PORZĄDEK WŚRÓD INFORMACJI

Podobne dokumenty
WYSZUKIWANIE I PORZĄDKOWANIE INFORMACJI

ALGORYTMY POSZUKIWANIA I PORZĄDKOWANIA ELEMENTY JĘZYKA PROGRAMOWANIA

CZY WSZYSTKO MOŻNA POLICZYĆ NA KOMPUTERZE

CZY WSZYSTKO MOŻNA POLICZYĆNA KOMPUTERZE

PROSTE RACHUNKI WYKONYWANE ZA POMOCĄ KOMPUTERA

TECHNIKI ALGORYTMICZNE przybliżone i dokładne

Luty 2001 Algorytmy (4) 2000/2001

Programowanie proceduralne INP001210WL rok akademicki 2017/18 semestr letni. Wykład 3. Karol Tarnowski A-1 p.

Programowanie w VB Proste algorytmy sortowania

Porządek wśród informacji kluczem do szybkiego wyszukiwania

Wszechnica Popołudniowa: Algorytmika i programowanie Porządek wśród informacji kluczem do szybkiego wyszukiwania. Maciej M Sysło

Analiza algorytmów zadania podstawowe

operacje porównania, a jeśli jest to konieczne ze względu na złe uporządkowanie porównywanych liczb zmieniamy ich kolejność, czyli przestawiamy je.

Zadanie 1 Przygotuj algorytm programu - sortowanie przez wstawianie.

Sortowanie danych. Jolanta Bachan. Podstawy programowania

Jeszcze o algorytmach

Wybrane wymagania dla informatyki w gimnazjum i liceum z podstawy programowej

Rozkład materiału do nauczania informatyki w liceum ogólnokształcącym Wersja I

Rozkład materiału do nauczania informatyki w liceum ogólnokształcącym Wersja II

KONSPEKT ZAJĘĆ KOŁA INFORMATYCZNEGO LUB MATEMATYCZNEGO W KLASIE III GIMNAZJUM LUB I LICEUM ( 2 GODZ.)

znalezienia elementu w zbiorze, gdy w nim jest; dołączenia nowego elementu w odpowiednie miejsce, aby zbiór pozostał nadal uporządkowany.

Wszechnica Informatyczna: Algorytmika i programowanie Algorytmy poszukiwania i porządkowania. Elementy języka programowania.

Klasa 2 INFORMATYKA. dla szkół ponadgimnazjalnych zakres rozszerzony. Założone osiągnięcia ucznia wymagania edukacyjne na. poszczególne oceny

Informatyka A. Algorytmy

Sortowanie przez scalanie

Wstęp do programowania INP001213Wcl rok akademicki 2017/18 semestr zimowy. Wykład 9. Karol Tarnowski A-1 p.

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z INFORMATYKI dla klasy III gimnazjalnej, Szkoły Podstawowej w Rychtalu

INFORMATYKA W SZKOLE. Podyplomowe Studia Pedagogiczne. Dr inż. Grażyna KRUPIŃSKA. D-10 pokój 227

Podstawowe algorytmy i ich implementacje w C. Wykład 9

Złożoność obliczeniowa algorytmu ilość zasobów komputera jakiej potrzebuje dany algorytm. Pojęcie to

Algorytmika i pseudoprogramowanie

Luty 2001 Algorytmy (1) 2000/2001 1

Znajdowanie największego i najmniejszego elementu w zbiorze n liczb całkowitych

Algorytmy sortujące i wyszukujące

Definicja. Ciąg wejściowy: Funkcja uporządkowująca: Sortowanie polega na: a 1, a 2,, a n-1, a n. f(a 1 ) f(a 2 ) f(a n )

Wszechnica Popołudniowa: Algorytmika i programowanie Czy wszystko można policzyć na komputerze. Maciej M Sysło

PoniŜej znajdują się pytania z egzaminów zawodowych teoretycznych. Jest to materiał poglądowy.

Informatyka klasa III Gimnazjum wymagania na poszczególne oceny

Algorytmy i złożoność obliczeniowa. Wojciech Horzelski

WYMAGANIA EDUKACYJNE

Z nowym bitem. Informatyka dla gimnazjum. Część II

INFORMATYKA SORTOWANIE DANYCH.

Wstęp do programowania INP001213Wcl rok akademicki 2017/18 semestr zimowy. Wykład 1. Karol Tarnowski A-1 p.

Algorytmy i Struktury Danych.

