Tietorakenteet, laskuharjoitus 10, ratkaisuja. 1. (a) Seuraava algoritmi tutkii, onko jokin luku taulukossa monta kertaa:

Transkriptio

1 Tietorakenteet, laskuharjoitus 10, ratkaisuja 1. (a) Seuraava algoritmi tutkii, onko jokin luku taulukossa monta kertaa: SamaLuku(T ) 2 for i = 1 to T.length 1 3 if T [i] = = T [i + 1] 4 return True 5 return False Algoritmi järjestää ensin taulukon, minkä jälkeen mahdolliset toistuvat luvut ovat peräkkäin. Algoritmin aikavaativuus on O(n log n), koska taulukon järjestäminen on algoritmin työläin vaihe. (b) Seuraava algoritmi etsii taulukon useimmiten esiintyvän luvun: YleisinLuku(T ) 2 yluku = luku = T [1] 3 ymaara = maara = 1 4 for i = 2 to T.length 5 if T [i] = = luku 6 maara = maara else 8 luku = T [i] 9 maara = 1 10 if maara > ymaara 11 yluku = luku 12 ymaara = maara 13 return yluku Algoritmi järjestää ensin taulukon, minkä jälkeen luvut ovat ryhmissä niiden suuruuden mukaan. Algoritmin aikavaativuus on O(n log n), koska taulukon järjestäminen on algoritmin työläin vaihe. (c) Seuraava algoritmi etsii taulukosta luvut, joiden ero on pienin: PieninEro(T ) 2 pienin = T [2] T [1] 3 for i = 2 to T.length 1 4 if T [i + 1] T [i] < pienin 5 pienin = T [i + 1] T [i] 6 return pienin 1

2 Algoritmi järjestää taulukon, minkä jälkeen luvut, joiden ero on pienin, ovat peräkkäin. Algoritmin aikavaativuus on O(n log n), koska taulukon järjestäminen on algoritmin työläin vaihe. 2. Seuraava algoritmi tutkii, onko kahden taulukon luvun summa k: KahdenSumma(T, k) 2 alku = 1 3 loppu = T.length 4 while alku < loppu 5 if T [alku] + T [loppu] = = k 6 return True 7 if T [alku] + T [loppu] < k 8 alku = alku else 10 loppu = loppu 1 11 return False Algoritmi järjestää ensin taulukon ja yrittää sitten muodostaa summaa k. Algoritmi käy taulukon lukujen pareja läpi alusta ja lopusta kahden muuttujan avulla. Joka vaiheessa jos lukujen summa on liian pieni, algoritmi siirtää ensimmäistä kohtaa alku oikealle, ja jos lukujen summa on liian suuri, algoritmi siirtää toista kohtaa loppu vasemmalle. Algoritmin aikavaativuus on O(n log n), koska taulukon järjestäminen on algoritmin työläin vaihe. Seuraava algoritmi tutkii, onko kolmen taulukon luvun summa k: KolmenSumma(T, k) 2 for pohja = 1 to T.length 2 3 alku = pohja loppu = T.length 5 while alku < loppu 6 if T [pohja] + T [alku] + T [loppu] = = k 7 return True 8 if T [pohja] + T [alku] + T [loppu] < k 9 alku = alku else 11 loppu = loppu 1 12 return False Algoritmi valitsee muuttujaan pohja ensimmäisen summaan kuuluvan luvun. Tämän jälkeen algoritmin toiminta vastaa kahden luvun summan hakua jäl- 2

