KMP算法證明

背景

了解KMP算法的直接看證明唱矛。

字符串s,模式字符串p,想要在s中找到第一個子串等于p

窮舉解法:

p的開頭跟s的開頭比較倔幼,相等就一個個往下對比顷蟆,遇到出錯的就p往后移動一位,即p的開頭和s的第二個字符開始比钉凌。一次類推直到找到咧最。

KMP:

假設(shè)某次匹配中失敗的位置在p中是j,用S(i,j)表示S從i到j(luò)的子串,則對p有這樣的性質(zhì):p(0,k-1) = p(j-k,j-1), 0 <= k < j御雕。語言描述為:在j的前面緊貼著一段k長度的子串矢沿,跟p開頭的長度為k子串是一樣的。

比如 abcabd, j為5時饮笛,即d的位置咨察,它前面的ab和開頭的ab相等,所以j為2福青。如果存在多種這樣的情況,k取最大的脓诡,比如aaacaaab,對最后的b而言无午,1、2祝谚、3都是成立的宪迟,取3。如果不存在這樣的交惯,則k=0次泽。而k==j的時候,等式兩邊是同一個子串席爽,沒有比較的意義了意荤。

對模式串里每一個j都有這樣的k,使用next[j]來表示只锻。

假設(shè)失敗位置在s中是i,在p中是j,KMP算法的優(yōu)化就在于玖像,失敗了之后,下一次的比較齐饮,s從i開始捐寥,p從next[j]開始。

舉例:

frabcabxabcabd              字符串s
  abcabd                    模式串p

x-d位置失敗了祖驱,如果是窮舉法握恳,下一步是:

frabcabxabcabd              字符串s
   abcabd                   模式串p 

p后移了一位,然后從頭開始比捺僻。而KMP算法是:

frabcabxabcabd              字符串s
     abcabd                 模式串p 

失敗位置在s中是x乡洼,在p中是d,索引為5,上面分析過了d的next[5]=2。所以p從p[2]即c的位置開始比就珠,s保留上次失敗的位置寇壳,也就是x,所以就成了現(xiàn)在的樣子。

這樣一下子就跳過很多位妻怎,優(yōu)化點就在這里壳炎。

證明

看了很多網(wǎng)上的證明,它們的關(guān)注點都錯了逼侦,它們證明的是什么呢匿辩?

x a1 a2 y b
x a1 a2 x c

失敗點是最后的b-c,然后c前面的x和開頭的x是相同的,這個x就是next[j]的那一段榛丢,KMP下次比較調(diào)整后為:

x a1 a2 y b
        x a1 a2 x c

KMP算法是直接從ba1的比較開始铲球,而需要比較yx了。這些文章的證明點就是xy是相等的晰赞,因為失敗點是b-c,這時就說明了xy是相等的了稼病,這一點很容易看出來。

但問題是為什么可以直接跳過這么多位置呢掖鱼?為什么移動一個位置來比較就一定會失敗呢然走?這個才是這個算法最需要證明的地方吧。就這個例子里戏挡,為什么x不用和a1比芍瑞?為什么不用和a2比呢?

示例說明:

對p有p1 p2 p3 p4 px py...,然后在px失敗了褐墅,這就意味著它之前p1-p4都是匹配到的,那假設(shè)S中對應(yīng)的字符為:p1 p2 p3 p4 s1 s2...,移動一位后:

p1 p2 p3 p4 s1 s2...
   p1 p2 p3 p4 px py...

假如這個時候匹配成功拆檬,那么就有p2 p3 p4 = p1 p2 p3,根據(jù)前面對next值的定義,這時對px它的next值就是3妥凳;

再往后移一位:

p1 p2 p3 p4 s1 s2...
       p1 p2 p3 p4 px py...

如果這時匹配成功竟贯,那么p3 p4=p1 p2,那px的next值就是2。而如果我們已經(jīng)知道了px的next值為1猾封,就可以判斷出這兩種情況是不可能匹配成功的澄耍。

即匹配失敗后,每往后移動一步如果成功晌缘,都有一個對應(yīng)的next值齐莲,而且這個next值是嚴格遞減的,所以知道實際的next值之后磷箕,更大的next就必定是不可能的选酗,那么之前的移動也就是不可能匹配成功的。

更小的有沒有可能岳枷? 有芒填,因為next值是滿足條件里最大的那個呜叫,所以更小值它是可能滿足條件的。但那就是下一次匹配之后的問題了殿衰,現(xiàn)在只是剔除掉一些絕對不可能的情況朱庆。

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