Πρόβληµα (ADT) Λεξικού. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 2

Transcript

1 Πρόβληµα (ADT) Λεξικού Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 2

2 Πρόβληµα (ADT) Λεξικού Δυναµικά µεταβαλλόµενη συλλογή αντικειµένων που αναγνωρίζονται µε κλειδί (π.χ. κατάλογοι, πίνακες ΒΔ). Λεξικό : συλλογή αντικειµένων µε µοναδικό κλειδί. Κλειδί: αριθµός ή τύπος δεδοµένων µε ολική διάταξη. Γενίκευση και για µη-µοναδικά κλειδιά. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 2

3 Πρόβληµα (ADT) Λεξικού Δυναµικά µεταβαλλόµενη συλλογή αντικειµένων που αναγνωρίζονται µε κλειδί (π.χ. κατάλογοι, πίνακες ΒΔ). Λεξικό : συλλογή αντικειµένων µε µοναδικό κλειδί. Κλειδί: αριθµός ή τύπος δεδοµένων µε ολική διάταξη. Γενίκευση και για µη-µοναδικά κλειδιά. ADT λεξικού υποστηρίζει ακολουθίες λειτουργιών: Αναζήτηση στοιχείου µε κλειδί x member(x): ελέγχει ύπαρξη στοιχείου µε κλειδί x search(x): επιστρέψει δείκτη σε θέσεις x Εισαγωγή στοιχείου µε κλειδί x Διαγραφή στοιχείου µε κλειδί x Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 2

4 Λειτουργίες Λεξικού Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 3

5 Λειτουργίες Λεξικού Λεξικό υποστηρίζει λειτουργίες: Αναζήτηση/εισαγωγή/διαγραφή στοιχείου µε κλειδί x Εκτύπωση στοιχείων σε αύξουσα / φθίνουσα σειρά Προηγούµενο και επόµενο στοιχείο. Μέγιστο και ελάχιστο στοιχείο. k-οστό µικρότερο στοιχείο Βοηθητικές λειτουργίες... Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 3

6 Υλοποιήσεις Λεξικού Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 4

7 Υλοποιήσεις Λεξικού Μη-ταξινοµηµένη διασυνδεδεµένη λίστα: Εισαγωγή: Ο(1) Αναζήτηση / διαγραφή: Ο(n) Κατάλληλη όταν συχνές εισαγωγές, σπάνιες αναζητήσεις / µεµονωµένες διαγραφές (π.χ. log file). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 4

8 Υλοποιήσεις Λεξικού Μη-ταξινοµηµένη διασυνδεδεµένη λίστα: Εισαγωγή: Ο(1) Αναζήτηση / διαγραφή: Ο(n) Κατάλληλη όταν συχνές εισαγωγές, σπάνιες αναζητήσεις / µεµονωµένες διαγραφές (π.χ. log file). Ταξινοµηµένος πίνακας: (Δυαδική) αναζήτηση: Ο(log n) Στατική συλλογή : «εισαγωγή» Ο(log n) / στοιχείο Χρόνος ταξινόµησης : Ο(n log n) Δυναµική συλλογή : εισαγωγή / διαγραφή Ο(n) Κατάλληλη όταν συχνές αναζητήσεις και δεδοµένα µεταβάλλονται σπάνια (π.χ. αγγλο-ελληνικό λεξικό). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 4

9 Υλοποιήσεις Λεξικού Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 5

10 Υλοποιήσεις Λεξικού Ζυγισµένο (Δυαδικό) Δέντρο Αναζήτησης: Αναζήτηση / εισαγωγή / διαγραφή: Ο(log n) Μέγιστο / ελάχιστο / προηγούµενο / επόµενο / k-οστό: Ο(log n) Range queries σε γραµµικό χρόνο. Πλήρως δυναµική επιπλέον χώρος για δείκτες! Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 5

