NP-ÚPLNÉ PROBLÉMY. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze

Podobné dokumenty
Složitost 1.1 Opera ní a pam ová složitost 1.2 Opera ní složitost v pr rném, nejhorším a nejlepším p ípad 1.3 Asymptotická složitost

Třídy složitosti P a NP, NP-úplnost

VLASTNOSTI GRAFŮ. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze. BI-GRA, LS 2010/2011, Lekce 5

3. Třídy P a NP. Model výpočtu: Turingův stroj Rozhodovací problémy: třídy P a NP Optimalizační problémy: třídy PO a NPO MI-PAA

Složitost. Teoretická informatika Tomáš Foltýnek

TOKY V SÍTÍCH II. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze

4. NP-úplné (NPC) a NP-těžké (NPH) problémy

ORIENTOVANÉ GRAFY, REPREZENTACE GRAFŮ

TGH12 - Problém za milion dolarů

NEJKRATŠÍ CESTY I. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze

12. Globální metody MI-PAA

Aproximativní algoritmy UIN009 Efektivní algoritmy 1

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Problémy třídy Pa N P, převody problémů

PROHLEDÁVÁNÍ GRAFŮ. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze

Dynamické programování

PLANARITA A TOKY V SÍTÍCH

ALGORITMY A DATOVÉ STRUKTURY

Definice 9.4. Nedeterministický algoritmus se v některých krocích může libovolně rozhodnout pro některé z několika možných různých pokračování.

Složitost a moderní kryptografie

Vztah teorie vyčíslitelnosti a teorie složitosti. IB102 Automaty, gramatiky a složitost, /31

Od Turingových strojů k P=NP

NP-úplnost. M. Kot, Z. Sawa (VŠB-TU Ostrava) Úvod do teoretické informatiky 23. května / 32

Vzdálenost uzlů v neorientovaném grafu

Složitost Filip Hlásek

Výpočetní složitost algoritmů

TURINGOVY STROJE. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze

Výroková a predikátová logika - II

YZTI - poznámky ke složitosti

Výroková a predikátová logika - III

10. Složitost a výkon

Ekvivalence. Základy diskrétní matematiky, BI-ZDM ZS 2011/12, Lekce 5

Z. Sawa (VŠB-TUO) Teoretická informatika 18. prosince / 67

Výroková a predikátová logika - II

Cvičení MI-PRC I. Šimeček

Přijímací zkouška - matematika

GRAFOVÉ MODELY. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky FIT České vysoké učení technické v Praze. BI-GRA, LS 2010/2011, Lekce 1

Databáze, sítě a techniky programování X33DSP

Rekurzivní algoritmy

Logika III. RNDr. Kateřina Trlifajová PhD. Katedra teoretické informatiky Fakulta informačních technologíı BI-MLO, ZS 2011/12

Logika II. RNDr. Kateřina Trlifajová PhD. Katedra teoretické informatiky Fakulta informačních technologíı BI-MLO, ZS 2011/12

Další NP-úplné problémy

Konstrukce relace. Postupně konstruujeme na množině všech stavů Q relace i,

11 VYPOČITATELNOST A VÝPOČTOVÁ SLOŽITOST

9.Cosipočítstěžkýmproblémem

Cvičení z logiky II.

Základní datové struktury III: Stromy, haldy

Řešení rekurentních rovnic 2. Základy diskrétní matematiky, BI-ZDM ZS 2011/12, Lekce 11

Matematická logika. Rostislav Horčík. horcik

Centrální plánování cest pro mnoho agentů Centralized Multi-agent Path Planning

Stromy. Strom: souvislý graf bez kružnic využití: počítačová grafika seznam objektů efektivní vyhledávání výpočetní stromy rozhodovací stromy

Výroková a predikátová logika - II

Drsná matematika III 10. demonstrovaná cvičení Kostry grafů

Dynamické programování

STROMY A KOSTRY. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze. BI-GRA, LS 2010/2011, Lekce 6

Datové struktury 2: Rozptylovací tabulky

efektivně řešit, jde mezi nimi nalézt zajímavé vztahy a pomocí nich obtížnost

1. Pøevody problémù a NP-úplnost

ale je tam plno nadchodů a podchodů. Naším cílem je najít okružní cestu ze startovního místa zpátky na start, abychom

Matematická logika. Rostislav Horčík. horcik

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

Rezoluce ve výrokové logice

Týden 11. Přednáška. Teoretická informatika průběh výuky v semestru 1. Nejprve jsme dokončili témata zapsaná u minulé přednášky.

Výpočetní složitost I

Základy umělé inteligence

Časová složitost / Time complexity

Dobývání znalostí. Doc. RNDr. Iveta Mrázová, CSc. Katedra teoretické informatiky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze

TGH05 - Problém za milion dolarů.

