Obsah přednášky. Analýza algoritmu Algoritmická složitost Návrhy algoritmů Urychlování algoritmů 1/41

Transkript

1 Obsah přednášky Analýza algoritmu Algoritmická složitost Návrhy algoritmů Urychlování algoritmů 1/41

2 Analýza algoritmu Proč vůbec dělat analýzu? pro většinu problémů existuje několik různých přístupů aby bylo možné vybrat ten správný, potřebujeme umět algoritmy porovnat 2/41

3 Analýza algoritmu Příklad (dvě řazení pole) Sort1(a,n) { for(i=1; i<n; i++) { t=a[i]; j=i-1; while((j>=1)&&(a[j]>t)) { a[j+1]=a[j]; j=j-1; } a[j+1]=t; } } Sort2(a,p,r) { if(r>p) { q = (p+r)/2; Sort(a,p,q); Sort(a,q+1,r); Merge(a,p,q,r); } } Merge(a,p,q,r) { i=0; j=p; while (j<=q) b[i++]=a[j++]; i=0; k=p; Který z algoritmů je snazší na napsání? while (k<j && j<=r) if (b[i]<=a[j]) Který z algoritmů je rychlejší? a[k++]=b[i++]; else a[k++]=a[j++]; while (k<j)... 3/41

4 Algoritmická složitost Složitost algoritmu se většinou měří na imaginárním počítači Všechny operace stejně dlouhé Každá položka zabírá v paměti stejné místo Naproti tomu v reálném počítači Operace trvají různě dlouhou dobu operace porovnávání reálných čísel operace přesunu v paměti goniometrické funkce Operace majoritní a šumové např. u cyklu operace s indexy a kontrola hranic je zanedbatelná, operace uvnitř cyklu jsou podstatné 4/41

5 Algoritmické složitosti Složitosti algoritmu Paměťová Časová Algoritmická Kritéria složitosti Počet časově náročných operací (porovnání, přesun, ) Počet obsazených paměťových míst 5/41

6 Asymptotické složitosti Při návrhu algoritmu se uvažuje spíše asymptotická složitost Odhad složitosti pro dostatečně velkou množinu vstupních dat Např. pro vyřešení problému s n vstupními daty potřebujeme T(n) = 5n 2 + 4n + 50 časových jednotek Protože uvažujeme velké n jsou nižší řády zanedbatelné (stejně jako konstanty) Výsledná složitost je tedy T(n) O(n 2 ) 6/41

7 Asymptotické složitosti Pro malá n nemusí být algoritmus s nižší složitostí nutně rychlejší Např. n 2 vs. 50n n n.n /41

8 Asymptotické složitosti Vyhodnocení složitostí Nejhorší možný případ O(g(n)) Nejhorší možná kombinace vstupních dat (např. posloupnost seřazená opačně) Lidsky: pro žádnou množinu dat to nebude trvat déle než g(n) Nejlepší možný případ Ω(g(n)) Nejlepší možná kombinace vstupních dat (např. seřazená posloupnost) Lidsky: problém nepůjde vyřešit rychleji než v g(n) krocích 8/41

9 Asymptotické složitosti Pokud je algoritmus omezen shora i zdola značíme Θ(g(n)) Průměrný případ Jak algoritmus dopadá průměrně pro všechny kombinace vstupních dat Složité na určení používají se pravděpodobnosti 9/41

10 Asymptotické složitosti Běžné složitosti O(1) konstantní počet kroků O(log N) logaritmický počet kroků O(N) lineární počet kroků O(N log N) O(N 2 ) kvadratický počet kroků O(2 N ) exponenciální počet kroků

11 Asymptotické složitosti Proč se tím vůbec zabývat? počítač vykoná 1 milion operací/s f(n) n n log n n 2 n μs 40μs 60μs 80μs 0.1ms 0.5ms 1ms 86μs 0.2ms 0.35ms 0.5ms 0.7ms 4.5ms 10ms 0.4ms 1.6ms 3.6ms 6.4ms 10ms 0.25s 1s 17min n 3 8ms 64ms 0.22s 0.5s 1s 125s 2 n 1s 11.7dní 36tis.let n! 77tis.let

12 Třídy složitostí P problém může být vyřešen v polynomiálním čase na deterministickém počítači Např. vyhledávání NP problém může být vyřešen v polynomiálním čase na nedeterministickém počítači 12/41