11 Υλοποιήσεις Λεξικού Ζυγισµένο (Δυαδικό) Δέντρο Αναζήτησης: Αναζήτηση / εισαγωγή / διαγραφή: Ο(log n) Μέγιστο / ελάχιστο / προηγούµενο / επόµενο / k-οστό: Ο(log n) Range queries σε γραµµικό χρόνο. Πλήρως δυναµική επιπλέον χώρος για δείκτες! Πίνακας Κατακερµατισµού (hashing): Αναζήτηση / διαγραφή : Ο(1) Εισαγωγή : Ο(1) expected amortized, Ο(log n), O(n) χ.π. Δεν υποστηρίζει αποδοτικά άλλες λειτουργίες. Δυναµική επιπλέον χώρος στον πίνακα (util 50%) Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 5

12 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Λεξικό, Union - Find 6

13 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

14 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

15 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

16 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

17 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

18 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

19 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

20 Διαχείριση Διαµερίσεων Συνόλου Στοιχεία σύµπαντος διαµερίζονται σε κλάσεις ισοδυναµίας που µεταβάλλονται δυναµικά µε ένωση. Λειτουργίες: Εύρεση find(x): αντιπρόσωπο κλάσης όπου ανήκει x. Ένωση union(x, y): ένωση κλάσεων όπου ανήκουν x και y. Λεξικό, Union - Find 6

21 Πρόβληµα Union Find Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 7

22 Πρόβληµα Union Find Στοιχεία U = {1, 2,, n} αρχικά σε n κλάσεις. Κάθε κλάση προσδιορίζεται από στοιχείο αντιπρόσωπο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 7

23 Πρόβληµα Union Find Στοιχεία U = {1, 2,, n} αρχικά σε n κλάσεις. Κάθε κλάση προσδιορίζεται από στοιχείο αντιπρόσωπο. find(x): αντιπρόσωπος κλάσης όπου ανήκει x. Διατηρούµε µοναδικό αντιπρόσωπο για κάθε κλάση. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 7

24 Πρόβληµα Union Find Στοιχεία U = {1, 2,, n} αρχικά σε n κλάσεις. Κάθε κλάση προσδιορίζεται από στοιχείο αντιπρόσωπο. find(x): αντιπρόσωπος κλάσης όπου ανήκει x. Διατηρούµε µοναδικό αντιπρόσωπο για κάθε κλάση. union(x, y): αντικατάσταση (αντιπροσώπων) κλάσεων x και y µε κλάση που προκύπτει από ένωση. Ελέγχουµε αν x και y ανήκουν σε διαφορετική κλάση. Νέος αντιπρόσωπος από τους αντιπροσώπους κλάσεων x, y Πάντα διαµέριση του U σε κλάσεις. n 1 ενώσεις (µετά από n 1, µία µόνο κλάση). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 7

25 Πρόβληµα Union Find Στοιχεία U = {1, 2,, n} αρχικά σε n κλάσεις. Κάθε κλάση προσδιορίζεται από στοιχείο αντιπρόσωπο. find(x): αντιπρόσωπος κλάσης όπου ανήκει x. Διατηρούµε µοναδικό αντιπρόσωπο για κάθε κλάση. union(x, y): αντικατάσταση (αντιπροσώπων) κλάσεων x και y µε κλάση που προκύπτει από ένωση. Ελέγχουµε αν x και y ανήκουν σε διαφορετική κλάση. Νέος αντιπρόσωπος από τους αντιπροσώπους κλάσεων x, y Πάντα διαµέριση του U σε κλάσεις. n 1 ενώσεις (µετά από n 1, µία µόνο κλάση). Δοµή δεδοµένων που ελαχιστοποιεί συνολικό χρόνο για ακολουθία m ευρέσεων και n 1 ενώσεων. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 7

26 Αναπαράσταση Δέντρου & Δάσους Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 8

27 Αναπαράσταση Δέντρου & Δάσους Πίνακας γονέων Α[1...n] για δέντρο µε ρίζα και n κόµβους: Α[i] = j ανν j πατέρας του i στο δέντρο. Α[ρίζας] = ρίζα (ή -1). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 8

