Databáze, sítě a techniky programování X33DSP

Podobné dokumenty
10. Složitost a výkon

Algoritmizace. Jiří Vyskočil, Marko Genyg-Berezovskyj 2010

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

Michal Krátký. Úvod do programování. Cíl kurzu. Podmínky získání zápočtu III/III

1 Algoritmus. 1.1 Úvod

Třídy složitosti P a NP, NP-úplnost

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

ALGORITMY A DATOVÉ STRUKTURY

Dynamické programování

Seminář z IVT Algoritmizace. Slovanské gymnázium Olomouc Tomáš Kühr

5 Rekurze a zásobník. Rekurzivní volání metody

11 VYPOČITATELNOST A VÝPOČTOVÁ SLOŽITOST

Algoritmy I, složitost

Časová složitost / Time complexity

5. Dynamické programování

Základy algoritmizace

Algoritmus. Přesné znění definice algoritmu zní: Algoritmus je procedura proveditelná Turingovým strojem.

Časová a prostorová složitost algoritmů

Složitost. Teoretická informatika Tomáš Foltýnek

VÝUKOVÝ MATERIÁL. Bratislavská 2166, Varnsdorf, IČO: tel Číslo projektu

Složitost algoritmů. doc. Mgr. Jiří Dvorský, Ph.D. Katedra informatiky Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava

4. Rekurze. BI-EP1 Efektivní programování Martin Kačer

Základní pojmy. Úvod do programování. Základní pojmy. Zápis algoritmu. Výraz. Základní pojmy

Základní informace o předmětu Otázka:

Binární soubory (datové, typované)

Určování složitosti algoritmů. Základy diskrétní matematiky, BI-ZDM

Datové struktury 2: Rozptylovací tabulky

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

Tato tematika je zpracována v Záznamy přednášek: str

Složitost algoritmů. Karel Richta a kol. Katedra počítačů Fakulta elektrotechnická České vysoké učení technické v Praze Karel Richta a kol.

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

Algoritmizace prostorových úloh

Základní datové struktury III: Stromy, haldy

Výpočetní složitost algoritmů

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

Obecná informatika. Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze. Podzim 2012

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

ÚVODNÍ ZNALOSTI. datové struktury. správnost programů. analýza algoritmů

IB111 Úvod do programování skrze Python

Stromy, haldy, prioritní fronty

Michal Krátký. Úvod do programovacích jazyků (Java), 2006/2007

Test prvočíselnosti. Úkol: otestovat dané číslo N, zda je prvočíslem

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

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

TGH05 - Problém za milion dolarů.

Časová složitost algoritmů

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

VYŠŠÍ ODBORNÁ ŠKOLA a STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA Mariánská 1100, Varnsdorf PROGRAMOVÁNÍ FUNKCE, REKURZE, CYKLY

Technické informace. PA152,Implementace databázových systémů 4 / 25. Projekty. pary/pa152/ Pavel Rychlý

Fronta (Queue) Úvod do programování. Fronta implementace. Fronta implementace pomocí pole 1/4. Fronta implementace pomocí pole 3/4

NMIN101 Programování 1 2/2 Z --- NMIN102 Programování /2 Z, Zk

Úvod do problematiky

Různé algoritmy mají různou složitost

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Od Turingových strojů k P=NP

Algoritmizace prostorových úloh

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

součet cvičení celkem. známka. Úloha č.: max. bodů: skut. bodů:

Složitosti základních operací B + stromu

5. Vyhledávání a řazení 1

Algoritmizace. Cíle předmětu

Základy algoritmizace a programování

Aproximativní algoritmy UIN009 Efektivní algoritmy 1

PŘIJÍMACÍ TEST z informatiky a matematiky pro navazující magisterské studium Fakulta informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové

Název předmětu: Školní rok: Forma studia: Studijní obory: Ročník: Semestr: Typ předmětu: Rozsah a zakončení předmětu:

Náplň. v Jednoduché příklady na práci s poli v C - Vlastnosti třídění - Způsoby (algoritmy) třídění

Databáze, sítě a techniky programování X33DSP

Rekurzivní algoritmy

Složitost Filip Hlásek

Úvod do programování - Java. Cvičení č.4

Databázové systémy úvod

Základy algoritmizace, návrh algoritmu

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

Binární vyhledávací stromy pokročilé partie

5. přednáška - Rozklad problému na podproblémy

DSA, První krok: máme dokázat, že pro left = right vrátí volání f(array, elem, left, right)

Vyučovací hodina. 1vyučovací hodina: 2vyučovací hodiny: Opakování z minulé hodiny. Procvičení nové látky

Pojem algoritmus. doc. Mgr. Jiří Dvorský, Ph.D. Katedra informatiky Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava

Databázové systémy úvod

Předměty. Algoritmizace a programování Seminář z programování. Verze pro akademický rok 2012/2013. Verze pro akademický rok 2012/2013

Digitální učební materiál

Databázové systémy úvod

Digitální učební materiál

B3B33ALP - Algoritmy a programování - Zkouška z předmětu B3B33ALP. Marek Boháč bohacm11

DobSort. Úvod do programování. DobSort Implementace 1/3. DobSort Implementace 2/3. DobSort - Příklad. DobSort Implementace 3/3

PŘÍJMENÍ a JMÉNO: Login studenta: DATUM:

Rozklad problému na podproblémy

NMIN101 Programování 1 2/2 Z --- NMIN102 Programování /2 Z, Zk

2) Napište algoritmus pro vložení položky na konec dvousměrného seznamu. 3) Napište algoritmus pro vyhledání položky v binárním stromu.

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Algoritmy vyhledávání a řazení. Zatím nad lineární datovou strukturou (polem)

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

3 Co je algoritmus? Trocha historie Definice algoritmu Vlastnosti algoritmu... 3

Algoritmizace a programování

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

Algoritmizace prostorových úloh

Maturitní témata. IKT, školní rok 2017/18. 1 Struktura osobního počítače. 2 Operační systém. 3 Uživatelský software.

Vzdálenost uzlů v neorientovaném grafu

Datové struktury. alg12 1

Obsah přednášky 7. Základy programování (IZAPR) Přednáška 7. Parametry metod. Parametry, argumenty. Parametry metod.

Transkript:

Databáze, sítě a techniky programování X33DSP Anotace: Náplní předmětu jsou některé techniky a metody používané ve výpočetních systémech zaměřených na biomedicínské inženýrství. Cílem je položit jednotný základ informačních technologií pro všechny studenty magisterského programu BMI a vybavit absolventy základními znalostmi v oblasti systematického přístupu k programování, správě operačních systémů a sítí i k tvorbě elementárních databázových aplikací. Předn ednáš ášej ející: Ing. Tomáš Vlček, CSc. Doc. Ing. Zdeněk Kouba, CSc. Cvičící: Mgr. Ing. David Šteiner Ing. Miloslav Radakovič Ing. Lenka Novákov ková,, PhD. 1

Osnova přednášek 1. Základy teorie složitosti, polynomiální a nepolynomiální problémy, neřešitelné úlohy (21.9.) 2. Státní svátek (28.9.) 3. Datové struktury, jejich implementace, rekurze (5.10.) 4. Algoritmy řazení a vyhledávání, komprimační algoritmy (12.10). 5. Grafové algoritmy (19.10.) 6. Databáze - datový model, relační model (26.10.) 7. Normální formy, dotazovací jazyk SQL (2.11.) 8. Dotazovací jazyk SQL (9.11.) 9. Transakce, distrib. databáze, replikace, synchronizace (16.11.) 10. Poč. sítě a jejich struktury, adresování, směrování v sítích (23.11.) 11. IP protokoly, porty, služby. Základy bezpečnosti v sítích. (30.11.) 12. Operační systémy I (7.12.) 13. Operační systémy II (14.12.) 14. Datové sklady, správa dokumentů, verzování (21.12.) 2