Algorytmy i Struktury Danych, 2. ćwiczenia

Strategia "dziel i zwyciężaj"

Definicje. Algorytm to:

Sortowanie. LABORKA Piotr Ciskowski

Teraz bajty. Informatyka dla szkół ponadpodstawowych. Zakres rozszerzony. Część 1.

ALGORYTMY Algorytm poprawny jednoznaczny szczegółowy uniwersalny skończoność efektywność (sprawność) zmiennych liniowy warunkowy iteracyjny

Struktury danych i złożoność obliczeniowa Wykład 2. Prof. dr hab. inż. Jan Magott

Algorytmy przeszukiwania

Algorytmy i struktury danych. Co dziś? Tytułem przypomnienia metoda dziel i zwyciężaj. Wykład VIII Elementarne techniki algorytmiczne

WYMAGANIA EGZAMINACYJNE Egzamin maturalny z INFORMATYKI

Laboratorium nr 7 Sortowanie

Złożoność obliczeniowa zadania, zestaw 2

1. Nagłówek funkcji: int funkcja(void); wskazuje na to, że ta funkcja. 2. Schemat blokowy przedstawia algorytm obliczania

Analiza algorytmów zadania podstawowe

TEORETYCZNE PODSTAWY INFORMATYKI

Wstęp do programowania

Roman Mocek Zabrze Opracowanie zbiorcze ze źródeł Scholaris i CKE

Sortowanie - wybrane algorytmy

Algorytm poprawny jednoznaczny szczegółowy uniwersalny skończoność efektywność (sprawność) zmiennych liniowy warunkowy iteracyjny

Algorytmy. Programowanie Proceduralne 1

1. Informatyka - dyscyplina naukowa i techniczna zajmująca się przetwarzaniem informacji.

Sortowanie przez wstawianie Insertion Sort

Elżbieta Kula - wprowadzenie do Turbo Pascala i algorytmiki

RÓŻNORODNE ALGORYTMY OBLICZEŃ I ICH KOMPUTEROWE REALIZACJE

Wstęp do programowania. Dziel i rządź. Piotr Chrząstowski-Wachtel

Algorytmy. Programowanie Proceduralne 1

1. Algorytmika. WPROWADZENIE DO ALGORYTMIKI Wprowadzenie do algorytmów. Pojęcie algorytmu.

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z INFORMATYKI

KOŁO MATEMATYCZNE LUB INFORMATYCZNE - klasa III gimnazjum, I LO

Algorytmy i struktury danych

Program nauczania informatyki w gimnazjum Informatyka dla Ciebie. Modyfikacja programu klasy w cyklu 2 godzinnym

Grażyna Koba, Poradnik metodyczny. Informatyka dla gimnazjum Program nauczania wymagania na oceny PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA KLASA II

Programowanie od pierwszoklasisty do maturzysty. Grażyna Koba

KARTA PRZEDMIOTU. 1. Informacje ogólne. 2. Ogólna charakterystyka przedmiotu. Algorytmy i struktury danych, C3

3. Podaj elementy składowe jakie powinna uwzględniać definicja informatyki.

kształcenia pozaszkolnego WMiI Uni Wrocław, WMiI UMK Toruń

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA INFORMATYKA.

Podstawy Programowania 1 Sortowanie tablic jednowymiarowych. Plan. Sortowanie. Sortowanie Rodzaje sortowania. Notatki. Notatki. Notatki.

Algorytm - pojęcie algorytmu, sposób zapisu, poziom szczegółowości, czynności proste i strukturalne. Pojęcie procedury i funkcji.

Wykład IV Algorytmy metody prezentacji i zapisu Rzut oka na język PASCAL

Wykład 1_2 Algorytmy sortowania tablic Sortowanie bąbelkowe

Programowanie i techniki algorytmiczne

Teraz bajty. Informatyka dla szkoły podstawowej. Klasa VI

Wymagania edukacyjne i sposoby sprawdzania edukacyjnych osiągnięć uczniów z informatyki - klasy II zakres rozszerzony

Podstawy Programowania Algorytmy i programowanie

Komputery, obliczenia, algorytmy Tianhe-2 (MilkyWay-2), system Kylin Linux, Tflops, kw

Algorytmy, reprezentacja algorytmów.