28 Αναπαράσταση Δέντρου & Δάσους Πίνακας γονέων Α[1...n] για δέντρο µε ρίζα και n κόµβους: Α[i] = j ανν j πατέρας του i στο δέντρο. Α[ρίζας] = ρίζα (ή -1). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 8

29 Αναπαράσταση Δέντρου & Δάσους Πίνακας γονέων Α[1...n] για δέντρο µε ρίζα και n κόµβους: Α[i] = j ανν j πατέρας του i στο δέντρο. Α[ρίζας] = ρίζα (ή -1). Όµοια για δάσος όπου κάθε δέντρο έχει ρίζα. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 8

30 Αναπαράσταση Δέντρου & Δάσους Πίνακας γονέων Α[1...n] για δέντρο µε ρίζα και n κόµβους: Α[i] = j ανν j πατέρας του i στο δέντρο. Α[ρίζας] = ρίζα (ή -1). Όµοια για δάσος όπου κάθε δέντρο έχει ρίζα. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 8

31 Αναπαράσταση µε Δέντρα Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011)

32 Αναπαράσταση µε Δέντρα Κλάση: δέντρο µε ρίζα το στοιχείο-αντιπρόσωπο. Όνοµα ρίζας. Μέγεθος κλάσης. Στοιχείο: κόµβος δέντρου µε πεδία Όνοµα στοιχείου. Όνοµα γονέα: όνοµα προηγούµενου στοιχείου στο µονοπάτι προς τη ρίζα-αντιπρόσωπο. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011)

33 Αναπαράσταση µε Δέντρα Κλάση: δέντρο µε ρίζα το στοιχείο-αντιπρόσωπο. Όνοµα ρίζας. Μέγεθος κλάσης. Στοιχείο: κόµβος δέντρου µε πεδία Όνοµα στοιχείου. Όνοµα γονέα: όνοµα προηγούµενου στοιχείου στο µονοπάτι προς τη ρίζα-αντιπρόσωπο. Αναπαράσταση µε πίνακα γονέων: A[x] : γονέας στοιχείου x. Ρίζα στοιχείο αντιπρόσωπος έχει Α[x] = x και επιπλέον πεδίο size. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011)

34 Αναπαράσταση µε Δέντρα Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 10

35 Αναπαράσταση µε Δέντρα find(x): ακολουθούµε δείκτες σε γονέα µέχρι τη ρίζα. elem find(elem x) { while (x!= A[x]) x = A[x]; return(x); } Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 10

36 Αναπαράσταση µε Δέντρα find(x): ακολουθούµε δείκτες σε γονέα µέχρι τη ρίζα. elem find(elem x) { while (x!= A[x]) x = A[x]; return(x); } union(x, y): x και y αντιπρόσωποι διαφορετικών συνόλων Συνένωση δέντρων: ρίζα 1 ου συν. γίνεται γονέας ρίζας 2 ου συν. Ενηµέρωση µεγέθους Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 10

37 Ένωση Λεξικό, Union - Find 11

38 Ένωση Λεξικό, Union - Find 11

39 Ένωση uniontree(elem x, elem y) { if (x == y) return; A[y] = x; A[x].size += A[y].size; } Λεξικό, Union - Find 11

40 Απόδοση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 12

41 Απόδοση Χρόνος χ.π. για m finds και n unions: O(m n + n) Union : Ο(1) χρόνος. Find : Ο(ύψος δέντρου) Χειρότερη περίπτωση: ύψος = n 1 union(n-1, n), union(n-2, n-1), union(n-3, n-2), union(n-4, n-3),, union(3, 2), union(1, 2). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 12

42 Απόδοση Χρόνος χ.π. για m finds και n unions: O(m n + n) Union : Ο(1) χρόνος. Find : Ο(ύψος δέντρου) Χειρότερη περίπτωση: ύψος = n 1 union(n-1, n), union(n-2, n-1), union(n-3, n-2), union(n-4, n-3),, union(3, 2), union(1, 2). Απλή δοµή, εύκολη υλοποίηση, αλλά ακριβό find! Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 12

