Διωνυµικοί Συντελεστές. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

Transcript

1 Διωνυµικοί Συντελεστές Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

2 Διωνυµικοί Συντελεστές Διωνυµικοί συντελεστές Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

3 Διωνυµικοί Συντελεστές Διωνυµικοί συντελεστές long Binom(int n, int k) { if ((k == 0) (k == n)) return(1); return(binom(n 1, k - 1) + Binom(n 1, k)); } Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

4 Διωνυµικοί Συντελεστές Διωνυµικοί συντελεστές long Binom(int n, int k) { if ((k == 0) (k == n)) return(1); return(binom(n 1, k - 1) + Binom(n 1, k)); } Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

5 Διωνυµικοί Συντελεστές Διωνυµικοί συντελεστές long Binom(int n, int k) { if ((k == 0) (k == n)) return(1); return(binom(n 1, k - 1) + Binom(n 1, k)); } Χρόνος εκτέλεσης δίνεται από την ίδια αναδροµή! Πρόβληµα οι επαναλαµβανόµενοι υπολογισµοί. Όταν έχω επικαλυπτόµενα στιγµιότυπα, χρησιµοποιώ δυναµικό προγραµµατισµό. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 1

6 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 2

7 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 2

8 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 2

9 Τρίγωνο του Pascal Όταν έχω επαναλαµβανόµενα στιγµιότυπα, αποθηκεύω τιµές σε πίνακα και τις χρησιµοποιώ χωρίς να τις υπολογίζω πάλι. Θεαµατική βελτίωση χρόνου εκτέλεσης! Σηµαντικές απαιτήσεις σε µνήµη. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 2

10 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

11 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

12 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

13 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

14 Τρίγωνο του Pascal Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

15 Τρίγωνο του Pascal Χρόνος εκτέλεσης Θ(n k) αντί για Ω((n / e) k ). Μνήµη Θ(n k). Μπορεί να µειωθεί σε Θ(k). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 3

16 Δυναµικός Προγραµµατισµός Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 4

17 Δυναµικός Προγραµµατισµός Εφαρµόζουµε δυναµικό προγραµµατισµό για προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης όπου ισχύει: Αρχή βελτιστότητας (βέλτιστες επιµέρους λύσεις). Κάθε τµήµα βέλτιστης λύσης αποτελεί βέλτιστη λύση για αντίστοιχο υποπρόβληµα. π.χ. κάθε τµήµα µιας συντοµότερης διαδροµής είναι συντοµότερη διαδροµή µεταξύ των άκρων του. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 4

18 Δυναµικός Προγραµµατισµός Εφαρµόζουµε δυναµικό προγραµµατισµό για προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης όπου ισχύει: Αρχή βελτιστότητας (βέλτιστες επιµέρους λύσεις). Κάθε τµήµα βέλτιστης λύσης αποτελεί βέλτιστη λύση για αντίστοιχο υποπρόβληµα. π.χ. κάθε τµήµα µιας συντοµότερης διαδροµής είναι συντοµότερη διαδροµή µεταξύ των άκρων του. Έστω βέλτιστες λύσεις για «µικρότερα» προβλήµατα. Πως συνδυάζονται για βέλτιστη λύση σε «µεγαλύτερα»; Αναδροµική εξίσωση που περιγράφει τιµή βέλτιστης λύσης. Υπολογίζουµε λύση από µικρότερα σε µεγαλύτερα (bottom-up). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 4

19 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

20 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

21 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

22 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

23 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

24 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

25 Διακριτό Πρόβληµα Σακιδίου Δίνονται n αντικείµενα και σακίδιο µεγέθους Β. Αντικείµενο i έχει µέγεθος και αξία: Ζητείται συλλογή µέγιστης αξίας που χωράει στο σακίδιο. Αντικείµενα: { (1, 0.5), (2, 5), (2, 5), (3, 9), (4, 8) } Μέγεθος σακιδίου: 4. Βέλτιστη λύση = { (2, 5), (2, 5) } Αντικείµενα: { (3, 5), (2, 7), (4, 4), (6, 8), (5, 4) } Μέγεθος σακιδίου: 10. Βέλτιστη λύση = { (3, 5), (2, 7), (4, 4) } Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 5

26 Πρόβληµα Σακιδίου Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 6

27 Πρόβληµα Σακιδίου Πρόβληµα συνδυαστικής βελτιστοποίησης: Συλλογή που χωράει εφικτή λύση. Αντιστοιχεί σε αξία. Ζητούµενο: (βέλτιστη) συλλογή που χωράει µε µέγιστη αξία. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 6