Rekurencja. Rekurencja zwana także rekursją jest jedną z najważniejszych metod konstruowania rozwiązań i algorytmów.

prowadzący dr ADRIAN HORZYK /~horzyk tel.: Konsultacje paw. D-13/325

Opis założonych osiągnięć ucznia wymagania na poszczególne oceny szkolne dla klasy VIII. Opracowano w oparciu o pomoce naukowe Migra (

Algorytm. Krótka historia algorytmów

EGZAMIN MATURALNY W ROKU SZKOLNYM 2017/2018 INFORMATYKA

Jeśli czas działania algorytmu zależy nie tylko od rozmiaru danych wejściowych i przyjmuje różne wartości dla różnych danych o tym samym rozmiarze,

Sortowanie. Kolejki priorytetowe i algorytm Heapsort Dynamiczny problem sortowania:

Zaawansowane algorytmy i struktury danych

Aktywizacja uczniów w ramach kształcenia pozaszkolnego. Maciej M. Sysło WMiI Uni Wrocław, WMiI UMK Toruń

Transkrypt:

PORZĄDEK WŚRÓD INFORMACJI KLUCZEM DO SZYBKIEGO WYSZUKIWANIA Maciej M. Sysło Uniwersytet Wrocławski Uniwersytet UMK w Toruniu syslo@ii.uni.wroc.pl informatyka + 2

Algorytm, algorytmika Algorytm opis rozwiązania krok po kroku postawionego problemu lub sposobu osiągnięcia jakiegoś celu Pierwszy algorytm algorytm Euklidesa 300 p.n.e algorytm od Muhammad ibn Musa al-chorezmi IX w. Algorytmika dziedzina zajmująca się algorytmami i ich własnościami informatyka + 3

Algorytmy a informatyka Informatyka jedna z definicji: dziedzina wiedzy i działalności zajmująca się algorytmami Donald E. Knuth: Ralf Gomory (IBM): Czy zajmuje się też algorytmami kulinarnymi? Mówi się często, że człowiek dotąd nie zrozumie czegoś, zanim nie nauczy tego kogoś innego. W rzeczywistości, człowiek nie zrozumie czegoś (algorytmu) naprawdę, zanim nie zdoła nauczyć tego komputera. Najlepszym sposobem przyspieszania komputerów jest obarczanie ich mniejszą liczbą działań (szybszymi algorytmami) informatyka + 4

Myślenie algorytmiczne Myślenie komputacyjne (ang. computational thinking) Reklama firmy IBM z 1924 roku Komputer to maszyna do myślenia!!! informatyka + 5

IBM informatyka + 6

Problemy, algorytmy i ich komputerowe realizacje (implementacje) Plan: Poszukiwanie informacji: w zbiorze nieuporządkowanym w zbiorze uporządkowanym Przeszukiwanie zbioru: schemat blokowy, algorytm optymalny Kompletowanie podium zwycięzców turnieju Jednoczesne znajdowanie najmniejszego i największego elementu zasada dziel i zwyciężaj Porządkowanie: przez wybór, przez zliczanie, przez scalanie Inne zastosowania zasady dziel i zwyciężaj informatyka + 7

Poszukiwanie elementu w zbiorze Problem poszukiwania elementu w zbiorze specyfikacja Dane: Zbiór elementów w postaci ciągu n liczb x 1, x 2,..., x n. Wyróżniony element y Wynik: Jeśli y należy do tego zbioru, to podaj jego miejsce (indeks) w ciągu, a w przeciwnym razie sygnalizuj brak takiego elementu w zbiorze wstaw y do ciągu Dwa przypadki: Nieuporządkowany ciąg liczb x 1, x 2,..., x n Uporządkowany ciąg liczb x 1, x 2,..., x n Nasz cel: Jakie są korzyści z uporządkowania? Jak utrzymywać porządek wśród informacji? informatyka + 8

Poszukiwanie elementu w zbiorze przykład Przeszukiwanie książki telefonicznej Poszukiwanie numeru telefonu danej osoby Dane: Nazwiska, adresy, numery telefonów książka telefoniczna. Ciąg danych x 1, x 2,..., x n kartki książki z danymi o numerach Wyróżniony element y nazwisko osoby, której numeru szukamy Wynik: Jeśli osoba y ma numer telefony w książce, to podaj na której stronie, a w przeciwnym razie sygnalizuj brak danych o y Poszukiwanie osoby o danym numerze telefonu Dane: Książka telefoniczna. Ciąg danych x 1, x 2,..., x n kartki książki z danymi o numerach Wyróżniony element y numer telefonu osoby, której szukamy Wynik: Jeśli istnieje osoba z numerem telefonu y, to podaj jej nazwisko, a w przeciwnym razie sygnalizuj brak takiej osoby informatyka + 9