13 Třídy složitostí NP úplný nejtěžší problémy z NP (lze na ně v polynomiálním čase převést všechny NP problémy) Jeden z největších problémů tisíciletí: za nalezení odpovědi zda je možné převést NP úplný na P odměna $ Např. hledání hamiltonovské kružnice Součet podmnožiny

14 Třídy složitostí Součet podmnožiny Dána množina { 7, 3, 2, 5, 8} Zjistěte, zda součet jakékoliv podmnožiny se rovná 0 Testujeme: všechny samostatné prvky: n (5) všechny dvojice: ( n ) (10) 2 všechny trojice: ( n ) (10) 3... Pro n=3: 7 n 2 : 9 n=4: 15 n 2 : 16 n=5: 31 n 3 : 125 n=10: 1023 n 4 : 10000

15 Třídy Dána množina { 7, 3, 2, 5, 8} Zjistěte, zda součet jakékoliv podmnožiny se rovná 0 ANO: { 3, 2, 5}

16 Analýza algoritmu Příklad (dvě řazení pole) Sort(a,n) { for(i=1; i<n; i++) { t=a[i]; j=i-1; while((j>=1)&&(a[j]>t)) { a[j+1]=a[j]; j=j-1; } a[j+1]=t; } } T(n) = 14n + 10 sum(ti) 11 nejhorší T(n) = 5n n - 21 operace opakování n n-1 n-1 sum(ti+1) sum(ti) sum(ti) n-1 16/41

17 Analýza algoritmu Příklad (dvě řazení pole) T(n) 2T(n/2) + 2n T(n) 2n log n Sort(a,p,r) { if(r>p) { q = (p+r)/2; Sort(a,p,q); Sort(a,q+1,r); Merge(a,p,q,r); } } Merge(a,p,q,r) { i=0; j=p; while (j<=q) b[i++]=a[j++]; i=0; k=p; while (k<j && j<=r) if (b[i]<=a[j]) a[k++]=b[i++]; else a[k++]=a[j++]; while (k<j)... 17/41

18 Analýza algoritmu Příklad (dvě řazení pole) řazení 1: T(n) O(n 2 ) řazení 2: T(n) O(n log n) 18/41

19 Úlohy Jaké úlohy můžeme řešit Off-line úlohy všechna data známe už při spuštění algoritmu např. seřazení pole On-line úlohy data přicházejí v diskrétních časových okamžicích mezivýsledky musí být k dipozici než přijdou další data např. řazení uživatelem modifikovaného pole Real-time úlohy nejtěžší data přicházejí průběžně, odezva musí být okamžitá např. řazení hodnot z měřícího zařízení do pole 19/41

20 Návrhy algoritmů Řešení hrubou silou (brute force) Přímočaré řešení problému Zřídkakdy bývá řešení efektivní Často pouze pro první nástřel Příklady: Lineární vyhledávání v poli Řazení pole metodou přímého vkládání Součet posloupnosti čísel prostým sčítáním 20/41

21 Návrhy algoritmů Součet posloupnosti čísel (hrubá síla) for(i = od; i<do; i++) suma = suma + i; Součet posloupnosti čísel suma = ((do od + 1)*(od + do))/2; O(n) -> O(1)!!! 21/41

22 Návrhy algoritmů Rozděl a panuj (divide and conquer) Velmi známý a často používaný přístup Rozdělení vstupních dat na několik podproblémů Pokračovat v dělení až na dostatečně malé problémy Dostatečně malé problémy vyřešit známou metodou Poskládat dílčí řešení do celku Příklady Mergesort Quicksort Fast Fourier Transformation (zpracování signálu) Vyhledávání půlením intervalu Nalezení mediánu 22/41

23 Návrh algoritmů Náhodné rozložení (randomization) Než začneme s daty pracovat, náhodně je upravíme V některých případech může nevhodná kombinace dat vést k nárůstů potřebného času Např. pro vyhledávání se velmi často používá binární strom, v nejjednodušší verzi konstruovaný tak, že nový prvek přidáme tak, aby vždy splňoval kritéria < > 23/41

24 Návrh algoritmů Příklad binárního stromu Pro posloupnost: 12, 8, 3, 10, 15, 18, Co se stane když na vstupu bude seřazená sekvence? 24/41

25 Návrh algoritmů Příklad binárního stromu Pro posloupnost: 3, 8, 10, 12, 15, 18, Výhoda pro vyhledávání zmizela... 25/41

26 Návrh algoritmů Hladové algoritmy (greedy) Vybírají vždy tu možnost, která se v dané chvíli jeví jako nejlepší Nikdy se nevrací ve volbě zpět Např. Nalezení minimální kostry v grafu Huffmanovo kódování 26/41