Cvičení Aktivita 1. část 2. část 3. část Ústní Celkem Známka

Historie matematiky a informatiky Cvičení 1

Vyhledávání. doc. Mgr. Jiří Dvorský, Ph.D. Katedra informatiky Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava. Prezentace ke dni 12.

vhodná pro strojové dokazování (Prolog) metoda založená na vyvracení: dokazuje se nesplnitelnost formulí

Použití dalších heuristik

12. Aproximační algoritmy

ROZHODOVACÍ PROCEDURY A VERIFIKACE PAVEL SURYNEK, KTIML

Algoritmizace. Jiří Vyskočil, Marko Genyg-Berezovskyj 2010

Stromy, haldy, prioritní fronty

Časová a prostorová složitost algoritmů

8. Převody problémů a NP-úplnost

Digitální učební materiál

Výroková logika - opakování

Výroková a predikátová logika - V

Cvičení 5. Přednášející: Mgr. Rudolf B. Blažek, Ph.D. prof. RNDr. Roman Kotecký, DrSc.

NP-úplnost a další. Karel Richta a kol. Katedra počítačů Fakulta elektrotechnická České vysoké učení technické v Praze Karel Richta a kol.

Aplikovaná numerická matematika

Definice barevnosti grafu, základní vlastnosti. Varinaty problému barvení.

Metody návrhu algoritmů, příklady. IB111 Programování a algoritmizace

NP-úplnost problému SAT

Vyhledávání. doc. Mgr. Jiří Dvorský, Ph.D. Katedra informatiky Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava. Prezentace ke dni 21.

Základy algoritmizace, návrh algoritmu

Úvod do kvantového počítání

Optimalizace obecný úvod. [proč optimalizovat?] Formalizace problému. [existují podobné problémy?]

Automaty a gramatiky(bi-aag) Motivace. 1. Základní pojmy. 2 domácí úkoly po 6 bodech 3 testy za bodů celkem 40 bodů

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Seminář z IVT Algoritmizace. Slovanské gymnázium Olomouc Tomáš Kühr

Systém přirozené dedukce výrokové logiky

Další partie teorie složitosti. M. Kot, Z. Sawa (VŠB-TU Ostrava) Úvod do teoretické informatiky 30. května / 51

3.10 Rezoluční metoda ve výrokové logice

Algoritmy I, složitost

Pozn.MinulejsmesekPSPACEnedostali,protojezdepřekryvstextemzminula.

Transkript:

NP-ÚPLNÉ PROBLÉMY Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze BI-GRA, LS 2010/2011, Lekce 13 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 1 / 15 14

NP-úplné problémy Seznámíme se s následujícími pojmy: složitost problému, polynomiálně / exponenciálně složité problémy, třída složitosti P, rozhodovací / optimalizační varianta problému nedeterministický algoritmus, polynomiálně omezený nedeterministický algoritmus, třída složitosti NP, NP-úplné problémy Skripta kap. 9, str. 156-163 Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 2 // 15 14

Členění problémů podle složitosti řešení problémy řešitelné neřešitelné snadno hůře... těžko VELMI těžko Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 3 // 15 14

(Výpočetní) složitost problémů jedná se o problémy, nikoliv o algoritmy zajímají nás nejlepší možné algoritmy jejich řešení časová / paměťová složitost O(n k ) polynomiálně složité (snadné, zvládnutelné) O(e n ) exponenciálně složité (těžké, nezvládnutelné) Příklad: 1. Součet dvou binárních čísel x 1 x 2 x 3... x n a y 1 y 2 y 3... y m počet základních operací je O(n+m) ~ snadný problém 2. Rozklad binárního čísla x 1 x 2 x 3... x n na prvočinitele předpokládaná exponenciální složitost ~ těžký problém Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 4 // 15 14

(Výpočetní) složitost problémů Hledání prvočíselného dělitele čísla N (hrubou silou): 1. k= celá část( N) 2. for (i=2; i<=k; i++) { if (N % i == 0) return i; } Počet základních operací ~ N, tedy pro n-bitové číslo N ~ 2 n, N ~ 2 n/2 ~ e n.ln2/2 exponenciální složitost? Existuje O(n k ) algoritmus??je polynomiální složitost "lepší" než exponenciální? n 1000 :: e n... exponenciální je "lepší" pro n<9500 Třída složitosti P obsahuje problémy, pro které existuje O(n k ) složitý algoritmus řešení Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 5 // 15 14