Poszukiwania w zbiorze nieuporządkowanym Algorytm Poszukiwanie liniowe Krok 1. Dla i = 1, 2,..., n, jeśli x i = y, to przejdź do kroku 3. Krok 2. Komunikat: W ciągu danych nie ma elementu równego y. Zakończ algorytm: wynik: 1 Krok 3. Element równy y znajduje się na miejscu i w ciągu danych. Zakończ algorytm: wynik: i begin i:=1; while (x[i]<>y) and (i<n) do i:=i+1; if x[i]=y then PrzeszukiwanieLiniowe:=i else PrzeszukiwanieLiniowe:=-1 end Przykład: Dane: ciąg: 2, 5, 1, 4, 10, 7. y = 1 Wynik: i = 3 Pewna niedogodność sprawdzanie, czy koniec ciągu. informatyka + 10

Poszukiwania w zbiorze nieuporządkowanym z wartownikiem Algorytm Poszukiwanie liniowe z wartownikiem Takie same kroki algorytmu inna implementacja, czyli komputerowa realizacja: na końcu ciągu: begin i:=1; x[n+1]:=y; x 1 x 2 x 3 x 4 x n while x[i]<>y do i:=i+1; if i<=n then PrzeszukiwanieLinioweWartownik:=i else PrzeszukiwanieLinioweWartownik:=-1 end x n+1 wstawiamy wartownika pilnuje końca ciągu Nie ma sprawdzania, czy koniec ciągu informatyka + 11

Poszukiwanie w zbiorze uporządkowanym Zabawa w zgadywanie liczby Zgadywana liczba: 17 w przedziale [1 : 20] Metoda: połowienia przedziału Kolejne kroki: strzałka wskazuje wybór; kolor czerwony ciąg do przeszukania: informatyka + 12

Poszukiwanie przez połowienie w ciągu uporządkowanym function PrzeszukiwanieBinarne(x:tablicax; k,l:integer; y:integer):integer; {Przeszukiwanie binarne ciagu x[k..l] w poszukiwaniu elementu y.} var Lewy,Prawy,Srodek:integer; begin Lewy:=k; Prawy:=l; while Lewy<=Prawy do begin Srodek:=(Lewy+Prawy) div 2; if x[srodek]=y then begin PrzeszukiwanieBinarne:=Srodek; exit end; {element y nalezy do przeszukiwanego ciagu} if x[srodek]<y then Lewy:=Srodek+1 else Prawy:=Srodek-1 end; PrzeszukiwanieBinarne:=-1 end Początkowe końce przedziału Połowienie przedziału y należy do przedziału Zmiana końców przedziału y nie należy do przeszukiwanego przedziału informatyka + 13

Umieszczanie przez połowienie w ciągu uporządkowanym Dane: Uporządkowany ciąg liczb w tablicy x[k..l] oraz element y Wynik: Miejsce dla y w ciągu x[k..l] takie, aby po wstawieniu y ciąg nadal był uporządkowany Algorytm: y wstawiamy do przeszukiwanego ciągu w to miejsce, gdzie algorytm poszukiwania kończy działanie, a więc tam, gdzie jest y (jeśli y jest już w ciągu), albo gdzie powinien być. informatyka + 14

Poszukiwanie przez połowienie Złożoność (1) Liczba kroków w algorytmie połowienia: Ile razy należy przepołowić ciąg o danej długości, aby znaleźć element lub miejsce dla niego? Przykład dla n = 1200 Kolejne długości ciągu: 1200, 600, 300, 150, 75, 38, 19, 10, 5, 3, 2, 1 11 razy dzielono ciąg o długości 1200, by pozostał 1 element Liczba porównań w algorytmach poszukiwania dla n = 1200: przez połowienie 11 liniowy 1200 Porównaj, jaka jest potęga uporządkowania!!! informatyka + 15

Dla n = 1200 liczba porównań w algorytmie połowienia wyniosła 11 Pytania: Poszukiwanie przez połowienie złożoność (2) Jak liczba porównań zależy od n? Jak dobry jest to algorytm? Liczba porównań dla różnych n: n 100 7 1 000 10 10 000 14 100 000 17 1 000 000 20 10 000 000 24 liczba porównań ok.log 2 n Algorytm poszukiwania przez połowienie jest optymalny, czyli najszybciej przeszukuje zbiory uporządkowane. Funkcja logarytm, bardzo ważna w algorytmice logarytm to anagram od algorytm informatyka + 16

