12. Algoritminsuunnittelun perusmenetelmiä

Transkriptio

1 12. Algoritminsuunnittelun perusmenetelmiä Ei vain toteuteta tietorakenteita algoritmeilla, vaan myös tietorakenteita käytetään tyypillisesti erilaisten algoritmien yhteydessä. Kun nämä tietojenkäsittelytieteen laajat käsitealat ovat olennaisesti tekemisissä keskenään, on luonnollista tässäkin yhteydessä perehtyä hieman algoritmien tehokkaaseen suunnitteluun. Edellä käytiin läpi melko eriytyneitä menetelmiä merkkijonojen käsittelyä varten. Seuraavassa sen sijaan pohditaan sangen yleisiä algoritmin kehittämisen perusperiaatteita. Ne ovat hajota ja hallitse, dynaaminen ohjelmointi ja ahne menetelmä, joita on aiemmin käsitelty toista lukuunottamatta. Hajota ja hallitse menetelmää käsiteltiin lomituslajittelun, pikalajittelun ja pikavalinnan yhteydessä luvussa 8. Ahne menetelmä esiteltiin painotetuilla graafeilla luvussa 10. Nyt kaikkia kolmea perusperiaatetta tarkastellaan lyhyesti yleisessäkin mielessä. 12. luku 607

2 12.1. Hajota ja hallitse Hajota ja hallitse menetelmä (divide and conquer) on yleinen, rekursiota käyttävä tekniikka, jossa kokonaisuus jaetaan kulloinkin osiin ja nämä ratkaistaan rekursiivisesti. Rekursiosta palattaessa yhdistetään palautettu tulos muihin osiin ja lopulta palataan rekursiosta kokonaan pois, jolloin päädytään lopputulokseen. Hajota ja hallitse menetelmää noudattavan algoritmin suoritusajan analysoimiseksi sovelletaan rekursiorelaatiota eli yhtälöä (recurrence relation). Esitetään suoritusaika ongelman koon n funktiona T(n). Käytetään yhtälöä funktion T arvoihin nähden, kun nämä ovat kooltaan pienempiä ongelmia kuin n. Esim. lomituslajittelun algoritmissa saadaan seuraava rekursioyhtälö symbolin b ollessa vakio ja olettamalla yksinkertaistuksena, että n on 2:sen potenssi. T ( n) = b, n < 2 2T ( n / 2) + bn, n luku 608

3 Kun oletetaan arvon n olevan em. sopiva arvo, ei tarvitse käyttää sen yhteydessä lattia tai kattofunktiota; oletus ei ole kovinkaan rajoittava, sillä voitaisiinhan esim. lisätä muutama ylimääräinen valealkio käsiteltävään tietoon, jolloin saataisiiin sen kokonaismäärä halutun suuruiseksi. Lomituslajittelun tapauksessa tulee tietysti T(n) kertaluokkaan O(n log n), joka on sen suoritusaika. Tässä pohditaan kuitenkin asiaa yleisellä tasolla. Iteratiivinen korvausmenetelmä Yksi tapa ratkaista hajota ja hallitse menetelmästä juontuva rekursioyhtälö on soveltaa iteratiivista korvausta (iterative substitution). Oletetaan arvon n olevan niin suuri, että voidaan toistuvasti korvata yhtälön oikealla puolella itse rekursioyhtälöä siihen sijoittaen (arvoilla n/2, n/4, n/8 jne.). Esim. lomituslajittelulla korvaaminen tuottaa ensimmäisellä askeleella yhtälön T(n) = 2(2T(n/2 2 ) + b(n/2)) + bn = 2 2 T(n/2 2 ) + 2bn. 12. luku 609

