Algoritmer og Datastrukturer 1. Gerth Stølting Brodal

Relaterede dokumenter
Algoritmer og Datastrukturer 1. Gerth Stølting Brodal

Algoritmer og Datastrukturer 1. Gerth Stølting Brodal Aarhus Universitet

Grundlæggende Algoritmer og Datastrukturer

Rolf Fagerberg. Forår 2013

Analyse af ombytningspuslespil

Rolf Fagerberg. Forår 2012

Analyse af ombytningspuslespil

Rolf Fagerberg. Forår 2015

Rolf Fagerberg. Forår 2015

Rolf Fagerberg. Forår 2014

DM507 Algoritmer og datastrukturer

Introduktion til DM507

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer 1. Datalogisk Institut Aarhus Universitet. Mandag den 22. marts 2004, kl

Perspektiverende Datalogikursus

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: n 2 n (log n) 2. 3 n /n 2 n + (log n) 4

Programmering 2. dprog2 E

Perspektiverende Datalogikursus

Programmering 2. dprog2 E

Perspektiverende Datalogikursus

Grådige algoritmer. Et generelt algoritme-konstruktionsprincip ( paradigme ) for optimeringsproblemer.

Sortering. Eksempel: De n tal i sorteret orden

Sortering af information er en fundamental og central opgave.

Sortering. Eksempel: De n tal i sorteret orden

Perspektiverende Datalogi Klassiske Algoritmer

Grundlæggende Algoritmer og Datastrukturer. Analyseværktøjer [CLRS, 1-3.1]

Dynamisk programmering

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

Perspektiverende Datalogikursus

Sortering af information er en fundamental og central opgave.

Sammenhængskomponenter i grafer

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer 1. Datalogisk Institut Aarhus Universitet

Perspektiverende Datalogikursus

Perspektiverende Datalogikursus Uge 1 - Algoritmer og kompleksitet

Skriftlig Eksamen DM507 Algoritmer og Datastrukturer

Grådige algoritmer. Et generelt algoritme-konstruktionsprincip ( paradigme ) for optimeringsproblemer.

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Algoritmer og Datastrukturer 1. Gerth Stølting Brodal

Sortering. De n tal i sorteret orden. Eksempel: Kommentarer:

Perspektiverende Datalogi Klassiske Algoritmer. Gerth Stølting Brodal

Grådige algoritmer. Et generelt algoritme-konstruktionsprincip ( paradigme ) for optimeringsproblemer.

Skriftlig Eksamen DM507 Algoritmer og Datastrukturer

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: 5n 4. logn. n 4n 5 n/logn. n n/logn 5n

Algoritmer og Datastrukturer 1

BRP Sortering og søgning. Hægtede lister

Målet for disse slides er at diskutere nogle metoder til at gemme og hente data effektivt.

Et generelt algoritme-konstruktionsprincip ( paradigme ) for optimeringsproblemer. Ideen er simpel:

Dynamisk programmering

INSTITUT FOR DATALOGI, AARHUS UNIVERSITET EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi. Algoritmer og Datastrukturer 1 (2003-ordning)

Dynamisk programmering

Orienterede grafer. Orienterede grafer. Orienterede grafer. Vejnetværk

Oplæg og øvelser, herunder frugt og vand Gerth Stølting Brodal

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: 7 n 1/ log n. (log n) 4

Invarianter og kombinatoriske beviser

Korteste veje i vægtede grafer. Længde af sti = sum af vægte af kanter på sti.

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen (bemærk at log n betegner totals logaritmen): n 2 (log n) 2 2.

Algorithms and Architectures I Rasmus Løvenstein Olsen (RLO), Jimmy Jessen Nielsen (JJE) Mm3: More about recurrences - October 10, 2008

Korteste veje i vægtede grafer. Længde af sti = sum af vægte af kanter på sti.

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: 23n log n. 4 n (log n) log n

Målet for disse slides er at beskrive nogle algoritmer og datastrukturer relateret til at gemme og hente data effektivt.