43 Βεβαρυµένη Ένωση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

44 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

45 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Απόδειξη µε επαγωγή: Ισχύει για h = 0 (δέντρο ενός στοιχείου). Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

46 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Απόδειξη µε επαγωγή: Ισχύει για h = 0 (δέντρο ενός στοιχείου). Ένωση δέντρων x και y µε ύψη h x, h y, και στοιχεία s x s y Επαγωγικά, υποθέτουµε s 2 h (για x και y) Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

47 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Απόδειξη µε επαγωγή: Ισχύει για h = 0 (δέντρο ενός στοιχείου). Ένωση δέντρων x και y µε ύψη h x, h y, και στοιχεία s x s y Επαγωγικά, υποθέτουµε s 2 h (για x και y) Ύψος ένωσης = h x : στοιχεία ένωσης 2 ύψος Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

48 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Απόδειξη µε επαγωγή: Ισχύει για h = 0 (δέντρο ενός στοιχείου). Ένωση δέντρων x και y µε ύψη h x, h y, και στοιχεία s x s y Επαγωγικά, υποθέτουµε s 2 h (για x και y) Ύψος ένωσης = h x : στοιχεία ένωσης 2 ύψος Ύψος ένωσης = h y + 1 : στοιχεία ένωσης 2 s y 2ύψος Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

49 Βεβαρυµένη Ένωση «Δεύτερο» σύνολο αυτό µε τα λιγότερα στοιχεία. Λογαριθµικό ύψος δέντρου : Ο(log n). Βεβαρυµένη ένωση: δέντρο ύψους h έχει 2 h στοιχεία. Απόδειξη µε επαγωγή: Ισχύει για h = 0 (δέντρο ενός στοιχείου). Ένωση δέντρων x και y µε ύψη h x, h y, και στοιχεία s x s y Επαγωγικά, υποθέτουµε s 2 h (για x και y) Ύψος ένωσης = h x : στοιχεία ένωσης 2 ύψος Ύψος ένωσης = h y + 1 : στοιχεία ένωσης 2 s y 2ύψος Χρόνος χ.π. για m finds και n unions: O(m log n + n) Απλή υλοποίηση και αποδεκτή απόδοση. Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 13

50 Σύµπτυξη Μονοπατιών Λεξικό, Union - Find 14

51 Σύµπτυξη Μονοπατιών Find ακριβό γιατί στοιχεία µακριά από ρίζα. Σύµπτυξη µονοπατιού όταν find(x): Όλοι οι πρόγονοι του x (και το x) γίνονται παιδιά ρίζας. Δέντρο «κονταίνει» (όχι επιβάρυνση ασυµπτωτικού χρόνου). Στο µέλλον, θα βρίσκουµε σύνολο των στοιχείων γρήγορα. Λεξικό, Union - Find 14

52 Σύµπτυξη Μονοπατιών Λεξικό, Union - Find 15

53 Σύµπτυξη Μονοπατιών elem findtreepathcompression(elem x) { if (x!= A[x]) A[x] = findtreepathcompression(a[x]); return(a[x]); } Ανεβαίνουµε µέχρι ρίζα. Επιστρέφοντας µέχρι x, όλοι οι δείκτες γονεων τίθενται να δείχνουν στη ρίζα. Λεξικό, Union - Find 15

54 Απόδοση Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 16

55 Απόδοση Δέντρα, βεβαρυµένη ένωση, και σύµπτυξη µονοπατιών. Χρόνος χ.π. για m n finds και n unions: O(m α(n, m)) α(n, m): αντίστροφη συνάρτηση Ackermann. Μεγαλώνει εξαιρετικά αργά! Στην πράξη, µπορεί να θεωρηθεί σταθερά. Απλή δοµή, εύκολη υλοποίηση, και ουσιαστικά γραµµικός χρόνος! Αλγόριθµοι & Πολυπλοκότητα (Χειµώνας 2011) Λεξικό, Union - Find 16