การค้นหาโดยการประมาณช่วง

การค้นโดยการประมาณช่วง (อังกฤษ: Interpolation search) หรือในบางครั้งเรียกว่า การค้นโดยการคาดการณ์ (อังกฤษ: Predictive search, Extrapolation search) เป็นขั้นตอนวิธี (algorithm) สำหรับค้นหาค่าของคำหลัก (key value) ที่ได้รับ(อาจได้รับจากการพิมพ์) โดยทำการค้นหาจาก ดัชนีแถวลำดับหนึ่งๆที่ถูกจัดเรียงอย่างมีระเบียบแบบแผนแล้ว ซึ่งวิธีนี้คล้ายกับวิธีที่เราค้นหา รายชื่อในสมุดโทรศัพท์ของโทรศัพท์มือถือ

ในการค้นหาแต่ละขั้นตอนจะมีการคำนวณหรือ คาดการณ์ว่าสิ่งที่ค้นหานั้น น่าจะอยู่ที่ไหนของช่วงการค้นหาที่เหลือ แม้เทคนิคนี้จะมีลักษณะคล้ายกับการค้นแบบทวิภาค (Binary search) แต่ก็ไม่ใช่เสียทีเดียว ยกตัวอย่างเช่น การค้นหาหมายเลขโทรศัพท์ของนายสมชาย จะไม่ไปหาที่ตรงกลางของสมุดโทรศัพท์ แต่จะไปหายังตำแหน่งที่เริ่มต้นด้วยตัว “ส” โดยการประมาณว่าอยู่ที่ตรงหน้าที่เท่าไรของสมุดโทรศัพท์ แล้วค่อย ๆ เลือกหน้าต่อไปที่ใกล้เคียงที่สุดจนกว่าจะพบ ดังนั้น แทนที่จะใช้การค้นแบบทวิภาค (Binary search) ที่เริ่มต้นตรงกลางเสมอ ก็เปลี่ยนมาใช้การค้นโดยการประมาณช่วง (Interpolation Search) ซึ่งเป็นการค้นหาตำแหน่งโดยการประมาณ

ขั้นตอนวิธี

ดังที่ได้อธิบายลักษณะการทำงานไปบ้างแล้ว การค้นโดยการประมาณช่วง (Interpolation Search) นี้อาศัยการคำนวณตำแหน่งที่น่าจะเป็นตำแหน่งของค่าคำหลักในแถวลำดับหนึ่งๆที่ถูกจัดเรียงเรียบร้อยแล้ว ซึ่งคำนวณจากค่าของคำหลักที่ต้องการค้นหา และ ค่าขอบบน ค่าขอบล่าง ของช่วงการค้นหาช่วงหนึ่ง จาก ช่วงการค้นหาทั้งหมด ซึ่งเราสามารถลดขนาดของช่วงการค้นหาที่เหลือได้ โดยการปรับเปลี่ยน ค่าขอบบน หรือค่าขอบล่างไปเรื่อยๆ จนกว่าจะพบ ค่าที่ต้องกาค้นหา

กำหนดให้

• ${\displaystyle low}$  หมายถึง ค่าขอบล่าง
• ${\displaystyle mid}$  หมายถึง ค่ากึ่งกลาง
• ${\displaystyle high}$  หมายถึง ค่าขอบบน
• ${\displaystyle Array[low]}$  หมายถึง ค่าของแถวลำดับ ณ ตำแหน่งขอบล่าง
• ${\displaystyle Array[mid]}$  หมายถึง ค่าของแถวลำดับ ณ ตำแหน่งตามค่ากึ่งกลาง
• ${\displaystyle Array[high]}$  หมายถึง ค่าของแถวลำดับ ณ ตำแหน่งขอบบน
• ${\displaystyle toFind}$  หมายถึง ค่าที่ต้องการค้นหา

โดยมีขั้นตอนการทำงานดังนี้

1. เริ่มต้นให้ ${\displaystyle low=0}$  และ ${\displaystyle high=}$  ขนาดของแถวลำดับ ${\displaystyle -1}$ 
2. เริ่มการทำงานแบบวงวนด้วยเงื่อนไข ${\displaystyle Array[low]\leq toFind}$  และ ${\displaystyle Array[high]\geq tofind}$ 
3. หาค่า ${\displaystyle mid}$  จาก ${\displaystyle mid=low+\left({\frac {\left(toFind-Array[low]\right)\times \left(high-low\right)}{Array[high]-Array[low]}}\right)}$ 
4. เริ่มต้นเช็คเงื่อนไขภายในวงวนเพื่อปรับค่า ${\displaystyle low}$  หรือ ${\displaystyle high}$ 
   1. ถ้า ${\displaystyle Array[mid]<toFind}$  (ถ้าไม่ใช่ ข้ามไปทำข้อ 2.) ปรับค่า ${\displaystyle low}$  เป็น ${\displaystyle low=mid+1}$ 
   2. ถ้า ${\displaystyle Array[mid]>toFind}$  (ถ้าไม่ใช่ ข้ามไปทำข้อ 3.) ปรับค่า ${\displaystyle high}$  เป็น ${\displaystyle high=mid-1}$ 
   3. ได้ค้นพบตำแหน่งของค่าที่ต้องการค้นหา ในแถวลำดับนี้แล้ว ทำการคืนค่ากลับ นั้นก็คือ คืนค่า ${\displaystyle mid}$  กลับไป
5. ขั้นตอนนี้หมายถึงปรับค่า ${\displaystyle low}$  และ ${\displaystyle high}$  ไปเรื่อยๆจนหลุดจากวงวนแล้วยังไม่พบ ตำแหน่งที่ต้องการค้นหาดังกล่าว ให้ทำการตรวจเงื่อนไขว่า ถ้า ${\displaystyle Array[low]=toFind}$  (ถ้าไม่ใช่ ข้ามไปทำข้อ 6.) ถ้าใช่ หมายถึงค่า ${\displaystyle low}$  คือค่าตำแหน่งของค่าที่ต้องการค้นหานั้นเอง ทำการคืนค่ากลับ คือ คืนค่า ${\displaystyle low}$  กลับไป
6. ขั้นตอนนี้หมายถึง ไม่สามารถหาตำแหน่งของค่าที่ต้องการค้นหาได้ ทำการคืนค่า ${\displaystyle -1}$  กลับไป