Grafer og graf-gennemløb

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (dads)

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: 4 n n 3n n 2 /logn 5 n n (logn) 3n n 2 /logn 4 n n 5 n

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: n 3/2. n logn (3/2) n. 2 3logn (3/2) n

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: (logn) 7 n 1/2 2 n /n 3 2logn n 2 /logn

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: (logn) 5. 5n 2 5 logn. 2 logn

Introduktion. Algoritmer og datastrukturer Toppunkter Algoritme 1 Algoritme 2 Algoritme 3. Philip Bille

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

INSTITUT FOR DATALOGI, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Introduktion. Introduktion. Algoritmer og datastrukturer. Eksempel: Maksimalt tal

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: n n (log n) 2. n 2 + log n 3 n. n n (log n)

Danmarks Tekniske Universitet

Prioritetskøer og hobe. Philip Bille

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Algoritmeanalyse. Øvre grænse for algoritme. Øvre grænse for problem. Nedre grænse for problem. Identificer essentiel(le) operation(er)

Danmarks Tekniske Universitet

Grundlæggende køretidsanalyse af algoritmer

Orienterede grafer. Introduktion Repræsentation Søgning Topologisk sortering og DAGs Stærke sammenhængskomponenter Implicitte grafer.

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: n 7 n 1 7 7/n. 7nlogn. 7n 7nlogn n7

Divide-and-Conquer algoritmer

Divide-and-Conquer algoritmer

DM507 Algoritmer og datastrukturer

Algoritmer og invarianter

Orienterede grafer. Orienterede grafer. Orienterede grafer. Orienterede grafer

INSTITUT FOR DATALOGI, AARHUS UNIVERSITET. Science and Technology EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi. Algoritmer og Datastrukturer 1 (2003-ordning)

Prioritetskøer. Prioritetskøer Træer og hobe Repræsentation af hobe Algoritmer på hobe Hobkonstruktion Hobsortering. Philip Bille

INSTITUT FOR DATALOGI, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Danmarks Tekniske Universitet

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Opskriv følgende funktioner efter stigende orden med hensyn til O-notationen: (logn) 2 2 n 1/n (logn) n. n 2

Prioritetskøer. Prioritetskøer. Prioritetskøer. Prioritetskøer

Grådige algoritmer. Et algoritme-konstruktionsprincip ( paradigme ) for optimeringsproblemer.

Grafer og graf-gennemløb

Minimum udspændende Træer (MST)

Grafer og graf-gennemløb

DM507 Algoritmer og datastrukturer

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

DM507 Algoritmer og datastrukturer

Divide-and-Conquer algoritmer

Divide-and-Conquer algoritmer

Transkript:

Algoritmer og Datastrukturer 1 Gerth Stølting Brodal

Kursusbeskrivelsen

Kursusbeskrivelsen: Algoritmer og datastrukturer 1 Formål Deltagerne vil efter kurset have indsigt i algoritmer som model for sekventielle beregningsprocesser og som basis for formelle korrekthedsbeviser og analyse af ressourceforbrug ved beregningerne, g samt detaljeret kendskab til adskillige konkrete implementationer af fundamentale datastrukturer. Indhold Datastrukturer: Lister, træer, hashtabeller; Dataabstraktioner: Stakke, køer, prioritetskøer, ordbøger, mængder; Algoritmer Søgning, sortering, selektion, fletning; Analyse og syntese; Worst-case: amortiseret og forventet udførelsestid, udsagn, invarianter, gyldighed, terminering og korrekthed. Læringsmål Deltagerne skal ved afslutningen af kurset kunne: formulere og udføre algoritmer og datastrukturer i pseudo code. analysere og sammenligne tid og pladsforbruget af algoritmer. identificere gyldige invarianter i for en algoritme. bevise korrektheden af simple programmer og transitionssystemer.

Kursusbeskrivelsen: Algoritmer og datastrukturer 1 Forudsætningskrav dintprog Vi kan antage at I ved hvordan Undervisningsformer Forelæsninger: 4 timer/uge man programmerer detaljerne så (2+2). ådem Øvelser: springer 3 vi timer/uge over Obligatorisk program 6 opgaver Evalueringsform Der stilles 6 opgaver alle skal 2 timers Forelæsningerne skriftlig eksamen, gemmengår være intern godkendt censur, 7-skala for at kunne gå Omfang stoffet fra bogen. I øvelserne til eksamen. Opgaverne 5 ECTS arbejder man med stoffet. afleveres individuelt Sprog Dansk Eksamen består af ca. 25 korte Eksamensterminer spørgsmål se eksempler på Eksamen: 3. kvarter kursushjemmesiden Reeksamen: August

Spørgsmål?

