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简单认识KMV Sketch估算算法

介绍
KMV Sketch 是 Theta Sketch 算法的一种,简单来说,KMV Sketch 是用来估算大数据中不重复元素的个数,例如某个网站的唯一身份访客数。本文简单翻译自 datasketches 的文档,用以说明该算法是如何进行估算的。

案例 1
如果你去参加音乐会,你排在队尾,如何估计你的前面还有多少个人?如下图,整个队伍的长度是已知的为 1000Ft,你与前一个人的距离为 2Ft,那么可以简单的估算,整个队伍共有 1000Ft/2Ft=500 人,此时你用于计算的样本包含的人数为 1 人。

再次观察这个队伍,你发现人与人之间的距离并不是均匀的,你看到队尾的 11 个人一共占据了 30Ft 的长度,那么再次估算人数为 1000Ft/30Ft*11=11/(30Ft/1000Ft)=366 人,由于此次你用了 11 个人作为样本,估算值应该比之前更精确。

案例 2
现在我们有一份大数据样本,包含的是访客的唯一 id,为了简单说明原理,假设只有 10 个不同的 id,我们还需要一个特殊的 hash 函数,它能将 id 映射成 0~1 之间的值,并且映射后的值是有序的,如下图所示:

如果选取最小的那个值作为估算样本,那么整体数量的估算值为 1 /0.008=125,如果选第 4 个数,即 0.386 作为样本,那么估算值为 1 /(0.386-0.195)=5。可以看到,在只有一个样本的情况下,估算值与真实值 10 差距较大。
参考估算排队人数的做法,我们同样选择多个样本来估算,例如选择最小的 0.008/0.145/0.195 这 3 个样本,此时估计值的计算方式为 (3-1)/0.195=10.26,可以看到,距离真实值已经很接近了。

KMV 估算法的计算原理就是这样,虽然很简单,但数学上可以严格证明该估计量是整体的无偏估计。

相关链接:什么是无偏估计?

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