Khám Phá Hashing, Tìm Kiếm và Sketching trong Luận Án Tiến Sĩ

Luận án tiến sĩ khám phá phương pháp hashing, searching, sketching trong xử lý dữ liệu lớn, ứng dụng hiệu quả trong khoa học máy tính và công nghệ thông tin.

Trường đại học

Stanford University

Chuyên ngành

Computer Science

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2006

154
2
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hashing Tìm kiếm và Sketching trong Luận án Tiến sĩ

Luận án Tiến sĩ của Rina Panigrahy tập trung vào Hashing, Tìm kiếm, và Sketching, ba khái niệm cốt lõi trong Khoa học Máy tínhCông nghệ Thông tin. Hashing là phương pháp hiệu quả để thực hiện tìm kiếm chính xác, trong khi Sketching được sử dụng để biến đổi các đối tượng phức tạp thành các biểu diễn nhỏ gọn. Tìm kiếm trong không gian nhiều chiều là một thách thức lớn, đặc biệt khi liên quan đến Phân tích Dữ liệuXử lý Dữ liệu. Luận án này không chỉ khám phá các thuật toán cơ bản mà còn đưa ra các phương pháp tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất.

1.1. Hashing trong Khoa học Dữ liệu

Hashing là một kỹ thuật quan trọng trong Khoa học Dữ liệu, giúp giảm thiểu số lượng va chạm khi nhiều mục được ánh xạ vào cùng một bucket. Luận án đề cập đến các biến thể của Hashing, chẳng hạn như Locality-Sensitive Hashing (LSH), được sử dụng để tìm kiếm các đối tượng tương tự trong không gian nhiều chiều. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất tìm kiếm bằng cách giảm thời gian truy cập và tối ưu hóa không gian lưu trữ.

1.2. Tìm kiếm hiệu quả trong không gian nhiều chiều

Tìm kiếm trong không gian nhiều chiều là một vấn đề phức tạp, đặc biệt khi liên quan đến Tìm kiếm thông tinPhân tích Dữ liệu. Luận án giới thiệu các thuật toán như Kd-TreesLSH để giải quyết vấn đề này. Các phương pháp này giúp tìm kiếm các đối tượng gần nhất một cách hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng như Tìm kiếm hình ảnhTìm kiếm tài liệu tương tự.

II. Phương pháp Sketching và ứng dụng

Sketching là một kỹ thuật quan trọng trong Phân tích Dữ liệu, giúp biến đổi các đối tượng phức tạp thành các biểu diễn nhỏ gọn. Luận án tập trung vào các thuật toán Sketching để ước tính sự tương đồng giữa các đối tượng. Các phương pháp này được áp dụng trong Tìm kiếm thông tinXử lý dữ liệu, giúp giảm thiểu không gian lưu trữ và cải thiện hiệu suất tính toán.

2.1. Sketching trong Phân tích Dữ liệu

Sketching được sử dụng để biến đổi các đối tượng phức tạp thành các biểu diễn nhỏ gọn, giúp ước tính sự tương đồng giữa các đối tượng. Luận án giới thiệu các thuật toán Sketching như Min-HashBloom Filters, được áp dụng trong Phân tích Dữ liệuTìm kiếm thông tin. Các phương pháp này giúp giảm thiểu không gian lưu trữ và cải thiện hiệu suất tính toán.

2.2. Ứng dụng của Sketching trong Khoa học Máy tính

Sketching có nhiều ứng dụng trong Khoa học Máy tính, đặc biệt trong Xử lý dữ liệuTìm kiếm thông tin. Luận án đề cập đến các ứng dụng của Sketching trong việc tối ưu hóa các thuật toán tìm kiếm và phân tích dữ liệu. Các phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu không gian lưu trữ trong các ứng dụng thực tế.