3 jellä olevasta taulukon osasta. Nyt algoritmin työläin vaihe on sen loppuosa: muuttuja pohja saa O(n) eri arvoa ja kahden muun luvun etsiminen vie aikaa O(n), joten aikaa kuluu yhteensä O(n 2 ). Seuraava algoritmi tutkii, onko neljän taulukon luvun summa k: NeljanSumma(T, k) 2 for i = 1 to T.length 3 for j = i + 1 to T.length 4 lisää kolmikko (T [i] + T [j], i, j) taulukkoon T 5 järjestä taulukko T / kolmikoiden ensimmäisen eroavan luvun mukaan 6 alku = 1 7 loppu = T.length 8 while alku < loppu 9 if T [alku][1] + T [loppu][1] = = k 10 if T [alku][3] < T [loppu][2] 11 return True 12 else 13 alku = alku loppu = loppu 1 15 if T [alku][1] + T [loppu][1] < k 16 alku = alku else 18 loppu = loppu 1 19 return False Algoritmi muodostaa taulukon T, joka sisältää kaikki taulukon T erilliset lukuparit sekä niitä vastaavien lukujen indeksit. Tämän jälkeen algoritmi etsii lukuparien pareja, joiden summa on k. Algoritmi hyväksyy lukuparien parin vain, jos ensimmäisen parin toisen luvun indeksi tulee ennen toisen parin ensimmäisen luvun indeksiä. Taulukko T sisältää O(n 2 ) alkiota, joten sen järjestäminen vie aikaa O(n 2 log(n 2 )) eli O(n 2 log n). Seuraavassa esimerkissä taulukossa T on 5 lukua ja taulukossa T on 10 lukuparia. Jos k = 16, algoritmi löytää taulukon T luvut 2, 4, 4 ja 6, koska taulukossa T ovat lukuparit 6,1,3 ja 10,4,5 (summa ja T :n indeksit). T T 5,1,2 6,1,3 6,1,4 7,2,3 7,2,4 8,1,5 8,3,4 9,2,5 10,3,5 10,4,5 3

4 3. Edellisviikon algoritmien lisäksi toteutettiin pika- ja lomitusjärjestäminen sekä käärittiin Javan Arrays.sort mittauskehykselle sopivaan muotoon. Ohjelmakoodit ovat omissa Java-tiedostoissaan. Ohessa on mittaustulokset järjestettäessä ensin satunnaisessa ja sitten käänteisessä järjestyksessä oleva taulukko. n heap b_radix s_radix quick merge arrays insert n heap b_radix s_radix quick merge arrays insert Itse toteutettu pikajärjestäminen optiomoitiin valitsemalla jakoalkioksi aina mediaani kolmesta luvusta. Tämä johtaa lähes optimaaliseen suoritukseen myös käänteisessä järjestyksessä olevilla taulukoilla. Javan oma taulukkojen järjestämiseen tarkoitettu Arrays.sort osoittautui myös melko nopeaksi. Tuloksissa esiintyvät kantalukujärjestäminen (engl. Radix sort) pärjäsivät hyvin ja osoittautuivat ylivoimaisiksi satunnaisen järjestyksen tapauksessa. 4. Seuraava algoritmi sekoittaa taulukon: Sekoitus(T ) 1 for i = T.length downto 2 2 s = Random(1, i) 3 vaihda T [s] ja T [i] 4

5 Algoritmi käy taulukon läpi lopusta alkuun ja vaihtaa joka vaiheessa keskenään satunnaisen alkion taulukon alkuosasta sekä käsiteltävän alkion. Seuraavassa on esimerkki algoritmin suorituksesta, kun sekoitettava taulukko sisältää aluksi luvut järjestyksessä: lähtötilanne arvonta lopputulos Random(1, 5) = Random(1, 4) = Random(1, 3) = Random(1, 2) = Algoritmi käy taulukon kerran läpi, joten sen aikavaativuus on O(n), ja vaatii vain vakiomäärän lisätilaa, joten sen tilavaativuus on O(1). Kaikki järjestykset ovat yhtä todennäköisiä, koska aluksi jokaisella alkiolla on yhtä suuri todennäköisyys päätyä taulukon viimeiseksi alkioksi, minkä jälkeen jäljelle jää yhtä alkiota pienempi taulukko, johon soveltuu sama päättely. Jos tarkasteltava alkio vaihdettaisiin aina minkä tahansa alkion kanssa, niin alussa käsiteltävillä alkioilla olisi muita alkioita suurempi todennäköisyys tulla käsitellyksi useaan kertaan. 5. Seuraava algoritmi muodostaa verkon transpoosin: Transpoosi(G) 1 for jokaiselle solmulle u V 2 for jokaiselle solmulle v Adj[u] 3 lisää u listaan Adj T [v] 4 return Ajd T Algoritmi käy läpi kaikkien solmujen vieruslistat ja muodostaa uudet vieruslistat käänteisistä kaarista. Algoritmin aikavaativuus on O( V + E ), koska se käy läpi kerran kaikki solmut ja kaikki kaaret. 5