382. Linked List Random Node 鏈表的隨機結(jié)點 【蓄水池抽樣】

Given a singly linked list, return a random node's value from the linked list. Each node must have the same probability of being chosen.
Follow up:
What if the linked list is extremely large and its length is unknown to you? Could you solve this efficiently without using extra space?
Example:

// Init a singly linked list [1,2,3].
ListNode head = new ListNode(1);
head.next = new ListNode(2);
head.next.next = new ListNode(3);
Solution solution = new Solution(head);
// getRandom() should return either 1, 2, or 3 randomly. 
//Each element should have equal probability of returning.
solution.getRandom();

給定一單鏈表,返回一隨機節(jié)點的值,每個節(jié)點被選中的概率必須一致。
進階:
如果單鏈表非常大,且其長度未知的情況將如何?能否在不使用額外空間的情況下解決這個問題?


思路
【Reservoir Sampling 蓄水池抽樣問題】
(可理解為為等概抽樣問題)

  • 問題:n個數(shù)中抽取k個,確保每個數(shù)被抽中的概率為n/k。

  • 基本思路:

    1. 先選取1,2,3,...,k將之放入蓄水池;
    2. 對于k+1,將之以k/(k+1)的概率抽取,然后隨機替換水池中的一個數(shù)。
    3. 對于k+i,將之以k/(k+i)的概率抽取,然后隨機替換水池中的一個數(shù)。
    4. 重復(fù)上述,直到k+i到達n;
  • 證明:
    對于k+i,其選中并替換水池中已有元素的概率為k/(k+i)
    對于水池中的某數(shù)x,其之前就在水池,一次替換后仍在水池中的概率是
    P(x之前在水池) * P(未被k+i替換)
    =P(x之前在水池) * (1-P(k+i被選中且替換了x) )
    = k/(k+i-1) × (1 - k/(k+i) × 1/k)
    = k/(k+i)
    當(dāng)k+i到達n,則結(jié)果為k/n

  • 舉例

    • Choose 3 numbers from [111, 222, 333, 444]. Make sure each number is selected with a probability of 3/4
    • First, choose [111, 222, 333] as the initial reservior
    • Then choose 444 with a probability of 3/4
    • For 111, it stays with a probability of
      • P(444 is not selected) + P(444 is selected but it replaces 222 or 333)= 1/4 + 3/4*2/3= 3/4
    • The same case with 222 and 333
    • Now all the numbers have the probability of 3/4 to be picked

對于本題,取k=1即可

/**
 * Definition for singly-linked list.
 * struct ListNode {
 *     int val;
 *     ListNode *next;
 *     ListNode(int x) : val(x), next(NULL) {}
 * };
 */

class Solution {
private:
    ListNode* head;
public:
    /** @param head The linked list's head. Note that the head is guanranteed to be not null, so it contains at least one node. */
    Solution(ListNode* head) {
        this->head = head;
    }

    /** Returns a random node's value. */
    int getRandom() {
        int res = head->val;
        ListNode* node = head->next;
        int i = 2;
        while(node){
            int j = rand()%i;
            if(j==0)
                res = node->val;
            i++;
            node = node->next;
        }
        return res;
    }
};

/**
 * Your Solution object will be instantiated and called as such:
 * Solution obj = new Solution(head);
 * int param_1 = obj.getRandom();
 */
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