III. Đóng góp và ứng dụng thực tiễn của Luận án

Luận án của Rina Panigrahy đóng góp nhiều phương pháp mới trong Hashing, Tìm kiếm, và Sketching. Các phương pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất tính toán mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong Công nghệ Thông tinKhoa học Máy tính. Luận án cũng đưa ra các giới hạn lý thuyết và các phương pháp tối ưu hóa để giải quyết các vấn đề phức tạp trong Phân tích Dữ liệuXử lý dữ liệu.

3.1. Đóng góp lý thuyết

Luận án đưa ra các giới hạn lý thuyết về hiệu suất của các thuật toán HashingSketching. Các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về khả năng và giới hạn của các thuật toán trong Khoa học Máy tínhCông nghệ Thông tin. Luận án cũng đề xuất các phương pháp tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất tính toán.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Các phương pháp được đề xuất trong luận án có nhiều ứng dụng thực tiễn trong Công nghệ Thông tinKhoa học Máy tính. Chúng được áp dụng trong các lĩnh vực như Tìm kiếm thông tin, Phân tích Dữ liệu, và Xử lý dữ liệu. Các phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu không gian lưu trữ trong các ứng dụng thực tế.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

HASHING, SEARCHING, SKETCHING. A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Rina Panigrahy December 2006 UMI Number: 3242604 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted.

Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3242604 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.

ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © Copyright by Rina Panigrahy 2007 All Rights Reserved 1 I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Pelee —— (Rajeev Motwani) Principal Adviser I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. (Tim Roughgarden) I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.

(Amin Saberi) Approved for the University Committee on Graduate Studies. ili Preface The Information Age has enabled the search for information in ways never imagined be- fore. The simplest search function may be an exact search where the input query is expected to exactly match the search object. But some search criteria are fuzzy — for instance im- age search, news search, and similar document search ~ making the search problem much harder.

One common approach is to convert such a search object into a mathematical rep- resentation such as a point (vector) in a high dimensional space. The search for a similar object then becomes a nearest neighbor search in a high dimensional space. Hashing is a simple and effective method for exact search that uses a random hash function to map items into buckets, often viewed as throwing balls into bins. A variant of hashing called locality-sensitive hashing that tends to map similar objects to the same hash bucket, can be used to perform nearest neighbor search.

A related notion is sketching that is used to transform a large complex object into a small ‘sketch’ — often a tiny bitmap — so that similarity between the sketches can be used to estimate the similarity between the original objects. In this thesis we study algorithms for different kinds of search using hashing and sketch- ing, and some fundamental limits of what can be realized using some of these approaches. For exact search, we will see how variants of balls-and-bins processes can be used to de- "rive space efficient methods for maintaining hash tables. For similarity search, we will see a variant of locality-sensitive hashing that uses linear space and how the underlying ideas can be used in the kd-tree data structure for improved performance.

We will also probe the fundamental limits of some of these approaches by showing lower bounds on their performance. iv Acknowledgement I wish to thank my Advisor Rajeev — it was his constant support through the last 9 years that I have been able to maintain in touch with Theory and algorithms while I was working in Industry. I also thank again Prof David Karger MIT for advising me during my years at MIT and for encouraging me to continue working on theory and for introducing me to Prof Motwani after I decided to leave MIT after my masters. I wish to thank all my collaborators — especially when I was away from school — Tomas Feder, Moses Charikar, Suresh Venkatasubramanian, Piotr Indyk, An Zhu, Liadan O’Callaghan, and Gagan Agarwal to name a few.

I wish to thank Samar Sharma at Cisco Systems for interesting research discussions during this period. I would like to thank the students at stanford — Krishnaram Kenthapadi, Dilys Thomas, David Arthur, Ying Xu, Sergei Vassilvitskii, and Shubha Nabar. No amount of gratitude to my parents would be sufficient. I am very fortunate to be where I am today because of their constant support and encouragement.

