382. Linked List Random Node 链表的随机结点 【蓄水池抽样】

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();

给定一单链表,返回一随机节点的值,每个节点被选中的概率必须一致。
进阶:
如果单链表非常大,且其长度未知的情况将如何?能否在不使用额外空间的情况下解决这个问题?


思路
【Reservoir Sampling 蓄水池抽样问题】
(可理解为为等概抽样问题)

  • 问题:n个数中抽取k个,确保每个数被抽中的概率为n/k。

  • 基本思路:

    1. 先选取1,2,3,...,k将之放入蓄水池;
    2. 对于k+1,将之以k/(k+1)的概率抽取,然后随机替换水池中的一个数。
    3. 对于k+i,将之以k/(k+i)的概率抽取,然后随机替换水池中的一个数。
    4. 重复上述,直到k+i到达n;
  • 证明:
    对于k+i,其选中并替换水池中已有元素的概率为k/(k+i)
    对于水池中的某数x,其之前就在水池,一次替换后仍在水池中的概率是
    P(x之前在水池) * P(未被k+i替换)
    =P(x之前在水池) * (1-P(k+i被选中且替换了x) )
    = k/(k+i-1) × (1 - k/(k+i) × 1/k)
    = k/(k+i)
    当k+i到达n,则结果为k/n

  • 举例

    • 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

对于本题,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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