本文主要是介绍拼写检查编程题详解-BK树算法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
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问题：1035:拼写检查
分析：
编辑距离：
BK树：
构造BK树：
查询相似词：
推论：
C++AC代码：
问题：1035:拼写检查
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描述
现在有一些英语单词需要做拼写检查，你的工具是一本词典。需要检查的单词，有的是词典中的单词，有的与词典中的单词相似，你的任务是发现这两种情况。单词A与单词B相似的情况有三种：
1、删除单词A的一个字母后得到单词B；
2、用任意一个字母替换单词A的一个字母后得到单词B；
3、在单词A的任意位置增加一个字母后得到单词B。
你的任务是发现词典中与给定单词相同或相似的单词。
输入
第一部分是词典中的单词，从第一行开始每行一个单词，以"#"结束。词典中的单词保证不重复，最多有10000个。
第二部分是需要查询的单词，每行一个，以"#"结束。最多有50个需要查询的单词。
词典中的单词和需要查询的单词均由小写字母组成，最多包含15个字符。
输出
按照输入的顺序，为每个需要检查的单词输出一行。如果需要检查的单词出现在词典中，输出“?x is correct"，?x代表需要检查的单词。如果需要检查的单词没有出现在词典中，则输出"?x: ?x1 ?x2 ...?xn"，其中?x代表需要检查的单词，?x1...?xn代表词典中与需要检查的单词相似的单词，这些单词中间以空格隔开。如果没有相似的单词，输出"?x:"即可。
样例输入
i
is
has
have
be
my
more
contest
me
too
if
award
#
me
aware
m
contest
hav
oo
or
i
fi
mre
#样例输出
me is correct
aware: award
m: i my me
contest is correct
hav: has have
oo: too
or:
i is correct
fi: i
mre: more me查看 提交 统计 提示 提问
分析：
之前写了这道题普通的解法——分情况讨论，详见拼写检查编程练习题。如果我们想要获取和字典中单词有至多2个字母之差的单词，那么该如何处理，如果还是分情况讨论的话会非常复杂。这个问题难就难在，根据定义操作可以是单词任意位置上的，似乎不遍历字典是不可能完成的。那么该怎么解决呢？接下来慢慢进行分析。另外我们在使用搜索引擎时，有没有发现即使输错几个字母，搜索引擎依然能很快给我们推荐出想要的单词，非常智能。
编辑距离：
这里，我们只需通过修改一个字母即可将单词A转换为单词B。在更一般的情况下，任何两个单词都可以经过有限次的增加、删除、替换某个字母相互转换。这时我们就可以使用最少多少步的增加、删除、修改操作将两个单词（字符串）互相转换，来度量两个单词（字符串）有多像，换句话说就是两个字符串的相似度是多少。1965年，俄国科学家Vladimir Levenshtein给字符串相似度做出了一个明确的定义叫做Levenshtein距离，我们通常叫它“编辑距离”。字符串A到B的编辑距离是指，只用插入、删除和替换三种操作，最少需要多少步可以把A变成B。Levenshtein给出了编辑距离的一般求法，就是大家都非常熟悉的经典动态规划问题。求编辑距离问题请见编辑距离算法详解：Levenshtein Distance算法——动态规划问题。
BK树：
在自然语言处理中，这个概念非常重要，例如我们可以根据这个定义开发出一套半自动的校对系统：查找出一篇文章里所有不在字典里的单词，然后对于每个单词，列出字典里与它的Levenshtein距离小于某个数n的单词，让用户选择正确的那一个。n通常取到2或者3，或者更好地，取该单词长度的1/4等等。这个想法倒不错，但算法的效率成了新的难题：查字典好办，建一个Trie树即可；但怎样才能快速在字典里找出最相近的单词呢？这个问题难就难在，Levenshtein的定义可以是单词任意位置上的操作，似乎不遍历字典是不可能完成的。现在很多软件都有拼写检查的功能，提出更正建议的速度是很快的。它们到底是怎么做的呢？1973年，Burkhard和Keller提出的BK树有效地解决了这个问题。这个数据结构强就强在，它初步解决了一个看似不可能的问题，而其原理非常简单。
BK树或者称为Burkhard-Keller树，是一种基于树的数据结构，被设计于快速查找近似字符串匹配，比方说拼写纠错，或模糊查找，当搜索”aeek”时能返回”seek”和”peek”。BK树在1973年由Burkhard和Keller第一次提出，论文在这《Some approaches to best match file searching》。这是网上唯一的ACM存档，需要订阅。更细节的内容，可以阅读这篇论文《Fast Approximate String Matching in a Dictionary》。
首先，我们先观察Levenshtein距离的性质。令d(x,y)表示字符串x到y的Levenshtein距离，那么显然：
1. d(x,y) = 0 当且仅当 x=y （Levenshtein距离为0 <==> 字符串相等）
2. d(x,y) = d(y,x) （从x变到y的最少步数就是从y变到x的最少步数）
3. d(x,y) + d(y,z) >= d(x,z) （从x变到z所需的步数不会超过x先变成y再变成z的步数）
最后这一个性质叫做三角形不等式（Triangle Inequality）。就好像一个三角形一样，两边之和必然大于第三边。给某个集合内的元素定义一个二元的“距离函数”，如果这个距离函数同时满足上面说的三个性质，我们就称它为“度量空间”。我们的三维空间就是一个典型的度量空间，它的距离函数就是点对的直线距离。度量空间还有很多，比如Manhattan距离，图论中的最短路，当然还有这里提到的Levenshtein距离。就好像并查集对所有等价关系都适用一样，BK树可以用于任何一个度量空间。