28 Πρόβληµα Σακιδίου Πρόβληµα συνδυαστικής βελτιστοποίησης: Συλλογή που χωράει εφικτή λύση. Αντιστοιχεί σε αξία. Ζητούµενο: (βέλτιστη) συλλογή που χωράει µε µέγιστη αξία. Εξαντλητική αναζήτηση: #συλλογών = 2 n. Χρόνος Ω(n2 n ) Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 6

29 Πρόβληµα Σακιδίου Πρόβληµα συνδυαστικής βελτιστοποίησης: Συλλογή που χωράει εφικτή λύση. Αντιστοιχεί σε αξία. Ζητούµενο: (βέλτιστη) συλλογή που χωράει µε µέγιστη αξία. Εξαντλητική αναζήτηση: #συλλογών = 2 n. Χρόνος Ω(n2 n ) Πρόβληµα Σακιδίου είναι NP-δύσκολο και δεν υπάρχει «γρήγορος» (πολυωνυµικός) αλγόριθµος. Εφαρµογή δυναµικού προγραµµατισµού. Χρόνος Θ(n B). Δεν είναι πολυωνυµικός(;)! Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 6

30 Αρχή Βελτιστότητας Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 7

31 Αρχή Βελτιστότητας Αντικείµενα N = {1,, n}, σακίδιο µεγέθους Β. Βέλτιστη λύση Α * {1,, n}. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 7

32 Αρχή Βελτιστότητας Αντικείµενα N = {1,, n}, σακίδιο µεγέθους Β. Βέλτιστη λύση Α * {1,, n}. Αγνοούµε αντικείµενο n : Α * \ {n} βέλτιστη λύση για Ν \ {n} µε σακίδιο B (f n s n ). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 7

33 Αρχή Βελτιστότητας Αντικείµενα N = {1,, n}, σακίδιο µεγέθους Β. Βέλτιστη λύση Α * {1,, n}. Αγνοούµε αντικείµενο n : Α * \ {n} βέλτιστη λύση για Ν \ {n} µε σακίδιο B (f n s n ). Αγνοούµε αντικείµενα {n, n 1}: Α * \ {n, n 1} βέλτιστη λύση για Ν \ {n, n 1} µε σακίδιο B (f n s n + f n-1 s n-1 ). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 7

34 Αρχή Βελτιστότητας Αντικείµενα N = {1,, n}, σακίδιο µεγέθους Β. Βέλτιστη λύση Α * {1,, n}. Αγνοούµε αντικείµενο n : Α * \ {n} βέλτιστη λύση για Ν \ {n} µε σακίδιο B (f n s n ). Αγνοούµε αντικείµενα {n, n 1}: Α * \ {n, n 1} βέλτιστη λύση για Ν \ {n, n 1} µε σακίδιο B (f n s n + f n-1 s n-1 ). Αν γνωρίζουµε βέλτιστη αξία για αντικείµενα Ν \ {n} και σακίδια µεγέθους Β και Β s n αποφασίζουµε αν αντικείµενο n στη βέλτιστη λύση! Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 7

35 Αναδροµική Εξίσωση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 8

36 Αναδροµική Εξίσωση P(n-1, B) βέλτιστη αξία για Ν \ {n} σε σακίδιο Β P(n-1, B - s n ) βέλτιστη αξία για Ν \ {n} σε σακίδιο Β - s n Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 8

37 Αναδροµική Εξίσωση P(n-1, B) βέλτιστη αξία για Ν \ {n} σε σακίδιο Β P(n-1, B - s n ) βέλτιστη αξία για Ν \ {n} σε σακίδιο Β - s n Βέλτιστη αξία µε αντικείµενα {1,, i } και σακίδιο µεγέθους b : Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 8

38 Παράδειγµα Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 9

39 Παράδειγµα Αντικείµενα: { (3, 5), (2, 7), (4, 4), (6, 8), (5, 4) } Μέγεθος σακιδίου: 10. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 9

40 Παράδειγµα Αντικείµενα: { (3, 5), (2, 7), (4, 4), (6, 8), (5, 4) } Μέγεθος σακιδίου: 10. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 9

41 Υλοποίηση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 10

42 Υλοποίηση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 10

43 Υλοποίηση Χρόνος Ο(n B) Μνήµη Ο(n B) Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 10

44 Υλοποίηση Αναδροµική υλοποίηση; Χρόνος Ο(n B) Μνήµη Ο(n B) Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Δυναµικός Προγραµµατισµός 10