Contents Preface iv Acknowledgement 1 Introduction 2 Efficient Hashing 2. c c c c Q c k Q nu Q ng g vn kg Và va 2.ẶẶ ẶQQẶ QQ QẶ 11 2.3 Constant Maximum BucketS1Ze.Q HQ V Q vn và 21 2.4 Generalizing to fewermoves. ko ko KH Ha 22 2.1 Ủsingclogn-Dniversal Hash FuncHions. 26 3 Balanced Allocation on Graphs 27 3.2 Two choice Load Balancing on A-regularGraphs .3 Balls and bins with moves.

ee ee ee 36 3.4 Choosing binsin groups 2. Q Q HQ HQ HH Ha 37 3.1 High probability version ofLemma3.2 Construction of the witness graph for balls and bins with moves. 44 vi 4 Better Bloom Filters 46 41 Introduction. ee KV Ko 46 4.1 Bloom Filters and Counting Bloom Flters.2 Related Work on Counting Bloom Filters.

49 43 The d-leftCBF construction. eee ee ee 50 4.2 The Construction of a d-left Counting Bloom Filter.3 Additional Practical Issues. ee eee ee ee 54 4.4 A Comparison with Standard Counting Bloom Filters. ee eee eee ee 56 4.1 A Full Example and Comparison.

eee ee ee eee es 60 5 Entropy based Nearest Neighbor Search 61 5. ee ee ee 61 “`. rrr 64 522 Kd-Trees. ee ee ee eee 65 5.

ee ee ee ee es 65 5.5 Random Instance in Euclidean Space.6 Generalizing to arbitrarysetofpolns .2 Choice of Hash functions for Euclidean Space.02 eee ee eee 82 Vil 5.8 Micellaneous technical details .Ặ Ặ Ốc 83 Nearest Neighbor Search using Trees 85 6. ee ee 85 62 Resuls. CN cv NV ng kg kh kia 86 6.1 Trees vs HashngforNNS.22 New Search AlgorithimonKdtees. cee ee ee ee ee 89 LSH lower bounds 91 7.

kg Ta 93 Frequent Elements in a stream 98 8.2 Bounds for the MostFrequent problem .3 The nđexeđAndproblem.4 Lower bound for the nđexedAnd problem.5 Lower bound for the MostFrequent problem. Bounds for thennerProductproblem. 111 Sketching algorithms for trees 112 9. ee ee ee 112 9.

eee ee ee ee eee 113 9.2 Contributions of this study. eee ee eee 113 Vili 9.2 Models and Definitions .3 Similarity measuresÍOFfif@©€S.4 Sketching algorithmsfortwo-leveltees .1 Propagating one min-hash does not work .2 Propagating multiple min-hashes ateach level.3 Connections to Locality-Sensitive Hashing .5 Sketching algorithms for multleveltrees. ee ee ns 130 Bibliography 131 ix List of Tables 4.1 Simulation results with 67 elements being placed into n buckets using four choices, compared to the differential equations. The simulation results give the fraction of buckets with load at least k for each k up to 9; the results are based on the final distribution of elements after 27° deletions and insertions, averaged over 10000 trials.

No bucket obtained a load of 9 at any time over all 10000 trials.1 Simulation Results: The entries indicate the percentage of times the nearest neighbor os found. As the number of iterations k is increased the success rate increases. ee List of Figures 1.1 Various mathematical abstractions can be used to represent data objects. Embeddings between the different representations can be used to obtain concise sketches forthe data.