Poszukiwanie interpolacyjne function PrzeszukiwanieBinarne(x:tablicax; k,l:integer; y:integer):integer; {Przeszukiwanie binarne ciagu x[k..l] w poszukiwaniu elementu y.} var Lewy,Prawy,Srodek:integer; begin Lewy:=k; Prawy:=l; while Lewy<=Prawy do begin Srodek:=(Lewy+Prawy) div 2; if x[srodek]=y then begin PrzeszukiwanieBinarne:=Srodek; exit end; {element y nalezy do przeszukiwanego ciagu} if x[srodek]<y then Lewy:=Srodek+1 else Prawy:=Srodek-1 end; PrzeszukiwanieBinarne:=-1 end Srodek = lewy + (prawy lewy)/2 Srodek = lewy + (y x[lewy])(prawy lewy)/(x[prawy] x[lewy]) Przeciętny czas interpolacyjnego umieszczania wynosi ok. log log n informatyka + 17

Suwaki logarytmiczne Na wyposażeniu każdego inżyniera do 1972 roku Skala 30 cm Skala 150 cm Skala 12 m informatyka + 18 18

Znajdowanie elementu w zbiorze Znajdź w zbiorze element o pewnych własnościach: najwyższego ucznia w swojej klasie metoda spaghetti jak zmieni się Twój algorytm, jeśli chciałbyś znaleźć w klasie najniższego ucznia znajdź w swojej klasie ucznia, któremu droga do szkoły zabiera najwięcej czasu znajdź najstarszego (lub najmłodszego) ucznia w swojej szkole znajdź największą kartę w potasowanej talii kart znajdź najlepszego tenisistę w swojej klasie nie ma remisów znajdź najlepszego gracza w warcaby w swojej klasie możliwe są remisy Podstawowa operacja porównanie: dwóch liczb lub kombinacji liczb (data, karty): czy x < y? dwóch zawodników: rozegranie meczu informatyka + 19

Znajdowanie elementu w zbiorze Różnica między dwoma problemami: Czy zbiór zawiera y? Dane: Ciąg n liczb x 1, x 2,..., x n Wyróżniony element y Wynik: Czy w ciągu jest element y? Przeszukujemy ciąg aż znajdziemy y, Przeglądamy cały ciąg, by stwierdzić, że nie zawiera y. Znajdź w zbiorze element o pewnych własnościach Dane: Ciąg n liczb x 1, x 2,..., x n Wynik: Najmniejsza wśród liczb x 1, x 2,..., x n Trzeba przejrzeć cały ciąg. Zakładamy, że ciąg nie jest uporządkowany. Uporządkowanie ciągu ułatwia. informatyka + 20

Specyfikacja problemu Specyfikacja problemu dokładne opisanie problemu Problem Min Znajdowanie najmniejszego elementu w zbiorze Dane: Liczba naturalna n i zbiór n liczb dany w ciągu x 1, x 2,..., x n Wynik: Najmniejsza wśród liczb x 1, x 2,..., x n oznaczmy ją min Metoda rozwiązania: przeszukiwanie liniowe od lewej do prawej Algorytm Min Znajdowanie najmniejszego elementu w zbiorze Krok 1. Przyjmij za min pierwszy element w zbiorze (w ciągu), czyli przypisz min := x 1. imin := 1 Krok 2. Dla kolejnych elementów x i, gdzie i = 2, 3,..., n, jeśli min > x i, to przypisz min := x i. imin := i Algorytm Max prosta modyfikacja: zamiana > na < Wyznaczanie imin indeksu elementu o wartości min informatyka + 21

Algorytm Min demo Demonstracja przeszukiwania od lewej do prawej: informatyka + 22

(Zgrubny) schemat blokowy algorytmu Min Krok 1: min pierwszy element ze zbioru A Instrukcje warunkowe: rozgałęzienia algorytmu Krok 2: Czy porównano wszystkie elementy ze zbioru A? Instrukcja iteracyjna Tak Koniec algorytmu Nie x kolejny element ze zbioru A Tak min x min > x? Nie Ada Augusta, córka Byrona, uznawana powszechnie za pierwszą programistkę komputerów, przełomowe znaczenie maszyny analitycznej Ch. Babbage a, pierwowzoru dzisiejszych komputerów, upatrywała właśnie w możliwości wielokrotnego wykonywania przez nią danego ciągu instrukcji, z liczbą powtórzeń z góry zadaną lub zależną od wyników obliczeń, a więc w iteracji. informatyka + 23

