WYSZUKIWANIE I PORZĄDKOWANIE INFORMACJI

WYSZUKIWANIE I PORZĄDKOWANIE INFORMACJI WPROWADZENIE DO ALGORYTMIKI 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 Czy zajmuje się też algorytmami kulinarnymi? Donald E. Knuth: Ralf Gomory (IBM): 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

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 + 5

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 + 6

Myślenie algorytmiczne Myślenie komputacyjne (ang. computational thinking) Reklama firmy IBM z 1924 roku Komputer to maszyna do myślenia!!! informatyka + 7

Problemy, algorytmy i ich komputerowe realizacje (implementacje) Plan: Pierwszy algorytm przeszukiwanie zbioru schematy blokowe algorytm optymalny Kompletowanie podium zwycięzców turnieju Jednoczesne znajdowanie najmniejszego i największego elementu zasada dziel i zwyciężaj Porządkowanie przez wybór iteracja algorytmu Poszukiwanie informacji: w zbiorze nieuporządkowanym w zbiorze uporządkowanym informatyka + 8

Znajdowanie elementu w zbiorze Znajdź element w zbiorze: 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 + 9

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 + 10

Algorytm Min demo Demonstracja przeszukiwania od lewej do prawej: informatyka + 11

(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 + 12

Pełny schemat blokowy algorytmu Min informatyka + 13

Skomputeryzowany schemat blokowy Schemat blokowy wykonany w programie ELI Iteracja Wprowadzanie danych Ciąg (tablica) z danymi Bloki warunkowe informatyka + 14

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 + 15

Warsztaty Algorytm, język programowania, komputer Proces komputerowej realizacji algorytmu: Opis algorytmu Zapis w języku programowania (Pascal, C++) Przetłumaczenie na język zrozumiały przez komputer Wykonanie Testowanie informatyka + 16

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 + 17

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 Bartek Witek Tomek Tolek Bartek Romek Bolek Witek Tomek Zenek Tolek Felek informatyka + 18

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 + 19

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 + 20

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 + 21

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 + 22

Porządkowanie przez wybór demo (1) Żółte podciąg już uporządkowany Zielone i czerwone podciąg porządkowany informatyka + 23

Porządkowanie przez wybór demo (2) Podciąg już uporządkowany Podciąg porządkowany informatyka + 24

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 + 25 2 Ogólnie suma: (n 1) x n 2 Liczby trójkątne

Poszukiwanie elementu w zbiorze Problem poszukiwania elementu w zbiorze 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 + 26

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 Pewna niedogodność sprawdzanie, czy koniec ciągu. informatyka + 27

Poszukiwania w zbiorze nieuporządkowanym z wartownikiem Algorytm Poszukiwanie liniowe z wartownikiem Takie same kroki algorytmu inna implementacja, czyli komputerowa realizacja: na końcu ciągu: begin x 1 x 2 x 3 x 4 x n x n+1 wstawiamy wartownika pilnuje końca ciągu i:=1; Nie ma sprawdzania, x[n+1]:=y; czy koniec ciągu while x[i]<>y do i:=i+1; if i<=n then PrzeszukiwanieLinioweWartownik:=i else PrzeszukiwanieLinioweWartownik:=-1 end informatyka + 28

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 + 29

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 + 30

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 + 31

Poszukiwanie przez połowienie złożoność 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 + 32

Dla n = 1200 liczba porównań w algorytmie połowienia wyniosła 11 Pytania: Poszukiwanie przez połowienie złożoność dla orłów Jak liczba porównań zależy od n? Jak dobry jest to algorytm? Liczba porównań dla różnych n: n liczba porównań 100 7 1000 10 10000 14 100000 17 1000000 20 10000000 24 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 + 33

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 + 34

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 + 35