Calcul linéaire de toutes les périodes locales d un mot. Thierry Lecroq

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1 Calcul lnéare de toutes les pérodes locales d un mot Therry Lecroq ABISS Unversté de Rouen - France Therry.Lecroq@unv-rouen.fr traval commun avec Jean-Perre Duval (Rouen), Roman Kolpakov (Moscou et Lverpool), Gregory Kucherov (Nancy) et Arnaud Lefebvre (Rouen) Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-1

2 Notatons Un mot w = w[1..n] de longueur n ; On note pér(w) la pérode de w. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-2

3 Pérode locale Défnton 1 : Sot w = uv, et u =. On dt qu un carré non vde tt est centré à la poston (ou centré en ) de w ss les deux condtons suvantes sont satsfates :. t est un suffxe de u, ou u est un suffxe de t,. t est un préfxe de v, ou v est un préfxe de t. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-3

4 u v t t carré nterne u v t t carré externe drot u v t t carré externe drot et gauche Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-4

5 Pérode Locale Défnton 2 : Le plus pett carré non vde centré à la poston de w est appelé le carré local mnmal centré en. La pérode locale à la poston de w, notée LP w (), est la pérode du carré mnmal centré en. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-5

6 Pérode Locale Défnton 2 : Le plus pett carré non vde centré à la poston de w est appelé le carré local mnmal centré en. La pérode locale à la poston de w, notée LP w (), est la pérode du carré mnmal centré en. Remarque : 1 LP w () w. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-6

7 Pérode Locale Défnton 2 : Le plus pett carré non vde centré à la poston de w est appelé le carré local mnmal centré en. La pérode locale à la poston de w, notée LP w (), est la pérode du carré mnmal centré en. Remarque : 1 LP w () pér(w) w. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-7

8 Théorème de factorsaton crtque Théorème : Pour tout mot w, l exste une poston (et la factorsaton correspondante w = uv avec u = ) telle que LP w () = pér(w). De plus, une telle poston exste parm n mporte quelles pér(w) postons consécutves de w. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-8

9 s-factorsaton Défnton 3 : La s-factorsaton sans cope chevauchante de w est la factorsaton w = f 1 f 2...f k, où les f sont défns récursvement comme sut :. f 1 = w[1],. supposons calculés f 1 f 2...f -1 ( 2), et sot w[j] la lettre qu sut mmédatement f 1 f 2...f -1 (.e. j = f 1 f 2...f -1 +1). S w[j] n apparaît pas dans f 1 f 2...f -1, alors f = w[j], snon f est le plus long facteur de w commençant à la poston j, qu possède une autre occurrence dans f 1 f 2...f -1. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/2003-9

10 Fonctons d extenson w = w 1 [1..m]w 2 [1..n] préf() = max { j w 2 [1..j] = w 2 [..+j-1] } pour 2 n et préf(n+1) = 0 w 1 w 2 préf() w 2 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

11 Fonctons d extenson w = w 1 [1..m]w 2 [1..n] suf() = max { j w 1 [m-j+1..m] = w[m+-j+1..m+] } pour 1 n w 1 w2 w 1 suf() Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

12 Alors l exste un carré de pérode p ss suf(p) + préf(p+1) p [Man 1989] p p+1 w 1 w 2 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

13 À chaque poston p où est vérfé suf(p) + pref(p+1) p l y a une sére de carrés centrés à chaque poston dans l ntervalle [m - suf(p) + p, m + préf(p+1)]. Cette sére de carrés est une répétton maxmale dans w [Kolpakov & Kucherov 1999]. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

14 Idée générale pour calculer toutes les pérodes locales Deux étapes : calcul de tous les carrés nternes mnmaux ; calcul de tous les carrés externes mnmaux. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

15 Idée générale pour calculer tous les carrés nternes mnmaux calcul de la s-factorsaton et tratement des facteurs un par un de la gauche vers la drote ; pour chaque facteur f r on consdère séparément les carrés : - qu apparassent entèrement à l ntéreur de f r ; - qu se termnent dans f r et s étendent vers f r-1. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

16 Idée générale pour calculer tous les carrés nternes mnmaux Les carrés du premer type sont calculés en utlsant le fat que f r possède une cope sur la gauche O( f r ). Les carrés du second type sont calculés en utlsant les fonctons d extenson et un lemme établssant que les carrés ne peuvent s étendre vers la gauche de plus de f r + 2 f r-1 lettres [Man 1989] O( f r-1 + f r ). Au total, trouver tous les carrés nternes mnmaux dans un mot de longueur n peut être effectué en temps O(n). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

17 Idée pour calculer tous les carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r D abord on calcule la s-factorsaton de w sans cope chevauchante et on garde pour chaque facteur f r une référence vers sa cope (non chevauchante) à gauche. L algorthme trate tous les facteurs f r de gauche à drote et calcule pour chaque facteur f r tous les carrés mnmaux se termnant en f r. Pour chaque carré mnmal nterne centré trouvé en poston, LP w () est ntalsé. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

18 Idée pour calculer tous les carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r Après que la totalté du mot at été traté, les postons pour lesquelles les valeurs LP w () n ont pas été assgnées sont celles pour lesquelles l n exste pas de carré mnmal centré en et LP w () est calculé avec une autre technque. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

19 Sot f r = w[m m + k] le facteur et w[j j + k] sa cope gauche (j + k m) S pour une poston m + (1 < k) le carré mnmal centré en m + apparaît entèrement à l ntéreur du facteur f r (.e. LP w (m + ) mn {, k - }) alors Calcul des carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r LP w (m + ) = LP w (j + ) LP w (j + ) a déjà été calculé donc on peut calculer toutes les valeurs LP w (m + ) mn {, k - } en temps O( f r ). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