构造BK树：
建树的过程有些类似于Trie树。首先我们随便找一个单词作为根（比如game）。以后插入一个单词时首先计算单词与根的Levenshtein距离：如果这个距离值是该节点处第一次出现，建立一个新的儿子节点；否则沿着对应的边递归下去。例如，我们插入单词fame，它与game的距离为1，于是新建一个儿子，连一条标号为1的边；下一次插入gain，算得它与game的距离为2，于是放在编号为2的边下。再下次我们插入gate，它与game距离为1，于是沿着那条编号为1的边递归下去，递归地插入到fame所在子树；gate与fame的距离为2，于是把gate放在fame节点下，边的编号为2。
每个节点有任意个子节点，每条边有个值表示编辑距离。所有子节点到父节点的边上标注n表示编辑距离恰好为n。
查询相似词：
查询操作异常方便。如果我们需要返回与错误单词距离不超过n的单词，这个错误单词与树根所对应的单词距离为d，那么接下来我们只需要递归地考虑编号在d-n到d+n范围内的边所连接的子树。假如被检查的节点与搜索单词的距离d小于n，则返回该节点并继续查询。由于n通常很小，因此每次与某个节点进行比较时都可以排除很多子树。
BK树是多路查找树，并且是不规则的（但通常是平衡的）。试验表明，一次查询所遍历的节点不会超过所有节点的5%到8%，两次查询则一般不会17-25%，效率远远超过暴力枚举。适当进行缓存，减小Levenshtein距离常数n可以使算法效率更高。需要注意的是，如果要进行精确查找，也可以非常有效地通过简单地将n设置为0进行。
举个例子，假如我们输入一个gaie，程序发现它不在字典中。现在，我们想返回字典中所有与gaie距离为1的单词。我们首先将gaie与树根game进行比较，得到的距离d=1。由于Levenshtein距离满足三角形不等式，因此现在所有离game距离超过2的单词全部可以排除了。比如，以aim为根的子树到game的距离都是3，而game和gaie之间的距离是1，那么aim及其子树到gaie的距离至少都是2。于是，现在程序只需要沿着标号范围在1-1到1+1里的边继续走下去。我们继续计算gaie和fame的距离，发现它为2，于是继续沿标号在1和3之间的边前进。遍历结束后回到game的第二个节点，发现gaie和gain距离为1，输出gain并继续沿编号为1或2的边递归下去（那条编号为4的边连接的子树又被排除掉了）……
推论：
这里可能有人会有疑问为啥查找的时候只需要递归地考虑编号在d-n到d+n范围内的边就可以了？接下来让我们根据levenshtein距离的性质进行推导：
我们了解了编辑距离所表达的度量的空间之后，再来看下Burkhard和Keller所观察到的关键结论。
如果我们需要返回与错误单词gaie距离不超过n的单词，这个错误单词与树根game（可用任意字符串A代替）所对应的单词距离为d，因为levenshtein距离的性质（3）三角形不等式成立，则满足与gaie距离在n范围内的另一个字符串B，其与树根game的距离最大为d+n，最小为d-n。
推论如下：
d(gaie, B) + d(B, A) >= d(gaie, A), 即 d(gaie, B) + d(A,B) >= d
--> d(A,B) >= d - d(gaie, B) >= d - n
d(A, B) <= d(A,gaie) + d(gaie, B), 即 d(A, B) <= d + d(gaie, B) <= d + n
其实，还可以得到 d(gaie, A) + d(A,B) >= d(gaie, B)
--> d(A,B) >= d(gaie, B) - d(gaie, A)
--> d(A,B) >= 1 - d >= 0 (gaie与B不等) 由于 A与B不是同一个字符串，所以d(A,B)>=1
所以， min{1, d - n} <= d(A,B) <= d + n，这是更为完整的结论。
C++AC代码：
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>using namespace std;
struct nodew{ //存储单词信息，因为POJ要求输出相似词时，需按照读入顺序输出，所以得设置单词的顺序int order;string word;
};typedef struct treeNode{ //结构体，存储树节点，我这里使用map容器，没有使用指针，性质差不多。但map会节省点空间。struct nodew word;map<int, struct treeNode*> bkTreeNode; //map容器存储孩子节点，map的key对应编辑距离，value值对应结点。
}BKTreeNode;
bool isSame = false; //标识两个单词是否相同
map<int,string> result; //存储距离为1时的结果集int levenSTDistance(string x, string y); //计算字符串x和字符串y的levenshtein距离
int minOfTreeNum(int a, int b, int c); //返回a，b，c三个数中最小值
void queryWord(BKTreeNode* tNode, string word); //查询单词是否在字典，如果不在的话返回距离为1的结果集
void buildTree(BKTreeNode* tNode, struct nodew nodBuild); //构造BK树
BKTreeNode* newTreeNode(); //初始化节点。int main()