Podmínky udělení zápočtu a složení zkoušky Podmínky udělení zápočtu Max. 2 absence Maximální počet bodů ze cvičení je 25 (celkem 5 úloh), pro získání zápočtu min. 13 Během testu, řešení semestrální úlohy a zkoušky bude kladen důraz na zásadu samostatné práce. Podmínky zkoušky Zkouška probíhá ústně Tři otázky (algoritmy/databáze/sítě-os) Na každou otázku písemná příprava Každá otázka ohodnocena max. 25 body Pokud je odpověď na libovolnou z těchto tří otázek hodnocena méně než 10 body, celková známka je nedostatečně Výsledná známka je dána součtem bodového hodnocení cvičení a odpovědí na otázky dle platné klasifikační stupnice. 3

Doporučená literatura Wróblewski, Piotr: Algoritmy. Datové struktury a programovací techniky. Computer Press 2004. ISBN: 80-251-0343-9 Knuth, D.E.: Umění programovat. 1.díl Základní algoritmy. Computer Press 2008. ISBN: 978-80-251-2025-5 Herout, Pavel: Učebnice Jazyka Java, Kopp, 2003. Tutoriál Java - http://java.sun.com/docs/books/tutorial/ Wirth, N.: Algorithm + Data Structures = Program. Prentice- Hall, New Jersey, 1975 Louden, Kenneth, C.: Programming Languages. Principles and Practice. PWS-Kent, Massachusetts, 1993 Pokorný J., Halaška I.: Databázové systémy. Praha, ČVUT, 1998 Další publikace o DBMS aktuálně doporučí přednášející 4

Definice algoritmu Algoritmus můžeme definovat jako jednoznačně určenou posloupnost konečného počtu elementárních kroků vedoucí k řešení daného problému, přičemž musí být splněny základní vlastnosti každého algoritmu: Hromadnost a univerzálnost - algoritmus musí vést k řešení celé třídy úloh, vzájemně se lišících pouze vstupními údaji. Determinovanost (jednoznačnost) - v každém kroku algoritmu musí být jednoznačně určeno, co je výsledkem tohoto kroku a jak má algoritmus dále pokračovat. Pro stejná vstupní data vydá algoritmus vždy stejný výsledek. Konečnost - algoritmus v konečné době skončí. Rezultativnost - algoritmus při zadání vstupních dat vždy vrátí nějaký výsledek. Korektnost - výsledek vydaný algoritmem musí být správný. Opakovatelnost při použití stejných vstupních údajů musí algoritmus dospět vždy k témuž výsledku. 5

Ověřování správnosti algoritmu Algoritmus můžeme považovat za korektní, pokud není opomenuta žádná z možností zpracování dat při průchodu algoritmem. Algoritmus je parciálně správný, právě když platí, že pokud skončí, vydá správný výsledek. Algoritmus je konečný, když pro všechna přípustná data algoritmus po konečném počtu kroků skončí. Věta o zastavení Halting Theorem. Úloha o zastavení není algoritmicky řešitelná - neexistuje algoritmus, který by pro libovolné slovo w a libovolný algoritmus A rozhodl, zda se A při vstupu w zastaví, nebo ne. Kvantitativní ukazatele kvality algoritmů operační složitost paměťová složitost (náročnost) 6

Příklad 1 - Sekvenční hledání 1 boolean searchlinear(value[] array, Value val) { 2 boolean ret = false; 3 for (int i = 0; i < array.length; i++) { 4 if (val == array[i]) { 5 ret = true; 6 break; 7 } 8 } 9 return ret; 10 } Operační složitost v nejhorším případě cyklus proběhne n-krát. Paměťová náročnost proměnné. 7