Et eksempel på en beregningsprocess

Lokes Høj 64 brikker Hiscore 450 Antal ombytninger 500-450 = 50 Hvordan opnår man et lavt antal ombytninger held eller dygtighed?

Cykler (Permutationer) Hver brik peger på dens korrekte plads Definerer en mængde af cykler (fx cyklerne A,B,C,D)

Ombytninger og Cykler Lemma En ombytning af to brikker i samme cykel øger antallet af cykler med én. En ombytning af to brikker fra to forskellige cykler reducerer antallet af cykler med én.

Lemma Når alle n brikker er korrekt placeret er der præcis n cykler. Lemma For at løse et puslespil med n brikker og k cykler I starten kræves n k ombytninger. Har vist en nedre grænse for ALLE algoritmer der løser problemet

En (grådig) algoritme

Lemma Algoritmen bytter aldrig om på brikker der står korrekt. Lemma Algoritmen udfører n -1 ombytninger Lemma For at løse et puslespil med n brikker og k cykler I starten udfører algoritmen præcis n k ombytninger. Har vist en øvre grænse for en konkret algoritme Algoritmen er optimal da antal ombytninger er best mulig

Sætning For at løse et puslespil med n brikker og k cykler i starten kræves præcis n k ombytninger

Fordelingen af antal cykler n = 64, 10.000.000 permutationer

Hvad har vi så lært?

Algoritmisk indsigt Matematisk indsigt (cykler) Resourceforbrug (antal ombytninger) Nedre grænse ( n - k ombytninger) Grådig algoritme Analyseret algoritmen ( n - k ombytninger) Optimal algoritme (argumenteret bedst mulig) Input afhængig resourceforbrug

Tilfældige permutationer Yderligere information kan findes i David J.C. MacKay, tillæg til Information Theory, Inference, and Learning Algorithms, om "Random Permutations, 4 sider. http://www.inference.phy.cam.ac.uk/mackay/itila/cycles.pdf phy cam ac pdf

Et andet eksempel på en beregningsprocess

Max-Delsum

Algoritme 1

Algoritme 2

Algoritme 2b

Algoritme 3 maxsum3(l,m)=7 l m m+1 maxsum3(m+1,u)=10 u -1 2 5-8 4-2 -2 3-9 3 2 5-3 lmax=2 rmax=2

Algoritme 3 : Analyse Rekursionstræet Observation Samlet mængde additioner per lag er ~ n Additioner # additioner ~ n # lag ~ n log 2 n

Algoritme 4 x 0 1 2 3 i-1 i -3 2 4-7 3-2 5 6-4 3-1 maxsofar = 14 maxendinghere = 12 Invariant

Max-Delsum: Algoritmiske idéer Algoritme # additioner Idé 1 ~ n 3 Naive løsning 2 + 2b ~ n 2 Genbrug beregninger 3 ~ n log n Del-og-kombiner 4 ~ n Inkrementel

Sammenligning g

Sammenligning: g n 3 og n

Sammenligning 2009 maxsum1 n 3 x-akse = n, y = sekunder, hvert eksperiment gennemsnit af 10 kørsler (gcc 4.1.2, C, Linux 2.6.18, Intel Xeon 3 GHz)

Sammenligning 2009 maxsum2a og maxsum2b n 2 x-akse = n, y = sekunder, hvert eksperiment gennemsnit af 10 kørsler (gcc 4.1.2, C, Linux 2.6.18, Intel Xeon 3 GHz)

Sammenligning 2009 maxsum3 og maxsum4 n??? x-akse = n, y = sekunder, hvert eksperiment gennemsnit af 10 kørsler (gcc 4.1.2, C, Linux 2.6.18, Intel Xeon 3 GHz)

Sammenligning 2009 maxsum4 n x-akse = n, y = sekunder, hvert eksperiment gennemsnit af 10 kørsler (gcc 4.1.2, C, Linux 2.6.18, Intel Xeon 3 GHz)

Sammenligning 2009 maxsum3 c 1 n log n+c 2 n x-akse = n, y = sekunder, hvert eksperiment gennemsnit af 10 kørsler (gcc 4.1.2, C, Linux 2.6.18, Intel Xeon 3 GHz)

Algoritmisk indsigt... Gode idéer kan give hurtige algoritmer Generelle algoritme teknikker Del-og-kombiner Inkrementel Analyse af udførelsestid Argumenteret for korrektheden Invarianter