2 ee ee ee ee 2.1 Balls and bins: If each ball is thrown into a random bin, the max load is (1 + 0(1)) Inn/InInn. Instead if each ball is inserted into least loaded of 2 randomly chosen bins the max load drops exponentially to log logn + Ó(1) 3.1 Balls and bins: If each ball is thrown into a random bin, the max load is (1 + 0(1)) Inn/InInn. Instead if each ball is inserted into least loaded of d randomly chosen bins the max load drops exponentially to nee + O(1) 28 3.2 Asymmetric load balancing: If ties are broken asymmetrically, say to the left, the max load drops further to oc tele"), This means even for d as small as loglogn will result ina constant maxload.3 Unaligned super-bins: 7 and J are aligned, J’ is unaligned.4 k-step: all bins in the i” super-bin have load k — iif i> k and 0 otherwise.1 Locality sensitive hashing: Nearby points are more likely to hash to same bucket as compared to distantpoints.2 Locality sensitive hashing: Many hash tables are used to increase the chance of finding the near neighbor while searching.3 New Algorithm: Use only one hash table but search for many points in the neighborhood of the query point .2002 eae xi Chapter 1 Introduction The Information Age has enabled the search for information in ways never imagined before. We make use of fast automated search when we perform a web search, database search or a network search.

| In practice, the search criteria for the desired information are usually complex involving many criteria. At an operational level, the simplest search function may be an exact search — for instance, searching for a database record where the key has a specified value. Numerous efficient algorithms exist for exact search and this kind of search is generally easily handled. In other cases we may be performing a range search, say when we search for a restaurant in a certain radius of a location.

But some search criteria are fuzzy — for instance, image search, news search, similar document search. These are search examples where the criteria is often not stated precisely but understood at a subjective level. For example, an image search may involve finding the image of a person that best matches a given photograph. In practice, the search may be complex and involve a conjunction of several criteria: some exact, some range search, some fuzzy, and others operations specific to the problem.

For most search criteria, in terms of data structures and algorithms, there are two pri- mary fundamental underlying approaches: Trees and Hashing 1. Trees: Trees are based upon the idea of recursive pruning of search space; divide the search space into smaller regions at each decision branching point, resulting in about CHAPTER 1. INTRODUCTION 2 O(log n) search ‘depth.’ Several variants of trees have been proposed — binary trees, B-trees, Range trees and Kd-trees to name a few. Hashing: The idea behind hashing is to use an apparently random function that maps objects to an apparently random location in an array of buckets, and hope that not too many objects collide at the same bucket.

This random mapping of objects sig- nificantly reduces the search space in one shot. The objective of these random hash functions is to randomly throw objects (thought of as balls) into buckets (thought of as bins). Analysis of variants of such balls-and-bins techniques has resulted in new improved hashing methods. Since the search time in a bucket depends on the number of items in that bucket, the goal is to obtain as uniform a distribution of balls into bins as possible.

To this end, it has been shown that instead of randomly throwing balls into bins, if each ball picks two bins at random and is placed into the least loaded of the two bins, then this process results in a significant improvement in the uniformity of the distribution. Fuzzy search and the Curse of Dimensionality: The problem becomes much harder when we go from exact to fuzzy search, say image search. One common approach is to convert such a search object into a mathematical representation such as a point (vector) in a high dimensional space.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu về Hashing, Tìm kiếm và Sketching trong Luận án Tiến sĩ" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp và kỹ thuật hiện đại trong lĩnh vực xử lý dữ liệu và tìm kiếm thông tin. Nghiên cứu này không chỉ giải thích các khái niệm cơ bản về hashing và sketching mà còn phân tích ứng dụng của chúng trong việc tối ưu hóa quá trình tìm kiếm và lưu trữ dữ liệu. Độc giả sẽ nhận được những lợi ích từ việc hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các thuật toán này, từ đó có thể áp dụng vào các bài toán thực tiễn trong nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Để mở rộng thêm kiến thức, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận văn tốt nghiệp trường thcs hà giang nhà học 5 tầng, nơi có thể cung cấp thêm thông tin về các phương pháp nghiên cứu trong giáo dục. Ngoài ra, tài liệu Bản toàn văn luận án sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các tiêu chí đánh giá chất lượng trong nghiên cứu. Cuối cùng, tài liệu Toàn văn luận án 1732610928437 có thể cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về các phương pháp nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này. Những tài liệu này sẽ là cơ hội tuyệt vời để bạn đào sâu hơn vào các khía cạnh liên quan đến hashing và tìm kiếm.