Lezione 3

Teoria degli algoritmi e della
computabilità
Terza giornata: Ricerca e ordinamento
ottimi. P vs NP, algoritmi di approssimazione,
e il potere della randomizzazione
Guido Proietti
Email: [email protected]
URL: www.di.univaq.it/~proietti/index_personal
1
Correzione esercizio:
Il problema della ricerca
Un primo algoritmo è quello di ricerca sequenziale (o
esaustiva), che gestisce l’insieme di numeri come una
lista L non ordinata
Contiamo il numero di confronti (operazione dominante):
Tbest(n) = 1
x è in prima posizione
Tworst(n) = n
xL oppure è in ultima posizione
2
Algoritmo di ricerca binaria
Se ipotizzassimo che la sequenza di numeri fosse un array L
ordinato, potremmo progettare un algoritmo più efficiente:
Confronta x con l’elemento centrale di L e prosegue nella
metà sinistra o destra in base all’esito del confronto
3
Esempi su un array di 9 elementi
Cerca 2
Cerca 1
Cerca 9
Cerca 3
3<4 quindi a e b
si invertono
4
Analisi dell’algoritmo di ricerca binaria
Contiamo i confronti eseguiti nell’istruzione 3 (operazione dominante):
Tbest(n) = 1
l’elemento centrale è uguale a x
Tworst(n) = Θ(log n) xL
Infatti, poiché la dimensione del sotto-array su cui si procede
si dimezza dopo ogni confronto, dopo l’i-esimo confronto il
sottoarray di interesse ha dimensione n/2i. Quindi, dopo
i=log n +1 confronti, si arriva ad avere a>b.
5
Un algoritmo di ordinamento ottimo: il
MergeSort (John von Neumann, 1945)
• Problema dell’ordinamento:
– Lower bound - (n log n) albero di decisione
– Upper bound – O(n2)
IS,SS
• Proviamo a costruire un algoritmo ottimo, usando
la tecnica del divide et impera:
1 Divide: dividi l’array a metà
2 Risolvi il sottoproblema ricorsivamente
3 Impera: fondi le due sottosequenze ordinate
6
Esempio di esecuzione
7
7 2 4 5 3 1 5 6
input
1 2 3 4 5 5 6 7
output
7 2 4 5
3 1 5 6
2 4 5 7
1 3 5 6
7 2
4 5
3 1
5 6
2 7
4 5
1 3
5 6
Input ed
output delle
chiamate
ricorsive
7
2
4
5
3
1
5
6
7
2
4
5
3
1
5
6
Fusione di sequenze ordinate (passo di impera)
• Due array ordinati A e B possono essere fusi
rapidamente:
– estrai ripetutamente il minimo di A e B e copialo
nell’array di output, finché A oppure B non
diventa vuoto
– copia gli elementi dell’array non ancora
completamente svuotato alla fine dell’array di
output
Notazione: dato un array A e due indici x  y, denotiamo con
A[x;y] la porzione di A costituita da A[x], A[x+1],…,A[y]
8
Algoritmo di fusione di sequenze ordinate
Merge (A, i1, f1, f2)
1.
Sia X un array ausiliario di lunghezza f2-i1+1
2.
i=1
3.
i2=f1+1
4.
while (i1 f1 e i2  f2) do
5.
if (A[i1]  A[i2])
6.
then X[i]=A[i1]
7.
8.
9.
incrementa i e i1
else X[i]=A[i2]
incrementa i e i2
10.
if (i1<f1) then copia A[i1;f1] alla fine di X
11.
else copia A[i2;f2] alla fine di X
12.
copia X in A[i1;f2]
9
fonde A[i1;f1] e A[f1+1;f2]
output in A[i1;f2]
Osservazione: usa
l’array ausiliario X
Costo dell’algoritmo di merge
Lemma
La procedure Merge fonde due sequenze ordinate di
lunghezza n1 e n2 eseguendo al più n1+ n2 -1 confronti
Dim: Ogni confronto “consuma” un elemento di A.
Nel caso peggiore tutti gli elementi tranne l’ultimo sono
aggiunti alla sequenza X tramite un confronto.
Il numero totale di elementi è n1+ n2. Quindi il numero totale
di confronti è n1+ n2 -1.
QED
Numero di confronti: C(n=n1+ n2)=O(n1+ n2)=O(n)
(si noti che vale anche C(n)=Ω(min{n1,n2}))
Numero di operazioni (confronti + copie)? T(n)=(n1+ n2)
10
MergeSort
MergeSort (A, i, f)
1.
if (i  f) then return
2.
m = (i+f)/2
3.
MergeSort(A,i,m)
4.
MergeSort(A,m+1,f)
5.