Pełny schemat blokowy algorytmu Min informatyka + 24

Algorytm Min w postaci programu Program w języku Pascal program Min; var i,imin,min,n,x:integer; begin read(n); read(x); min:=x; imin:=1; for i:=2 to n do begin read(x); if min > x then begin min:=x; imin:=i end end; write(imin,min) end. nazwa programu deklaracje, typy zmiennych blok programu początek czytaj n czytaj pierwszy element iteracja od 2 do n czytaj kolejny element instrukcja warunkowa popraw min instrukcja war. koniec iteracja koniec pisz wynik blok programu koniec informatyka + 25

Pracochłonność algorytmu Min Porównanie podstawowa operacja w algorytmie Min. Pracochłonność (złożoność obliczeniowa) algorytmu liczba podstawowych operacji wykonywanych przez algorytm. Pytanie: Ile porównań wykonuje algorytm Min? Odpowiedź: o jedno mniej niż jest elementów, czyli n 1 Pytania: Czy można szybciej? Czy istnieje szybszy algorytm znajdowania min? A może metoda pucharowa wyłaniania zwycięzcy w turnieju jest szybsza? informatyka + 26

Wyłanianie najlepszego zawodnika w turnieju czyli inny sposób znajdowania max (lub min) Porównania mecze Tomek Ośmiu zawodników: 7 meczy n zawodników: n 1 meczy a więc nie jest szybsza Bartek Tomek Jednak jest szybciej. Gdy liczmy równolegle Bartek Witek Tomek Tolek Bartek Romek Bolek Witek Tomek Zenek Tolek Felek informatyka + 27

A może mamy algorytm najlepszy? Podsumowanie: Mamy dwa algorytmy znajdowania min lub max: przeszukiwanie liniowe rozegranie turnieju które na zbiorze n elementów wykonują n 1 porównań Może nie ma szybszego algorytmu? TAK! Hugo Steinhaus tak to uzasadnił: Jeśli Tomek jest zwycięzcą turnieju, w którym startuje n zawodników, to każdy inny spośród n 1 zawodników musiał przegrać przynajmniej raz, a zatem rozegrano przynajmniej n 1 meczy. Zatem każdy algorytm musi wykonać przynajmniej n 1 porównań, czyli nasze algorytmy są najszybsze są optymalne. informatyka + 28

A jak znaleźć drugiego najlepszego zawodnika w turnieju? Czy jest nim Bartek? Bo przegrał z Tomkiem? Tomek Ale Bartek nie grał z drugą połową! Bartek Tomek??? Tylko dwa dodatkowe mecze! Bartek Witek Tomek??? Tolek Bartek Romek Bolek Witek Tomek Zenek Tolek Felek informatyka + 29

Jednoczesne znajdowanie min i max Obserwacja: jeśli x y, to x kandydatem na min, a y kandydatem na max Algorytm dziel i zwyciężaj : Krok 1. Podział na kandydatów na min i kandydatów na max Kandydaci na max Porównania parami Kandydaci na min 3 2 5 3? 1 2? 2 5? 3 4? 8 2? 5 1 2 3 4 2 8 5 max = 8 min = 1 Krok 2. Znajdź min i max Liczba porównań: algorytm naiwny: n 1 (min) + n 2 (max) = 2n 3 algorytm dziel i zwyciężaj: n/2(podział)+ (n/2 1)(min) + (n/2 1)(max) ok. 3n/2 2 jest to algorytm optymalny informatyka + 30

Problem porządkowania (sortowania) Problem porządkowania (sortowania) Dane: Liczba naturalna n i ciąg n liczb x 1, x 2,..., x n Wynik: Uporządkowanie tego ciągu liczb od najmniejszej do największej Algorytm: porządkowanie przez wybór Selection Sort Idea: najmniejszy wśród nieuporządkowanych daj na początek Krok 1. Dla i = 1, 2,..., n 1 wykonaj kroki 2 i 3, a następnie zakończ algorytm Krok 2. Znajdź k takie, że x k jest najmniejszym elementem w ciągu x i,..., x n Krok 3. Zamień miejscami elementy x i oraz x k informatyka + 31

Znajdowanie elementu w zbiorze Podsumowanie Różnica między dwoma problemami: Czy zbiór zawiera y? Dane: Ciąg n liczb x 1, x 2,..., x n Wyróżniony element y Wynik: Czy w ciągu jest element y? Przeszukujemy ciąg aż znajdziemy y, Przeglądamy cały ciąg, by stwierdzić, że nie zawiera y. Znajdź w zbiorze element o pewnych własnościach Dane: Ciąg n liczb x 1, x 2,..., x n Wynik: Najmniejsza wśród liczb x 1, x 2,..., x n Trzeba przejrzeć cały ciąg. Zakładamy, że ciąg nie jest uporządkowany. Uporządkowanie ciągu ułatwia. informatyka + 32