"Velmi těžko" řešitelné problémy Plnění krabic Máme krabice s jednotkovým objemem a n předmětů s objemem s 1, s 2, s 3,..., s n. Rozhodovací úloha: Pro dané k určit, zda lze těchto n předmětů uložit do k krabic. Problém batohu Máme batoh s kapacitou K a n předmětů o velikosti s 1, s 2, s 3,..., s n a ceně c 1, c 2, c 3,..., c n (vše kladná celáčísla). Rozhodovací úloha: Pro dané (kladné celé) k určit, zda lze do batohu uložit nějakou podmnožinou předmětů v ceně přesně k. Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 6 // 15 14

"Velmi těžko" řešitelné problémy Součet podmnožiny Máme n předmětů s objemem s 1, s 2, s 3,..., s n (kladná celáčísla). Rozhodovací úloha: Pro dané k určit, zda existuje podmnožina předmětů s objemem přesně k. Rozhodovací úloha obarvení grafu Pro daný (obyčejný) graf G = H,U a kladné celéčíslo k určit, zda existuje obarvení grafu G pomocí k barev. Rozhodovací úloha o Hamiltonovské kružnici grafu Pro daný (obyčejný) graf G = H,U určit, zda v něm existuje Hamiltonovská kružnice (ta prochází všemi uzly). (podobně pro Hamiltonovskou cestu) Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 7 // 15 14

"Velmi těžko" řešitelné problémy Problém obchodního cestujícího Pro daný (obyčejný) graf G = H,U s ohodnocením hran w: H R + a danéčíslo k určit, zda v něm existuje Hamiltonovská kružnice s ohodnocením nejvýše rovným k. Splnitelnost logických formulí Literál logická proměnná nebo její negace Klausule logický součet libovolného počtu literálů Konjunktivní normální forma (CNF) logický součin libovolného počtu klausulí Rozhodovací úloha Pro logickou formuli ϕ danou pomocí CNF určit, zda existuje přiřazení true/false hodnot proměnným této formule, které dá celé formuli hodnotu true. Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 8 // 15 14

"Velmi těžko" řešitelné problémy Uvedené úlohy mají i své optimalizační varianty, např. Problém obchodního cestujícího Pro daný (obyčejný) graf G = H,U s ohodnocením hran w: H R + určit Hamiltonovskou kružnici s minimálním ohodnocením. Co mají tyto úlohy společného? Umíme je řešit, ale není znám polynomiálně složitý algoritmus, NICMÉNĚ není vyloučeno, že existuje... Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 9 // 15 14

"Velmi těžko" řešitelné problémy Co kdybychom řešení uměli uhádnout? (např. pro součet podmnožiny bychom dodali vybrané prvky) Pak už jen stačí ověřit, že jejich součet je opravdu roven k Takové "řešení" lze použít pro každou z uvedených úloh, přitom ověření lze vždy zajistit v polynomiálním čase. Tyto úlohy tedy mají nedeterministické polynomiálně (NP) složité řešení Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 10 // 15 14

Nedeterministický algoritmus Nedeterministický algoritmus pro rozhodovací úlohy má následující dvě fáze: 1. nedeterministická fáze do paměti se zapíše nějaký řetěz znaků (uhádnuté řešení) 2. deterministická fáze použije se deterministický algoritmus pro určení, zda řetěz představuje opravdu řešení zadané úlohy Nedeterministický algoritmus je polynomiálné omezený, pokud existuje konstanta k tak, že pro lib. vstup délky n, pro který je výsledek ANO, existuje výpočet délky O(n k ) s výsledkem ANO. Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 11 // 15 14

Třída složitosti NP Třída složitosti NP - množina rozhodovacích úloh, pro které existuje polynomiálně omezený nedeterministický algoritmus řešení. Všechny dříve uvedené úlohy (plnění krabic, problém batohu, součet podmnožiny, obarvení grafu, Hamiltonovská kružnice/cesta, problém obchodního cetsujícího, splnitelnost CNF (SAT) patří do třídy NP. P NP (jasné) P NP nebo P = NP??? (problém století) Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 12 // 15 14

Třída složitosti NP Princip redukovatelnosti P1 P2 umíme řešit úlohu P2 umíme polynomiálně převést úlohu P1 na P2 NP-úplná úloha je taková úloha P NP, pro kterou je každá úloha Q NP redukovatelná na P. Věta (Cook 71): Problém splnitelnosti logických formulí je NP-úplný. P P=NP NP-úplné NP Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 13 // 15 14

INFORMACE KE ZKOUŠKÁM PŘEDTERMÍN - bohu(-žel/-dík) žádný nebude TERMÍNY ŘÁDNÉ 17. 5. 2011 8:00-10:00, T9:105a 24. 5. 2011 14:00-16:00, T9:105a 6. 6. 2011 14:30-16:30, T9:155a TERMÍNY OPRAVNÉ - bude aspoň jeden v červnu - někdy v září bude další opravný termín Doc. Josef Kolář (ČVUT) NP-úplné Prohledávání problémy grafů GRA, LS 2010/11, Lekce 13 4 14 // 15 14