{string dic; //词典单词string word; //待查询单词//vector<string>::iterator vIter; //一开始没有考虑顺序，所以换为了mapmap<int,string>::iterator mIter; //map容器的迭代器string temp; //中间变量int cnt = 1; //为字典中单词编号，排顺序cin >> dic;BKTreeNode* root = newTreeNode();struct nodew nodetemp; //单词结构体，初始化完成后再存入词典nodetemp.word = dic;nodetemp.order = 0; //为树根单词编号为0root->word = nodetemp;while(1){cin >> dic;if(dic == "#"){break;}nodetemp.order = cnt++; //为单词标记读入顺序nodetemp.word = dic; //初始化单词buildTree(root,nodetemp); //构造BK树}while(1){cin >>word;if(word == "#"){break;}isSame = false; //每查完一个单词之后置为falseresult.clear(); //将结果集清空queryWord(root,word); //在BK树中查找满足要求的单词if(!isSame) //如果字典中没有找到，则输出相似单词{cout << word << ":";for(mIter = result.begin(); mIter != result.end(); mIter++) //迭代输出结果集{temp = mIter->second;cout << " " << temp;}}else{cout << word <<" is correct" ; //在词典中找到的话，直接输出正确。}cout << endl;}return 0;
}//初始化节点
BKTreeNode* newTreeNode()
{BKTreeNode * node = new BKTreeNode;return node;
}void buildTree(BKTreeNode* tNode, struct nodew nodBuild) //构造BK树
{string newNode = nodBuild.word; //新进来的结点string dicNode = tNode->word.word; //BK树中的节点int distance = levenSTDistance(newNode, dicNode); //计算编辑距离map<int,BKTreeNode*>::iterator iter; //BK树子树迭代器iter = tNode->bkTreeNode.find(distance); //查找孩子树种是否存在if(iter != tNode->bkTreeNode.end()) //存在的话迭代插入孙子结点{buildTree(iter->second, nodBuild);}else{ //不存在的话插入孩子结点BKTreeNode* tempNode = newTreeNode();tempNode->word = nodBuild;tNode->bkTreeNode[distance] = tempNode;}
}void queryWord(BKTreeNode* tNode, string word)
{string dicNode = tNode->word.word;int ord;int distance = levenSTDistance(dicNode, word);int i;map<int, BKTreeNode*>::iterator iter;if(distance == 0){isSame = true;}else{if(distance == 1){ord = tNode->word.order;result[ord] = dicNode;}i = max(1,distance-1);for(; i <= distance+1 ; i++){iter = tNode->bkTreeNode.find(i);if(iter != tNode->bkTreeNode.end()){queryWord(iter->second, word);}}}
}int minOfTreeNum(int a, int b, int c) //返回a，b，c三个数中最小值
{int minNum = a;if(minNum > b ){minNum = b;}if(minNum > c ){minNum = c;}return minNum;
}int levenSTDistance(string x, string y) //计算字符串x和字符串y的levenshtein距离
{int lenx = x.length();int leny = y.length();int levenST[lenx+1][leny+1]; //申请一个二维数组存放编辑距离int eq = 0; //存放两个字母是否相等int i,j;//初始化二维数组，也就是将最简单情形的levenshtein距离写入for(i=0; i <= lenx; i++){levenST[i][0] = i;}for(j=0; j <= leny; j++){levenST[0][j] = j;}//将串x和串y中的字母两两进行比较，得出相应字串的编辑距离for(i=1; i <= lenx; i++ ){for(j=1; j <= leny; j++){if(x[i-1] == y[j-1]){eq = 0;}else{eq = 1;}levenST[i][j] = minOfTreeNum(levenST[i-1][j] + 1, levenST[i][j-1] + 1, levenST[i-1][j-1] + eq);}}return levenST[lenx][leny];
}
注意：POJ上面要求数组必须是按照输入的顺序输出。
参考资料：http://www.matrix67.com/blog/?s=bk%E6%A0%91
这篇关于拼写检查编程题详解-BK树算法的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