Porządkowanie przez wybór demo (1) Żółte podciąg już uporządkowany Zielone i czerwone podciąg porządkowany informatyka + 33

Porządkowanie przez wybór demo (2) Podciąg już uporządkowany Podciąg porządkowany informatyka + 34

Złożoność porządkowania przez wybór Liczba zamian elementów w kolejnych krokach: 1 + 1 + 1 + + 1 = n 1 Liczba porównań w kolejnych krokach: Przykład n = 6 (n 1) + (n 2) + (n 3) + + 3 + 2 + 1 =? 5 4 3 2 1 6 = n 5 = n 1 Pole prostokąta: 5 x 6 Suma = pole czarnych diamentów: 5 x 6 informatyka + 35 2 Ogólnie suma: (n 1) x n 2 Liczby trójkątne

Porządkowanie przez zliczanie Problem porządkowania niewielkich liczb Dane: Liczba naturalna n i ciąg n liczb całkowitych x 1, x 2,..., x n, należących do przedziału [1..M] na ogół n < M. Wynik: Uporządkowanie tego ciągu liczb od najmniejszej do największej Algorytm. Porządkowanie przez zliczanie CountingSort Idea: Liczymy, ile jest konkretnych liczb w ciągu Krok 1. Dla i = 1, 2,..., M: c i = 0 zerowanie liczników. Krok 2. Dla i = 1, 2,..., n: zwiększ c k o 1, gdzie k = x i. Krok 3. Dla i = 1, 2,..., M: na kolejnych c i pozycjach w ciągu x umieść element i. Liczba operacji proporcjonalna do n + M. informatyka + 36

Sortowanie przez scalanie scalanie Scalanie z dwóch uporządkowanych ciągów utwórz jeden uporządkowany Algorytm scalania. Scal. Dane: dwa ciągi uporządkowane Wynik: scalony ciąg uporządkowany Krok: do tworzonego ciągu pobieraj najmniejszy element z czoła scalanych ciągów Scalanie 1 3 5 7 10 12 1 2 6 9 11 15 17 20 Scalane ciągi 1 3 5 7 10 12 1 2 6 9 11 15 17 20 Scalony ciąg 1 1 2 3 5 6 7 9 10 11 12 15 17 20 informatyka + 37

Sortowanie przez scalanie scalanie Scalane ciągi Scalone ciągi, w innym miejscu informatyka + 38

Sortowanie przez scalanie opis Metoda dziel i zwyciężaj Rekurencyjne wywołania na podciągach Algorytm porządkowania przez scalanie MergeSort(l,p,x) Dane: Ciąg liczb x l, x l+1,, x p Wynik: Uporządkowanie tego ciągu liczb od najmniejszej do największej. Krok 1. Jeśli l < p, to przyjmij s:=(l+p) div 2 i wykonaj trzy następne kroki. { s w połowie ciągu} Krok 2. MergeSort(l,s,x) sortowanie pierwszej połowy ciągu Krok 3. MergeSort(s+1,p,x) sortowanie drugiej połowy ciągu Krok 4. Zastosuj algorytm Scal do ciągów (x l,, x s ) i (x s+1,, x p ) i wynik umieść w ciągu (x l,, x p ). informatyka + 39

Sortowanie przez scalanie DEMO 2 1 2 9 5 0 2 1 2 1 2 dziel 2 dziel 9 5 9 5 0 dziel 0 dziel 2 1 scal 9 dziel scal 5 1 2 scal 5 9 scal 1 2 2 scal 0 5 9 0 1 2 2 5 9 informatyka + 40

Sortowanie przez scalanie DEMO Posortowana jest już pierwsza połowa ciągu i w trakcie sortowania drugiej połowy, scalane są dwa podciągi z pierwszej części drugiej połowy, uporządkowane wcześniej rekurencyjnie tą samą metodą Posortowana pierwsza połowa ciągu Scalane ciągi Wynik scalania dodatkowym miejscu informatyka + 41