4 Toisella askeleella eli korvauksella saadaan T(n) = 2 2 (2T(n/2 3 ) + b(n/2 2 )) + 2bn = 2 3 T(n/2 3 ) + 3bn. Jatkamalla näin voidaan todeta yleisen suljetun muodon lomituslajittelulle olevan T(n) = 2 i T(n/2 i ) + ibn. Yleisen muodon tunnistamisen lisäksi olennaista on löytää perustilanne, jossa yhtälön oikealla puolella ei enää esiinny muuttujaa n askelia on tavallaan toistettu tarpeeksi kauan, jotta tähän lopetusiteraatioon on päädytty. Lomituslajittelulla se on T(n) = b, kun n = 2 i eli i = log n, joka osoittaa, että on T(n) = bn + bn log n. 12. luku 610

5 Tämä merkitsee, että T(n) on yhtä kuin O(bn log n) eli O(n log n). Rekursiopuu Toinen tapa luonnehtia rekursioyhtälöitä on käyttää rekursiopuuta (recursion tree). Iteratiivisen korvauksen tavoin tämä tekniikka käyttää toistettua korvausta ratkaisemaan rekursioyhtälön. Se eroaa kuitenkin visuaalisena lähestymistapana algebrallisesta iteratiivisesta korvauksesta. Piirretään rekursiopuu R, joka edustaa rekursioyhtälön eri korvauksia. Jokaisella solmulla on tähän liittyvä arvo n. Lisäksi solmuun liitetään rekursioyhtälön ei rekursiivinen osa, sillä tämä vastaa hajota ja hallitse menetelmässä osaongelmien lomitukseen tarvittavaa aikaa. Koko rekursioyhtälö ratkaistaan sitten laskemalla yhteen solmuihin liittyvät arvot. Tällöin lasketaan arvot yhteen jokaisella tasolla, ja lopuksi lasketaan nämä osasummat yhteen, joka on rekursioyhtälön arvo. 12. luku 611

6 Esim Olkoon rekursioyhtälö oheinen. T ( n) = b, n < 3 3T ( n /3) + bn, n 3 Tällainen rekursioyhtälö saataisiin mm. muuttamalla lomituslajittelu sellaiseksi, jossa jaetaan lajittelematon sekvenssi kolmeen yhtä suureen osaan kahden asemesta. Tämän rekursiopuun jokaisella sisäsolmulla on kolme lasta, koska jaettiin kolmeen osaan ja näille suoritetaan rekursiiviset kutsut. Sisäsolmuihin lisätään ei rekursiivisen laskennan osuus, joka sillä hetkellä on arvo bn tasolla yhteensä. Tämä vastaa lajiteltujen lomituksen vaatimaa aikaa. Kun puun korkeus on log 3 n, niin funktion T(n) ratkaisuksi saadaan lopulta O(n log 3 n). 12. luku 612

7 Arvaa ja testaa menetelmä Monesti käyttökelpoinen on myös heurististyylinen arvaa ja testaa menetelmä (guess and test). Siinä tehdään ensiksi älykäs arvaus rekursioyhtälön suljetun muodon ratkaisuksi ja sitten osoitetaan arvaus oikeaksi tavallisesti induktiolla. Arvaus löydetään intuitiivisesti kokemuksen perusteella samankaltaisista tapauksista. Muistetaan etsittävän ylärajaa ordon eli O:n laskennassa. Niinpä voidaan arvata eräänlaisen binäärihaun avulla, jossa esitetään arvaus ja jos tämä ei tuota haluttua tulosta, esitetään edeltävää nopeammin kasvava funktio. Jos tämä on liian suuri, otetaan em. kahden välistä ehdokas jne. Tekniikka on usein tuloksellinen, koska rekursioyhtälöihin liittyvä aritmetiikka on melko yksinkertaista. Esimerkki valaissee menetelmää. 12. luku 613

8 Esim Olkoon rekursioyhtälö T(n) = 2T(n/2) + bn log n, kun perustapauksena on T(n) = b, missä n < 2. Tämä muistuttaa lomituslajittelun rekursioyhtälöä. Saatetaan näin ollen tehdä arvaus (huom. yläraja) T(n) cn log n jollekin vakiolle c 1. Oletetaan nyt, että n 2. Otetaan arvaus induktiooletukseksi, joka on tosi silloin, kun syötteen koko on pienempi kuin n. Silloin saadaan seuraava johto. 12. luku 614