27 Návrh algoritmů Huffmanovo kódování Chceme poslat množinu znaků co nejkratším počtem bitů (např. na pomalé síti) Při posílání standardním způsobem zabírá každý znak 8(7) bitů, některé znaky však používáme málo nebo dokonce vůbec Ideální stav frekventovaná písmena musí být co nejkratší a naopak Slovo: OLOVO můžeme zakódovat např. jako a přiložit tabulku: O (0), L (10), V (11) Jednoduchým algoritmem můžeme řetězec dekódovat tak, že vždy vezmeme největší možný kus kódu O L O V O /41

28 Návrh algoritmů Huffmanovo kódování Zkusme odeslat slovo OLOVENY Tabulku musíme rozšířit o 3 písmena E (01), N (001), Y (011) Zakódované slovo je tedy Zkusíme-li slovo znovu dekódovat, čeká nás nemilé překvapení... O L Y O L E Y Kde se stala chyba? 28/41

29 Návrh algoritmů Huffmanovo kódování Aby bylo možné slova jednoznačně dekódovat, nesmí žádný znak obsahovat na svém začátku znak jiný V předchozím příkladu O (0) je začátkem (prefixem) E (01) Jak tomu zabránit? vytvořit si binární strom, písmena mohou být pouze v listech O L V E N 1 Y Zakódované slovo: /41

30 Návrh algoritmů Dynamické programování Základní charakteristiky Prohledávání velké množiny pro nalezení optima Optimální řešení může být vyjádřeno jako složení optimálních řešení podproblémů Počet podproblémů je relativně malý Často pro řešení kombinatorických úloh 30/41

31 Návrh algoritmů Lokální vyhledávání (local search) Algoritmu se na vstup musí dát odhad požadovaného řešení Prohledáváním sousedů iterativním způsobem je toto řešení dále zpřesňováno Algoritmus končí v okamžiku, kdy se dvě po sobě jdoucí iterace liší pouze o malou hodnotu Typičtí zástupci Simulované žíhání Genetické algoritmy Neuronové sítě 31/41

32 Návrh algoritmů Příklad Hledání kořenů kvadratické rovnice Newtonovou metodou Hlavní myšlenka: Nejprve se nalezne odhad kořene V každém kroku se vypočte tečna funkce v odhadnutém bodě Průsečík tečny a osy x se použije jako nový odhad 32/41

33 Urychlování algoritmů Optimalizace kódu Dnes už není tak důležitá (překladače dělají spoustu práce za vás) Zásady: Neprovádět opakovaně v cyklu to, co se dá provést před ním - vyjmutí před cyklus Optimalizovat tělo cyklu Používat předchozí výsledky Využívat speciálních vlastnosti problému 33/41

34 Urychlování algoritmů Vyjmutí před cyklus for(i=0; i<n; i++) { vysledek += (arg + i) * cos (arg); } Optimalizace t = cos(arg); for(i=0; i<n; i++) { vysledek += (arg + i) * t; } 34/41

35 Urychlování algoritmů Optimalizace těla cyklu for(i=0; i<n; i++) { Console.Write( {0} {1},i+sin(i),i-sin(i)); } Optimalizace for(i=0; i<n; i++) { t = sin(i); Console.Write( {0} {1},i+t,i-t); } 35/41

36 Urychlování algoritmů Použití předchozích výsledků for(i=0; i<n; i++) { vysledek += i * Math.Power(arg,i) } Optimalizace t = 1; for(i=0; i<n; i++) { t *= arg; vysledek += i * t; } 36/41

37 Urychlování algoritmů Využití vlastností problému Viz. příklad u brutální síly součet řady 37/41

38 Snížení složitosti problému Předzpracování dat Při velkém množství opakování nějaké operace můžeme data uspořádat nebo vytvořit pomocné struktury, které problém usnadní Příklady Vyhledávání setřídíme posloupnost Z K*O(n) -> O(n log n) + K*O(log n) čím vyšší K, tím vyšší úspora 38/41

39 Snížení složitosti problému Příklady Vyhledávání oblasti dělení prostoru Zjišťování zda bod leží uvnitř nějakého obdélníku 39/41

40 Snížení složitosti problému Většinou za snížení složitosti zaplatíme zvýšenou spotřebou paměti nebo naopak Ne vždy je možné složitost snížit 40/41

41 Konec 41/41