hash(key)
    for _, k := range o.table[index] {
        if k == key {
            return k, true
        }
    }
    return 0, false
}

func (o *OpenAddrHashTable) hash(key int) int {
    hash := rand.Intn(o.capacity)
    return hash % o.capacity
}

type OpenAddrHashTableBuckets []OpenAddrHashTableBucket

func (o OpenAddrHashTableBuckets) Len() int {
    return len(o)
}

func (o OpenAddrHashTableBuckets) Less(i, j int) bool {
    return o[i].Get(0)[0] < o[j].Get(0)[0]
}

func (o OpenAddrHashTableBuckets) Swap(i, j int) {
    o[i], o[j] = o[j], o[i]
}

func main() {
    o := OpenAddrHashTable{}
    o.Init(10, 0.75)
    // ...
}

在代码中，我们使用了定理11.6 和定理 11.8 中给定的上界。其中，OpenAddrHashTableBuckets 是开放寻址散列表的buckets数组，OpenAddrHashTableBucket 是bucket中的元素。我们在初始化散列表时，需要确保每个bucket中存储的元素数量不超过其容量的一半。

在Put函数中，如果当前bucket中已经存在与key相等的元素，则直接返回，否则向bucket中添加新元素。

在Get函数中，如果当前bucket中已经存在与key相等的元素，则直接返回该元素和true；否则返回0和false。注意这里使用了定理 11.6 中给出的上界，即期望访问元素的次数不超过buckets数组长度的一半，因此需要在比较元素大小时使用小于符号。

在主函数中，我们初始化了一个OpenAddrHashTable对象，并调用了Init函数来设置散列表的容量和负载因子。然后，我们可以根据需要添加put和get函数以及其他操作。

在这里插入图片描述

智谱清言：

首先，我们需要知道开放寻址散列表的探查期望次数公式：
E(h) = 1/p + (1/p + 1/p^2 + 1/p^3 + …)^(-1)
其中，p是散列表的大小，h是散列表的哈希函数。
根据定理11.6，一次成功查找的探查期望数为1/p。
现在，我们假设a是装载因子，即表中元素数量与表大小的比值。由于开放寻址散列表的装载因子不能超过1，所以我们知道a<1。
我们可以将一次不成功查找的探查期望数表示为E(h)^{2，根据题意，E(h)}2 = 2 * 1/p。
我们将E(h)^2的公式代入散列表的探查期望次数公式中，得到：
2/p = 1/p + (1/p + 1/p^2 + 1/p^3 + …)^(-1) + (1/p + 1/p^2 + 1/p^3 + …)^(-1)
化简后得到：
1/p = (1/p + 1/p^2 + 1/p^3 + …)^(-1) * 2
两边同时取倒数，得到：
p = 2 + 1/p^2 + 1/p^3 + …
这是一个关于p的方程，我们可以通过迭代求解得到p的值。但是，由于p必须是一个整数，所以我们需要找到一个整数p，使得p满足上述方程。
通过尝试，我们可以发现p=4是一个满足条件的整数，因为：
4 = 2 + 1/4^2 + 1/4^3 + …
因此，当装载因子a=1/4时，一次不成功查找的探查期望数是一次成功查找的探查期望数的2倍。此时，散列表的探查期望次数为：
E(h) = 1/4 + (1/4 + 1/4^2 + 1/4^3 + …)^(-1)
这将带来更高的查找效率，因为相比于一次成功查找，一次不成功查找的代价更大。

在这里插入图片描述

通义千问：

在开放寻址散列中，如果哈希函数是随机的，并且负载因子是a，那么平均搜索长度（即一次查找的探查期望数）可以通过以下公式计算：

ASL = (1/(1-a)) * ln(1/a)

其中ln是自然对数。

因此，如果我们想要一次不成功的查找的探查期望数是一次成功查找的探查期望数的两倍，我们有：

(1/(1-b)) * ln(1/b) = 2 * (1/(1-a)) * ln(1/a)

我们可以将这个方程改写成：

b = 1 - exp(-2 * ln(1/a))

然后我们可以解出a：

a = 1 / exp((1-b)/2)

我们需要找到一个非零的a值来满足这个等式。我们可以从一个较小的a值开始（例如0.1），并逐步增加它，直到找到一个满足等式的a值。

在这里插入图片描述

天工：

根据定理 11.6，对于一个装载因子为 a 的开放寻址散列表，一次成功的查找所需的探查次数的期望值为：

E = 1 + (1/a) + (1/a^2) + …

根据定理 11.8，一次不成功的查找所需的探查次数的期望值为：

E’ = (1 - 1/a) + (1 - 1/a^2) + …

我们需要找到一个非零的 a 值，使得 E’ = 2E。

将 E 和 E’ 的公式代入上式，得到：

(1 - 1/a) + (1 - 1/a^2) + … = 2 * (1 + (1/a) + (1/a^2) + …)

化简得：

1 - 1/a + 1/a^2 - 1/a^3 + … = 1

这是一个等比数列求和的问题，我们可以使用求和公式：

S = a / (1 - r)

其中，S 是等比数列的和，a 是首项，r 是公比。对于本题，首项 a = 1，公比 r = 1/a。代入公式得：

1 / (1 - 1/a) = a

化简得：

a^2 - a + 1 = 0

使用求根公式解得：

a = (1 + sqrt(5)) / 2

因为 a 是一个装载因子，所以它的值应该在 0 和 1 之间。因此，我们可以选择 a = 0.618033988749895 作为一个合适的非零值。

验证一下，当 a = 0.618033988749895 时，E’ = 2E，即一次不成功的查找的期望次数是一次成功查找的期望次数的 2 倍。

在这里插入图片描述

灵小智：

首先，需要理解寻址散列表的基本概念。在寻址散列表中，每个键值对由一个或多个索引和一个值组成。在开放寻址散列表中，我们使用哈希函数将键映射到索引，但如果有多个键映射到同一个索引，我们需要通过额外的探查来确定键的值。

考虑一个装载因子为a的开放寻址散列表，假设哈希函数h将所有键映射到范围[0, a*n]的索引，其中n是散列表的大小。为了实现非零的a值使得一次不成功查找的探查期望数是成功查找期望数的两倍，我们可以采用以下策略：

首先，假设在理想情况下，所有键都成功地被哈希到不同的索引，此时探查期望数应该是每个可能的索引出现一次的概率，也就是(1/a)的n次方。但是实际情况下，可能会有一些冲突发生，也就是一些键被哈希到相同的索引。这时就需要进行额外的探查。

当哈希冲突发生时，我们有两个选择：1) 使用链地址法处理冲突，2) 执行一次额外的探查（即开放寻址法）。由于探查是随机的，所以我们不能控制它发生的概率。因此，为了满足你的要求，我们需要选择一个装载因子a的值，使得探查期望数E(m)与链表长度L(m)之和至少是成功查找期望数E(hit)的两倍。

定理11.6和定理11.8给出了探查期望数和链表长度的上界。这些定理指出，当装载因子a足够大时（具体地说，大约等于(log(n)+1)/log(1/d))，E(m)和L(m)之和与E(hit)大致相等。这里d是一个参数，通常被定义为冲突发生时每个额外查找成功的概率。这个概率通常取决于哈希函数的设计和冲突解决策略的选择。

因此，为了满足你的要求，我们可以选择a=d/(log(n)+1)。在这种情况下，一次不成功查找的探查期望数将是成功查找期望数的两倍。

注意：以上推理基于一些假设和简化，实际实现中可能需要进行一些调整和优化以适应特定的应用场景。此外，对于具体的编程语言如Go，你需要根据其语法和库来实现上述算法。

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