9 T(n) = 2T(n/2) + bn log n 2(c(n/2) log (n/2)) + bn log n = cn(log n log 2) + bn log n = cn log n cn log 2 + bn log n. Tästä ei kuitenkaan saada millään tulosta, joka olisi pienempi tai yhtä suuri kuin cn log n jollekin n 2. Täten ensimmäinen arvaus ei ollut kelvollinen. Yritetään nopeammin kasvavaa arvausta T(n) cn log 2 n jollekin vakiolle c 1. Jälleen lähdetään liikkeelle oletuksella n 2. Otetaan arvaus induktio oletukseksi, joka on tosi, kun syöte on pienempi kuin n. 12. luku 615

10 Kun edellytetään, että on c b, saadaan seuraava johto. T(n) = 2T(n/2) + bn log n 2(c(n/2) log 2 (n/2)) + bn log n = cn(log 2 n 2 log n + 1) + bn log n = cn log 2 n 2cn log n + cn + bn log n cn log 2 n On osoitettu, että T(n) on yhtä kuin O(n log 2 n). Hallintamenetelmä Edellä esitetyt lähestymistavat on luonteeltaan erityismenetelmiä (ad hoc). Hallintamenetelmä (master method) on sitä vastoin yleinen hajota ja hallitse suunnittelumenetelmällä tuotettuja algoritmien käsittelyä varten. Siinä on ohje erilaisten rekursioyhtälöiden asymptoottisen käyttäytymisen määräämiseksi. Sitä käytetään seuraavalle rekursioyhtälölle. 12. luku 616

11 T ( n) = c, n < d at ( n / b) + f ( n), n d Tässä edellytetään, että c 1 ja d 1 ovat kokonaislukuvakioita, a 1 ja b > 1 reaalilukuvakioita sekä f(n) on reaalifunktio, joka on positiivinen arvoille n d. Tällainen voi esiintyä hajota ja hallitse menetelmää käytettäessä, kun jaetaan ongelma a osaongelmaan, kooltaan n/b, ja käsitellään nämä rekursiivisesti sekä lopuksi lomitetaan osaongelmien tulokset koko ongelman tulokseksi. Kun kaikki aiemmin kuvatut hajota ja hallitse menetelmää soveltavat tapaukset noudattavat tätä kaavaa, kyseessä on yleinen menettely. Ilman johtamisia esitetään seuraavat tulokset, jotka eroavat toisistaan siinä miten funktiota f(n) verrataan erikoisfunktioon n log b a. 1. Jos on pieni vakio ε > 0 ja f(n) on O(n log b a ε ), niin T(n) on Θ(n log b a ). 12. luku 617

12 2. Jos on vakio k 0 ja f(n) on Θ(n log b a log k n) niin T(n) on Θ(n log b a log k +1 n). 3. Jos on pienet vakiot ε > 0 ja δ < 1, f(n) on Ω(n log b a+ε ) sekä af(n/b) δf(n), n d, niin T(n) on Θ(f(n)). Ensimmäinen tapaus tarkoittaa tilannetta, jossa f(n) on polynomiaalisesti pienempi kuin erikoisfunkio n log b a. Toinen tapaus vastaa tilannetta, jossa f(n) on asymptoottisesti lähellä erikoisfunktiota. Kolmas tapaus esittää tilanteen, jossa f(n) on polynomiaalisesti suurempi kuin erikoisfunktio. Esim Tarpeelliset em. ehdot olettaen tarkastellaan rekursioyhtälöä T(n) = 4T(n/2) + n. Tässä tapauksessa on n log b a = n log 2 4 = n 2. Näin ollen kysymys on ensimmäisestä tapauksesta, sillä f(n) on O(n 2 ε ), kun ε = 1. Tällöin T(n) on hallintamenetelmän mukaan Θ(n 2 ). 12. luku 618

