海量数据随机抽样问题(蓄水池问题)

ArcGIS基础:如何在大量数据里挑选随机样本(创建随机点工具) 【融合】工具位于【地理处理】下,注意在进行融合设置时,不要勾选【字段】里的任何内容,否则就会按照所选字段进行融合,而得不到大范围了。【创建随机点】工具里有一个设置是【约束要素类】,也就是我们所说的界限,是随机点生成的大范围线,所以我们先把以上的2391条数据进行【融合】操作,以得到一个大范围线。因此,这个功能的使用,对于点位的选择是有要求的,总体数据数量不大,点位生成过多,就会造成实验失败的情况。进行创建随机点的操作,在【点数】里选择10,表示会生成10个随机点。如上图是生成的10个随机点。 阅读详情
随机抽样问题表示如下:
要求从N个元素中随机的抽取k个元素,其中N无法确定。
这种应用的场景一般是数据流的情况下,由于数据只能被读取一次,而且数据量很大,并不能全部保存,因此数据量N是无法在抽样开始时确定的;但又要保持随机性,于是有了这个问题。所以搜索网站有时候会问这样的问题。
这里的核心问题就是“随机”,怎么才能是随机的抽取元素呢?我们设想,买彩票的时候,由于所有彩票的中奖概率都是一样的,所以我们才是“随机的”买彩票。那么要使抽取数据也随机,必须使每一个数据被抽样出来的概率都一样。
【解决】
解决方案就是蓄水库抽样(reservoid sampling)。主要思想就是保持一个集合(这个集合中的每个数字出现),作为蓄水池,依次遍历所有数据的时候以一定概率替换这个蓄水池中的数字。
其伪代码如下:
 Init : a reservoir with the size: k
        for    i= k+1 to N
            M=random(1, i);
            if( M < k)
                 SWAP the Mth value and ith value
       end for
 解释一下:程序的开始就是把前k个元素都放到水库中,然后对之后的第i个元素,以k/i的概率替换掉这个水库中的某一个元素。
下面来具体证明一下:每个水库中的元素出现概率都是相等的。
【证明】
(1)初始情况。出现在水库中的k个元素的出现概率都是一致的,都是1。这个很显然。
(2)第一步。第一步就是指,处理第k+1个元素的情况。分两种情况:元素全部都没有被替换;其中某个元素被第k+1个元素替换掉。
我们先看情况2:第k+1个元素被选中的概率是k/(k+1)(根据公式k/i),所以这个新元素在水库中出现的概率就一定是k/(k+1)(不管它替换掉哪个元素,反正肯定它是以这个概率出现在水库中)。下面来看水库中剩余的元素出现的概率,也就是1-P(这个元素被替换掉的概率)。水库中任意一个元素被替换掉的概率是:(k/k+1)*(1/k)=1/(k+1),意即首先要第k+1个元素被选中,然后自己在集合的k个元素中被选中。那它出现的概率就是1-1/(k+1)=k/(k+1)。可以看出来,旧元素和新元素出现的概率是相等的。
情况1:当元素全部都没有替换掉的时候,每个元素的出现概率肯定是一样的,这很显然。但具体是多少呢?就是1-P(第k+1个元素被选中)=1-k/(k+1)=1/(k+1)。
(3)归纳法:重复上面的过程,只要证明第i步到第i+1步,所有元素出现的概率是相等的即可。

看到一个问题:怎样随机从N个元素中选择一个元素,你依次遍历每个元素,但不知道N多大。
将N个元素用[1、2、...、N]编号。如果在知道N的大小,我们可以从[1、N]中随机选择一个数作为选择对象。
但是现在不知道N的大小,要使每一个元素被取的概率相等(随机)。这个概念叫蓄水池抽样。

Solution:以1/i的概率取第i个元素。
证明:数学归纳法。当i=1时:第1个元素以1/1=1的概率被取,符合条件。
设i=k时符合条件,即前k个元素都以1/k的概率被取。
则i=k+1时:对于第k+1个元素,被取概率为1/(k+1),符合条件。
对于前k个元素,每个元素被取的概率=被取并且没被第k+1个元素替换的概率=(1/k)*(1−1/(k+1))=1/(k+1)符合条件。
综上所述:得证。

将问题扩展:给你一个长度为N的链表。N很大,但你不知道N有多大。你的任务是从这N个元素中随机取出k个元素。你只能遍历这个链表一次。你的算法必须保证取出的元素恰好有k个,且它们是完全随机的(出现概率均等)。
这次与上面唯一的不同是:总共需要取k个元素。仿照即可得出解决方案。
Solution:以1的概率取前k个元素,从i=k+1开始,以k/i的概率取第i个元素,若被取,以均等的概率替换先前被取的k个元素。
证明:同样数学归纳法。当i=k+1时:第k+1个元素以k/k+1概率被取,前k个元素被取的概率=1 - 被第k+1个元素替换的概率=1−k/(k+1)*1/k=k/(k+1) 符合条件。
设i=p时符合条件,即前p个元素都以k/p的概率被取。
则i=p+1时:对第p+1个元素,被取概率为k/(p+1)符合条件。
对于前p个元素,每个元素被取的概率=被取并且没有被第p+1个元素替换的概率=
k/p*((1−k/(p+1))+k/(p+1)*(1−1/k))=k/p+1同样符合条件。
综上所述:得证。

另外还有一种方法:给每个元素随机生成一个固定区间(如[0,1])的权重。用一个大小为k的堆来选取权重较大的k个元素。仿照也可解决最开始的取1个的问题。












海量数据常见的面试题(频次最高+随机抽样) 【在海量数据中统计出现次数最多的n个】  分两种情况,   1 如果数据能够在内存中放下,比如如果海量数据是ip地址,最多有4G个ip地址,每个ip地址占4个字节 需要内存16G,如果内存在几十G,则完全可以全部装入内存,    直接读取大文件,然后创建一个hash表,统计次数,最后再用堆统计最大的n个 2  如果不能在内存放下,比如海量数据是字符串,不同的字符串个数无限,内存中可 阅读详情

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