รหัสเทียม

 function interpolationSearch(int[] sortedArray, int toFind){  // กำหนดให้ฟังก์ชันนี้ มีการรับค่าพารามิเตอร์เป็น แถวลำดับที่จะทำการค้นหา และ ค่าที่ต้องการค้นหา  // และคืนค่าเป็นตำแหน่งของแถวลำดับที่เก็บค่า ตรงกับ ค่าของ tofind ส่วนกรณีที่หาไม่พบจะคืน -1  int low = 0;  int high = sortedArray.length - 1;  int mid;  while (sortedArray[low] <= toFind && sortedArray[high] >= toFind) {  mid = low +  ((toFind - sortedArray[low]) * (high - low)) /  (sortedArray[high] - sortedArray[low]);  if(sortedArray[mid] < toFind)  low = mid + 1;  else if (sortedArray[mid] > toFind)  high = mid - 1;  else  return mid;  }  if(sortedArray[low] == toFind)  return low;  else  return -1; // กรณีที่หาไม่พบ จะคืนค่า -1  } 

ประสิทธิภาพการทำงาน

การค้นโดยการประมาณช่วง (interpolation search) ในกรณีเฉลี่ยการค้นลักษณะนี้จะมีประสิทธิภาพเท่ากับ ${\displaystyle O\left(\log \log n\right)}$  ซึ่งดีกว่าการค้นแบบทวิภาค (Binary search) ที่มีประสิทธิภาพเท่ากับ ${\displaystyle O\left(\log n\right)}$  แต่ในกรณีโชคร้ายคือข้อมูลมีการกระจายไม่สม่ำเสมอเลย เช่น (1,2,4,8,16,..) การค้นหาลักษณะนี้จะมีประสิทธิภาพแย่ที่สุด ซึ่งจะกลายเป็นแบบการค้นแบบเชิงเส้น (Linear search) มีประสิทธิภาพเท่ากับ ${\displaystyle O\left(n\right)}$  ดังนั้นการค้นโดยการประมาณช่วง (interpolation search) จะมีประสิทธิภาพดีเมื่อใช้กับข้อมูลที่ค่าของคำหลัก (key value) มีกระจายที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ เช่น (1,3,4,5,7,9,10,…) และจะมีประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อใช้กับข้อมูลที่ค่าของคำหลัก (key value) มีกระจายอย่างสม่ำเสมอ (Uniformly Distributed) เช่น (1,2,4,6,8,10,..)

การนำไปประยุกต์ใช้งาน

การประยุกต์ใช้งานของขั้นตอนวิธี การค้นโดยการประมาณช่วง (Interpolation Search) ที่เราพบเห็นกันบ่อยในชีวิตประจำวัน เช่น การค้นหารายชื่อในสมุดโทรศัพท์ของโทรศัพท์มือถือ การค้นหาคำในพจนานุกรมอิเลกทรอนิกส์ หรือในพจนานุกรมออนไลน์ การค้นหารายชื่อหนังสือผ่านระบบสารสนเทศ ของร้านหนังสือ ฯลฯ โดยบางครั้งก็มีการนำไปประยุกต์ใช้งานร่วมกับขั้นตอนวิธีอื่นๆเพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

ศึกษาเพิ่มเติม

• การค้นแบบทวิภาค (Binary search)
• การค้นแบบเชิงเส้น (Linear search)
• ตารางแฮช (Hash table)
• Ternary search

อ้างอิง

• Weiss, Mark Allen (2006). Data structures and problem solving using Java, Pearson Addison Wesley
• Armenakis, A. C., Garey, L. E., Gupta, R. D., An adaptation of a root finding method to searching ordered disk files, BIT Numerical Mathematics, Volume 25, Number 4 / December, 1985.
• Sedgewick, Robert (1990), Algorithms in C, Addison-Wesley
• การค้นหาข้อมูล^{[ลิงก์เสีย]}