13 Esim Jälleen vakioiden ehdot olettaen olevan voimassa tarkastellaan rekursioyhtälöä T(n) = 2T(n/2) + n log n, joka on ratkaistavissa hallintamenetelmällä. Tällöin on n log b a = n log 2 2 = n. Tässä on toinen tapaus, kun k = 1, sillä f(n) on Θ(n log n). Tällöin T(n) on Θ(n log 2 n) Dynaaminen ohjelmointi Dynaaminen ohjelmointi (dynamic programming) on nimestään (historialliset syyt) huolimatta algoritmien suunnittelumenetelmä, joka soveltuu hajota ja hallitse menetelmän tavoin moniin erilaisiin ongelmiin. Se on tehokas. Ongelmat, jotka alunperin näyttävät (esim. täydellisen käsittelyn mielessä) eksponentiaalisilta, voivat olla ratkaistavissa dynaamisella ohjelmoinnilla polynomiaalisessa ajassa. 12. luku 619

14 Matriisien ketjutulo Ennen yleistä menetelmää tarkastellaan dynaamista ohjelmointia matriisien ketjutulon klassisen ongelman yhteydessä. Lasketaan tässä n kaksiulotteisen matriisin tulo A = A 0 A 1 A 2 A n 1, missä A i on d i d i+1 matriisi ja i = 0, 1, 2,, n 1. Kun lasketaan tavalliseen tapaan matriisitulo d e matriisilla A ja e f matriisilla B, lasketaan tulon (i,j):s alkio seuraavasti: e 1 k= 0 A[ i, k] B[ k, j] Matriisien kertolasku on assosiatiivinen, ts. B(CD) = (BC)D. Niinpä A:n lauseke voidaan ympäröidä sulkein eri tavoin ja silti päätyä samaan lopputulokseen. Sulkeiden eri järjestyksillä ei ole kuitenkaan samaa määrää alkeisoperaatioita (alkioiden kertomisia ja välitulosten yhteenlaskuja), kuten esimerkistä havaitaan. 12. luku 620

15 Esim Olkoot B 2 10 matriisi, C matriisi ja D matriisi. Laskien B(CD) tarvitaan = kertolaskua, kun taas laskien (BC)D tarvitaan = 3000 kertolaskua. Matriisien ketjutulon (matrix chain product) ongelmana on määrätä sovelias sulkeiden järjestys, joka minimoi tarvittavien skalaarikertomisten määrän. Yksinkertaista olisi luetella kaikki mahdolliset järjestykset, määrätä kertomisten määrät ja valita paras. Valitettavasti ratkaisu ei ole yleensä käyttökelpoinen, sillä eri järjestyksiä on eksponentiaalinen lukumäärä matriisien lukumäärän n suhteen. Täten tämä suorasukainen (raa an voiman) algoritmi ei tule kysymykseen. Suorituskykyä voidaan huomattavasti parantaa yo. lähtökohdasta. Ongelma jaetaan osaongelmiin (subproblems). Nyt määritellään sellaiseksi tilanne, että on laskettava paras sulkeiden järjestys lausekkeelle A i A i+1 A j. Viitatkoon N i,j kertomisten minimimäärään tämän osaongelman tapauksessa. 12. luku 621