20 Calcul des carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r j+1 j+k m+1 m+k f r Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

21 Calcul des carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r j+1 j+k m+1 m+ m+k fr Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

22 Calcul des carrés nternes mnmaux apparassant à l ntéreur de f r j+1 j+ j+k m+1 m+ m+k fr Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

23 Il reste à trouver les valeurs LP w (m + ) qu correspondent aux carrés mnmaux qu se termnent en f r et s étendent à gauche de la frontère entre f r et f r-1. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

24 Il reste à trouver les valeurs LP w (m + ) qu correspondent aux carrés mnmaux qu se termnent en f r et s étendent à gauche de la frontère entre f r et f r-1. On parttonne ces carrés en deux catégores : ceux centrés à l ntéreur de f r ; ceux centrés à gauche de f r. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

25 On se concentre sur les carrés centrés en des postons dans [m, m + k - 1] et commençant en des postons m et se termnant à l ntéreur de f r. On calcule ces carrés en ordre crossant des pérodes en utlsant les fonctons d extenson. Pour chaque p [1, k - 1] on calcule la sére de tous les carrés de pérode p centré en des postons dans [m, m + k - 1] commençant en des postons m et se termnant à l ntéreur de f r. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

26 Supposons que : nous venons de calculer une sére de carrés de pérode p ; q < p est la plus grande pérode pour laquelle des carrés ont été précédemment trouvé. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

27 p 2q S p 2q alors on vérfe pour chaque carré de la sére s l est mnmal ou non en testant la valeur de LP w (). S ce carré n est pas mnmal, alors son centre s est déjà vu assgné une valeur LP w (). S aucune valeur n a été précédemment assgnée alors nous avons trouvé un carré mnmal centré en. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

28 Il y a au plus p carrés de pérode p (leurs centres appartenant à [m, m + p - 1]) Les vérfer tous nécesste au plus 2(p-q) tests ndvduels (pusque q p/2 et p-q p/2) Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

29 p < 2q consdérons un carré s q = w[j - q j + q] de pérode q et centré en j Nous dsons que nous avons beson de vérfer la mnmalté unquement des carrés s p de pérode p qu ont leur centre h vérfant une des négaltés suvantes : - h - j p - q ou - h j + q h est stué à dstance p - q de j ou au-delà de la fn du carré s q. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

30 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

31 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

32 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

33 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

34 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

35 Preuve par l absurde : supposons que h - j > p - q et h < j + q 2 cas symétrques : h > j ou h < j h > j q q j-q j j+q h-p p h p h+p Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

36 l y a au plus 2(p-q) carrés s p vérfant h - j p - q l y a au plus p - q carrés s p vérfant h j + q pusque s p dot commencer avant m (h m + p) l y a au plus 3(p - q) carrés de pérode p dont on dot vérfer la mnmalté l y a au plus O( f r ) carrés à vérfer pour le facteur courant Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

37 Un argument smlare s applque aux carrés centrés à gauche de f r O( f r-1 + f r ) tests pour les carrés franchssant la frontère entre f r-1 et f r O( f r ) pour les carrés à l ntéreur de f r Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

38 Théorème 2 : Tous les carrés nternes mnmaux d un mot de longueur n peuvent être calculés en temps O(n). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

39 Foncton de décalage smplfée de Boyer-Moore Défnton 4 : Pour un mot w de longueur n la foncton de décalage smplfée de Boyer-Moore est défne comme sut : d w () = mn { k k 1 et j, < j n, k j ou w[j] = w[j-k] } j d w () d w () Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

40 Lemme 1 : Sot w = uv avec u v. S l n y a pas de carré nterne centré en = u, alors le carré externe mnmal drot a pour pérode d w (). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

41 Preuve : 2 cas d w () u ; d w () > u. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

42 u v d w () v d w () u Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

43 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

44 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

45 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

46 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

47 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

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49 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

50 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

51 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

52 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

53 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

54 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

55 u v v Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

56 u v v u 1 v u 1 LP w () = d w () LP w () = d w () Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

57 u v d w () d w () > u Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

58 u v 0 v 1 v 1 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

59 u v 0 v 1 v 1 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

60 u v 0 v 1 v 1 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

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79 u v 0 v 1 v 1 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

80 u v 0 v 1 v 1 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

81 u v 0 v 1 v 0 v 1 v 0 v 1 u 0 u 0 Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

82 u v 0 v 1 v 0 v 1 v 0 v 1 u 0 u 0 LP w () = d w () LP w () = d w () Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

83 Remarque S d w () > alors d w () = per(w) et per(w) > w /2. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

84 Lemme 2 : Sot w = uv avec u < v. S l n y a pas de carrés nternes centré en = u, alors le carré externe mnmal gauche a pour pérode d w R( w -). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

85 Théorème 3 : Toutes les pérodes locales d un mot de longueur n peuvent être calculées en temps O(n). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

86 Conclusons Le calcul de toutes les pérodes locales d un mot peut être effectuer en temps lnéare ; Cela nclut le calcul de la pérode globale (Théorème de factorsaton crtque) ; Cela permet de trouver toutes les factorsatons crtques d un mot. Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

87 Perspectves génératon et caractérsaton de tous les ensembles de pérodes locales ; extenson aux pérodes locales en utlsant une dstance (Hammng, édton, ). Réunon ASIM - Montpeller 21/12/

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