Příklad 2 binární hledání 1 boolean binsearch(value[] array, Value val) { 2 boolean ret = false; 3 int l = 0; int r = array.length; int i; 4 while (!ret && r >= l) { 5 i = (l + r) / 2; 6 if (val == array[i]) { 7 ret = true; 8 } else { 9 if (val > array[i]) { 10 l = i + 1; 11 } else { 12 r = i - 1; 13 } 14 } 15 } 16 return ret; 17 } 8

Příklad 2 binární hledání 1 boolean binsearch(value[] array, Value val) { 2 boolean ret = false; 3 int l = 0; int r = array.length; int i; 4 while (!ret && r >= l) { 5 i = (l + r) / 2; 6 if (val == array[i]) { 7 ret = true; 8 } else { 9 if (val > array[i]) { 10 l = i + 1; 11 } else { 12 r = i - 1; 13 } 14 } 15 } 16 return ret; 17 } Operační složitost v nejhorším případě cyklus proběhne log 2 (n) krát. Paměťová náročnost proměnné l, i a r. 9

Fibonacciho posloupnost n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 f(n) 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 Příklad 3 Rekurzivní výpočet Fibonacciho čísla 1 private int fib(int n) { 2 return (n == 0)?0 : ((n == 1)?1 : fib(n-1) + fib(n-2)); 3 } 10

Fibonacciho posloupnost n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 f(n) 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 11

Příklad 3 tisk posloupnosti S rekurzí: 1 public void printfib1(int n) { 2 for (int i = 1; i <= n; i++) { 3 System.out.println(i + " " + fib(i)); 4 } 5 } Neefektivní, viz strom volání fib() pro n=4 12

Bez rekurze: 1 public void prinfib2(int n) { 2 int p0 = 1; int p1 = 1; int p; 3 for (int i = 1; i <= n; i++) { 4 System.out.println(i + " " + p0); 5 p = p1; p1 = p0 + p1; p0 = p; 6 } 7 } I 1 2 3 4 p0 1 1 2 3 5 p1 1 2 3 5 8 p 1 2 3 5 f(i) 1 1 2 3 5 13

Složitost algoritmu Složitost závisí na velikosti vstupních dat, tj. můžeme popsat jako funkci T(n), kde číslo n udává velikost vstupních dat. Např. T(n) = an + b je zápis lineárníčasové složitosti. Multiplikativní konstanta a reprezentuje počet operací na jednotku vstupních dat, aditivní konstanta b udává nárůst složitosti nezávislý na velikosti vstupních dat. Pro odhad složitosti důležitý pouze typ funkční závislosti. Efektivní algoritmy - takové postupy, jejichž složitost je maximálně polynomiální (např. n 2 ), nikoliv exponenciální např. 2 n ). 14

15

Čas potřebný ke zpracování dat velikosti n, jestliže výpočetní složitost je dána funkcí T(n) a provedení jedné operace trvá 1 µs T(n) 20 40 60 80 100 n 20 µs 40 µs 60 µs 80 µs 0,1 ms n log (n) 86 µs 0,2 ms 0,35 ms 0,5 ms 0,7 ms n 2 0,4 ms 1,6 ms 3,6 ms 6,4 ms 10 ms n 3 8 ms 64 ms 0,22 s 0,5 s 1 s n 4 0,16 s 2,56 s 13 s 41 s 100 s 2 n 1 s 11,7 dne 36600 let 3,6.10 9 let n! 77000 let 16

Horní odhad složitosti algoritmu T worst (n) udává složitost algoritmu v nejhorším případě: Složitost algoritmu f(n) je asymptoticky menší nebo rovna g(n), tj. f(n) = O(g(n)), právě když existuje taková kladná konstanta c tak, že pro každou velikost dat n od určité hodnoty n 0 platí: 0 f(n) cg(n), neboli: Např.: 2n 2 + 3n + 4 = O(n 2 ), neboť pro n 0 = 1 a c = 10 platí 2n 2 + 3n + 4 <= 10*n 2. 17