Potęga algorytmu binarnego (dziel i zwyciężaj) Kryptografia: Szyfr RSA, jeden z najpopularniejszych obecnie, bazuje na podnoszeniu do dużej potęgi dużych liczb, np. 1234567890987654321234567890987654321123456789987654321 1234567890 12345678909876543211234567890987654321123456789098765432123456789101 234567891012345678910123456789123456789123456789123456789 Jak można szybko obliczać takie potęgi? Odpowiedź: Np., obliczenie x 12345678912345678912345678912345 wymaga: Ze szkolnej definicji: x 10 = x*x*x*x*x*x*x*x*x*x 9 mnożeń, wtedy: 12345678912345678912345678912344/10 15 sek. = 4*10 8 lat Algorytm binarny, np.: x 10 = (x 5 ) 2, x 11 = (x 5 ) 2 *x Wykonuje dla x 12345678912345678912345678912345 Szybkość superkomputera ok. 200 mnożeń < 1 sek. informatyka + 42

Konkluzja Najlepszym sposobem przyspieszania komputerów jest obarczanie ich mniejszą liczbą działań (szybszymi algorytmami) [Ralf Gomory, IBM] 43 43

Algorytm, algorytmika Algorytm opis rozwiązania krok po kroku postawionego problemu lub sposobu osiągnięcia jakiegoś celu Pierwszy algorytm algorytm Euklidesa 300 p.n.e algorytm od Muhammad ibn Musa al-chorezmi IX w. Algorytmika dziedzina zajmująca się algorytmami i ich własnościami informatyka + 44

Algorytmy a informatyka Informatyka jedna z definicji: dziedzina wiedzy i działalności zajmująca się algorytmami Donald E. Knuth: Ralf Gomory (IBM): Czy zajmuje się też algorytmami kulinarnymi? Mówi się często, że człowiek dotąd nie zrozumie czegoś, zanim nie nauczy tego kogoś innego. W rzeczywistości, człowiek nie zrozumie czegoś (algorytmu) naprawdę, zanim nie zdoła nauczyć tego komputera. Najlepszym sposobem przyspieszania komputerów jest obarczanie ich mniejszą liczbą działań (szybszymi algorytmami) informatyka + 45

Algorytmiczne rozwiązywanie problemu Dla problemu chcemy otrzymać rozwiązanie komputerowe, które jest: zrozumiałe dla każdego, kto zna problemu poprawne, czyli spełnia specyfikację (opis) problemu efektywne, czyli nie marnuje czasu i pamięci Metoda rozwiązywania: analiza sytuacji problemowej sporządzenie specyfikacji: wykaz danych, wyników i relacji projekt rozwiązania komputerowa realizacja rozwiązania implementacja testowanie poprawności rozwiązania dokumentacja i prezentacja rozwiązania informatyka + 46

Rozwiązywanie problemów z pomocą komputerów Objaśnienie dwóch terminów: Problem: problem, gdy nie podano nam, jak należy go rozwiązać, ale wiemy wystarczająco, by poradzić sobie z nim a więc, problem jest dla każdego nie tylko dla orłów Programowanie: komputery wykonują tylko programy cokolwiek uruchamiamy na komputerze: Google, dokument w Word, arkusz w Excel, naciśnięcie klawisza jest programem każdy widoczny i niewidoczny efekt działania komputera to wynik działania jakiegoś programu Konkluzja: powinniśmy lepiej poznać programowanie komputerów informatyka + 47

Pokrewne zajęcia w Projekcie Informatyka + Wykład+Warsztaty (Wszechnica Poranna): Wprowadzenie do algorytmiki i programowania wyszukiwanie i porządkowanie informacji Proste rachunki wykonywane za pomocą komputera. Techniki algorytmiczne przybliżone (heurystyczne) i dokładne. Wykłady (Wszechnica Popołudniowa): Czy wszystko można policzyć na komputerze? Porządek wśród informacji kluczem do szybkiego wyszukiwania. Dlaczego możemy się czuć bezpieczni w sieci, czyli o szyfrowaniu informacji. Znajdowanie najkrótszych dróg, najniższych drzew, najlepszych małżeństw informatyka + 48

Pokrewne zajęcia w Projekcie Informatyka + Kursy (24 godz.) Wszechnica na Kołach: Algorytmy poszukiwania i porządkowania. Elementy języka programowania Różnorodne algorytmy obliczeń i ich komputerowe realizacje Grafy, algorytmy grafowe i ich komputerowe realizacje Kursy (24 godz.) Kuźnia Informatycznych Talentów KIT dla Orłów: Przegląd podstawowych algorytmów Struktury danych i ich wykorzystanie Zaawansowane algorytmy Tendencje Wykłady Algorytmy w Internecie, K. Diks Czy P = NP, czyli jak wygrać milion dolarów w Sudoku, J. Grytczuk Między przeszłością a przyszłość informatyki, M.M Sysło informatyka + 49