16 Osaongelmille voidaan sitten esittää optimaalinen ratkaisu. Tätä ominaisuutta kutsutaan osaongelmaoptimaalisuusehdoksi (subproblem optimality condition). Siis lausekkeen A i A i+1 A j sulkeiden järjestyksen on oltava jokin muoto (A i A k )(A k+1 A j ), jossa k {i, i+1,, j 1}. Se on ratkaistava optimaalisesti, sillä jos ei olisi näin, pitäisi olla globaali koko ongelman ratkaisu, jossa tämä ongelma olisi ratkaistu alioptimaalisesti. Tämä on kuitenkin mahdotonta, sillä silloin seuraisi ristiriita, koska tällöin voitaisiin alioptimaalinen osaongelma redusoida optimaaliseksi, mikä redusoisi globaalia optimia. Nyt voidaan laskea seuraava minimointi: N i, j = j+ i k< j min{ Ni, k + Nk + 1, j + didk + 1d 1}, missä N i,i = 0, koska yksittäisen matriisin lausekkeen yhteydessä ei tarvita mitään laskentaa 12. luku 622

17 Ei kannata jakaa kokonaisuutta täysin riippumattomiin osaongelmiin. Käytetään tapauksen N i,i yhtälöä ja samoin N i+1,i+1 (laskettu ennen seuraavaksi mainittavaa) tehokkaasti ylhäältä alas menetelmällä tapauksen N i,i+1 laskennassa. Talletetaan vaiheittain välitulokset, joita sitten hyödynnetään jatkossa. Kun on laskettu N i,i+1, pystytään laskemaan N i,i+2 jne. Saadaan näin yleisesti N i,j. Viimein saavutetaan N 0,n 1, joka on etsittävä loppuarvo. Dynaamisen ohjelmoinnin ketjutulon algoritmi on koodina Algoritmissa on kolme sisäkkäistä silmukkaa, mistä nähdään seuraavan lauseen väite, kun silmukoita suoritetaan enintään n kertaa. Lause Ketjutulon sulkujen optimaalinen järjestys (skalaarikertomisten minimimäärä) n kaksiulotteisella matriisilla on laskettavissa ajassa O(n 3 ). 12. luku 623

18 Algorithm Matrixchain(d 0,, d n ): Input: jono d 0,, d n kokonaislukuja Output: minimimäärä kertomisia N i,j, joka tarvitaan matriisitulon laskemista varten for i 0 to n 1 do N i,i 0 for b 1 to n 1 do for i 0 to n b 1 do j i + b N i,j + for k i to j 1 do N i,j min{n i,j, N i,k + N k+1,j + d i d k+1 d j+1 } Koodi Dynaamisen ohjelmoinnin algoritmi matriisien ketjutuloa varten. 12. luku 624

19 Yleinen tekniikka Dynaamista ohjelmointia sovelletaan pääasiassa optimointiongelmissa (optimization), joissa halutaan löytää paras tapa tehdä jotakin. Toiminta sisältää kolme osiota: Yksinkertaiset osaongelmat: Kokonaisongelma on jotenkin jaettava osiin. Osaongelmien optimointi: Koko ongelman globaali optimi saadaan yhdistämällä osaongelmien optimaaliset ratkaisut. Osaongelmien päällekkäisyys: Toisistaan riippumattomien osaongelmien ratkaisut voivat sisältää puolestaan yhteisiä osia, mitä voidaan hyödyntää. 12. luku 625

20 12.3. Ahne menetelmä Ahnetta menetelmää (greedy method) on tarkastelu jo graafien yhteydessä luvussa 10. Nyt esitetään ahneen valinnan (greedy choice) ominaisuus. Ahneen valinnan ominaisuus Dynaamisen ohjelmoinnin kaltaisesti ahnetta menetelmää sovelletaan optimointiongelmiin. Edetään valintajonossa, joka alkaa jostakin tunnetusta aloitusehdosta ja tekee sitten iteratiivisesti valinnanmahdollisuuksien joukosta parhaalta näyttävän päätöksen. Tämä ei aina johda koko ongelman kannalta optimaaliseen ratkaisuun, mutta tavallisesti ainakin melkein parhaaseen. Monien ongelmien kohdalla tämä toimii optimaalisesti, ja sillloin puhutaan ahneen valinnan ominaisuudesta, missä globaali optimi saadaan valitsemalla toistuvasti lokaaleja optimeja. 12. luku 626