Dolní odhad složitosti T best (n) určuje minimální složitost daného algoritmu, která nastává jen pro určité případy vstupních dat: Složitost algoritmu f(n) je asymptoticky větší nebo rovna g(n), tj. f(n) = Ω(g(n)), právě když existuje taková kladná konstanta c tak, že pro každou velikost dat n od určité hodnoty n 0 platí: 0 cg(n) f(n), neboli: Např. zápis T best (n) = Ω (n 3 ) udává kubickou dolní složitost algoritmu. 18

Složitost v průměrném případě (očekávaná složitost) T avrg (n) se počítá jako střední hodnota náhodné složitosti T(n) při nějakém rozložení vstupních dat. Někdy může být i řádově lepší než složitost v nejhorším případě. Algoritmus je optimální pro danou úlohu, jestliže neexistuje algoritmus, který by úlohu řešil v nejhorším případě s menším počtem základních operací. Asymptoticky stejná složitost složitosti f(n), g(n) jsou asymptoticky stejné, právě když existují takové kladné konstanty c 1,c 2 tak, že pro každou velikost dat n od určité hodnoty n 0 platí: 0 c 1 g(n) f(n) c 2 g(n), neboli: 19

Optimalizační úloha slouží k popisu úkolu nalezení řešení, které je omezeno podmínkami a které zároveň nejlépe vyhovuje daným kritériím (účelové nebo kriteriální funkci) Rozhodovací úloha je úloha, jejímžřešením je odpověď ano nebo ne. Každá optimalizační úloha lze převést na rozhodovací úlohu. Příklad - problém obchodního cestujícího. 20

Je dána množina měst {M 1,, M n } a pro každou dvojici měst M i, M j je dána jejich přímá vzdálenost d(m i, M j ). Uvažujme trasu, která je posloupnost měst M π(1), M π(2),, M π(n), kde π je permutace čísel 1,, n. Délka této trasy je n 1 i= 1 d( M π ( i), M π( i+ 1) ) + d( M π( n), M π(1) ) Optimalizační verze: Najděte trasu nejkratší délky. Rozhodovací verze: Je dáno navíc číslo K. Rozhodněte, zda existuje trasa délky K. Řešení NPC úloha, heuristické algoritmy 21

Nedeterministický algoritmus má dvě fáze nedeterministická, kdy se náhodně vygenerujeřetězec symbolů s deterministická, kdy na vstupu úlohy je jak instance úlohy, takřetězec s. Po konečném počtu kroků je výstupem ano nebo ne. Řetězec s je vlastně navrženéřešení úlohy, které se v deterministickéčásti otestuje, zda platí. Pro obchodního cestujícího je to číslo K. Nedeterministický algoritmus je nedeterministický polynomiální (NP algoritmus), jestliže ověřující fáze je splnitelná v polynomiálním čase vzhledem k rozsahu vstupních dat. 22

Třída P je třída všech rozhodovacích úloh U, pro něž existuje polynomiální algoritmus, řešící U. NP úloha je taková úloha, kdy platí : pro každou ano instanci lze v polynomiálnímčase ověřit správnost odpovědi ano. Pro ne instanci takový algoritmus neexistuje. Třída NP je třída všech rozhodovacích úloh U, pro něž existuje nedeterministický algoritmus, pracující v polynomiálnímčase. 23

Obtížnost rozhodovacích úloh se dá srovnávat. Pojem U se redukuje na V zpřesňuje sdělení, že rozhodovací úloha U není těžší než rozhodovací úloha V. U se redukuje na V, jestliže existuje algoritmus A, který pro každou instanci I úlohy U zkonstruuje instanci A(I) úlohy V tak, že I je ano instance U iff A(I) je ano instance V. Je-li A polynomiální, jde o polynomiální redukci. Rozhodovací úloha U je NP úplná, jestliže je NP úloha a každá NP úloha se na U polynomiálně redukuje. Třídu NP úplných úloh označujeme jako NPC. (NP úplné úlohy jsou nejtěžší mezi NP úlohami) 24