21 Käsitellään lopuksi merkkijonon tiivistyksessä (pakkauksessa) käytettävää ahnetta menetelmää. Tässä on jonkin aakkoston mukaan luotuja merkkijonoja X = x 1 x 2... x n. Halutaan koodata X tehokkaasti lyhyiksi bittijonoiksi Y. Sovelletaan Huffman koodia (Huffman code). Tavanomaiset koodit käyttävät vakiopituisia bittijonoja merkkien koodauksessa, esim. ASCII 7 bittiä ja Unicode 16 bittiä. Huffman koodissa on sitä vastoin vaihtelevanmittaisia bittijonoja. Optimointi perustuu merkkien esiintymisfrekvensseihin, missä on jokaisella merkillä c frekvenssi f(c) sen mukaan, miten usein c esiintyy merkkijonossa X. Huffman koodi säästää tilaa vakiomittaisiin verrattuna käyttäessään usein esiintyville merkeille lyhyitä koodeja ja harvinaisille edellisiä pidempiä koodeja. Merkkijonon X koodaamiseksi muutetaan sen jokainen merkki vakiomittaisesta vaihtelevanmittaiseksi ja katenoidaan nämä peräkkäin Y:ksi. Lisäksi on talletettava koodit taulukkoon, jotta koodatun merkkijonon purkaminen on mahdollista. Jotta koodaamisessa säilytetään koodien yksikäsitteisyys, vaaditaan, ettei mikään koodi saa olla toisen etuliite (prefix) (kuva 12.1.). rajoituksesta huolimatta säästöt vakiomittaiseen koodaukseen voivat olla huomattavat. 12. luku 627

22 46 merkki frekvenssi a b d e f h i k n o r s t u v (a) a r e d 3 5 b 2 h 1 1 f 7 8 n t 2 (b) i k o s Kuva Esimerkki Huffman koodista, kun X = a fast runner need never be afraid of the dark : (a) merkkien frekvenssit ja (b) X:n Huffman puu, josta koodit saadaan merkitsemällä kulku vasemmalle 0:ksi ja oikealle 1:ksi. Esim. merkin a koodi on luku u v

23 Kuvassa konstruoitu puu käsittää koodit kaikille tekstissä olleille merkeille. Puun jokainen vasen kaari vastaa bittiä 0 ja jokainen oikea bittiä 1 koodauksesssa. Esim. merkki s on nyt koodattu arvoksi , joka on pidempi kuin useammin esiintyvän merkin r koodi 011. Huomattakoon myös etuliiteominaisuuden paikkansapitävyys. Lehdissä ovat merkit frekvensseineen. Sisäsolmuissa arvoina ovat lasten frekvenssiarvojen summat. Koodiesitys on eräin rajoituksin optimaalinen, ts. keskimäärin ottaen tämän lyhyempiä koodeja ei kyseisillä frekvenseillä näille merkeille voi saada. Algoritmin pseudokoodiesitys on koodina Siitä todetaan lyhyesti, että optimaalinen etuliitekoodi on laskettavissa n merkin merkkijonolle ajassa O(n log n). 12. luku 629

24 Algorithm Huffman(X): Input: n merkin merkkijono X Output: X:n koodipuu lasketaan X:n jokaisen merkin c frekvenssi f(c) alustetaan prioriteettijono Q for X:n jokaiselle merkille do luodaan yhden solmun puu T, jossa on c lisätään T prioriteettijonoon Q avaimella f(c) while Q.size()>1 do f 1 Q.minKey() T 1 Q.removeMinElement() f 2 Q.minKey() T 2 Q.removeMinElement() luodaan uusi puu T, jossa on T 1 vasempana alipuuna ja T 2 oikeana alipuuna lisätään T prioriteettijonoon Q avaimella f 1 + f 2 return puu Q.removeMinElement() Koodi Huffman algoritmi. 12. luku 630