Merge(A,i,m,f)
Ovviamente la chiamata principale è Mergesort(A,1,n)
11
Complessità del MergeSort
Si vede facilmente che il tempo di esecuzione
di MergeSort è:
T(n) = 2 T(n/2) + Θ(n) con T(1)=1, da cui:
T(n)=2(2T(n/22)+Θ(n/2))+Θ(n)=
=2(2(2T(n/23)+Θ(n/22))+Θ(n/2))+Θ(n)=…
e per k = log2n si ha n/2k = 1 e quindi
T(n)=2(2(…(2T(n/2k)+Θ(1))+…+Θ(n/22))+Θ(n/2))+Θ(n)
= 2log n·Θ(1)+2log n-1·Θ(2)+2log n-2·Θ(22)+…+ 20·Θ(n)
= n∙Θ(1)+n/2∙Θ(2)+n/4∙Θ(4)+…+1∙Θ(n) = Θ(n log n)
12
Più precisamente…
1. Nel caso peggiore, il MS esegue (n ⌈log n⌉ - 2⌈log n⌉ +
1) confronti, che corrisponde ad un numero compreso
tra (n log n - n + 1) e (n log n + n + O(log n))
2. Nel caso medio, il MS esegue (n ⌈log n⌉ - 2⌈log n⌉ + 1)
– 0.2645·n confronti
3. Nel caso migliore (array già ordinato), il MS esegue
n-1 confronti; può essere ottenuto facendo un
controllo preliminare nella procedura di Merge tra
ultimo elemento della prima sequenza e primo della
seconda
13
Osservazioni finali
• Il MergeSort è un algoritmo (asintoticamente)
ottimo rispetto al numero di confronti eseguiti
nel caso peggiore
• Il MergeSort non ordina in loco, e utilizza
memoria ausiliaria (l’occupazione di memoria
finale è pari a 2n)
14
Richiamo: gerarchia delle classi
Decidibili
P (ricerca)
NP
ExpTime
(ARRESTO(k))
NP-completi (SAT)
15
Richiamo: inclusioni proprie?
• Abbiamo visto che:
P ⊑ NP ⊑ ExpTime, con P ≠ ExpTime
• In NP c’è una classe molto speciale ed importante di problemi
che sicuramente non apparterrebbero a P se fosse NP≠P: i
problemi NP-completi
• Per i problemi in P, che possono essere risolti in tempo
polinomiale su una RAM, il compito principale dell’algoritmista
è progettare algoritmi efficienti, possibilmente ottimi
• Anche per i problemi in NP vorremmo progettare algoritmi
efficienti, ma c’è un piccolo dettaglio: si congettura (in
realtà, si crede fortissimamente) che i problemi NP-completi
non ammettano algoritmi risolutivi polinomiali!
• Che fare allora?
16
P vs NP: il problema da un
milione di dollari
17
24 marzo 2000, Collège de France, Parigi
problemi del millennio
1)
risolto 2)
3)
4)
Congettura di Hodge
Congettura di Poincaré
Ipotesi di Riemann
Teoria quantistica
di Yang-Mills
5) Equazioni di
Navier-Stokes
6) P vs NP
7) Congettura di Birch
e Swinnerton-Dyerasd
Fondazione Clay mette in palio 7 premi da un
milione di dollari l’uno per la soluzione di quelli
che sono considerati i problemi matematici più
importanti del nuovo millennio
18
P vs NP: una formulazione dall’aspetto innocuo
il problema del commesso viaggiatore:
(TSP, da travelling salesman problem)
date n città e, per ogni coppia di città i, j, la distanza fra i e j
trovare un tour (un cammino ciclico) di lunghezza minima che
passa per tutte le città
Si noti come tale problema ricada tra quelli di ottimizzazione
– Richiedono di restituire la soluzione migliore (rispetto ad un prefissato
criterio) tra tutte quelle possibili. Ad esempio trovare il cammino di
lunghezza minima fra due nodi di un grafo
una domanda da $ 1.000.000:
esiste un algoritmo polinomiale che risolve il TSP?
una domanda da $ 0,01:
esiste un algoritmo che risolve il TSP?
19
P vs NP: una formulazione dall’aspetto innocuo
un semplice algoritmo per il TSP:
enumera tutti i possibili tour fra le n città, misurando la
lunghezza di ciascuno di essi e memorizzando quello più
breve via via osservato
è un algoritmo efficiente?
quanti tour possibili ci sono con n città?
#tour: (n -1)(n -2)(n -3)… 3 2 1=(n -1)!
Ad esempio, 52! fattoriale è:
80.658.175.170.943.878.571.660.636.856.403.766.975.289.505.440.883.277.824.000.000.000.000
in milionesimi di secondo è almeno 5000
miliardi di volte più dell’età dell’universo!!!
Effettivamente si può dimostrare che TSP è NP-hard, ovvero la
sua versione decisionale è NP-completa, e quindi si congettura la
non esistenza di algoritmi risolutivi polinomiali
20
Efficiente  Polinomiale?
Di certo, un algoritmo esponenziale come quello proposto per il
TSP è inefficiente. Ma un algoritmo polinomiale è sempre
efficiente? Ed uno esponenziale è sempre inefficiente?
può essere considerato efficiente un algoritmo
(polinomiale) che ha complessità (n100)?
…no!
può essere considerato inefficiente un algoritmo
(non polinomiale) che ha complessità (n1+0.0001 log n)?
…no!
…ma nella pratica la distinzione funziona!
problemi per i quali esistono algoritmi polinomiali
tendono ad avere polinomi “ragionevoli”
problemi per i quali non si conoscono algoritmi
polinomiali tendono a essere davvero difficili in
pratica
21
Crescita polinomiale vs crescita esponenziale
In effetti, la differenza fra complessità polinomiale e
non polinomiale è davvero enorme
Tempi di esecuzione di differenti algorimi per istanze di
dimensione crescente su un processore che sa eseguire un
milione di istruzioni di alto livello al secondo.
L’indicazione very long indica che il tempo di calcolo
supera 1025 anni.
22
Alcuni problemi facili
(che ammettono un algoritmo
polinomiale)
23
Premessa: i grafi
Nel 1736, il matematico Eulero, affrontò l’annoso
problema dei 7 ponti di Königsberg (Prussia):
È possibile o meno fare una passeggiata che parta da
un qualsiasi punto della città e percorra una ed una
sola volta ciascuno dei 7 ponti?
24
La modellizzazione di Eulero
Eulero affrontò il problema schematizzando
topologicamente la pianta della città, epurando così
l’istanza da insignificanti dettagli topografici:
A
A
B
D
D
B
C
C
…e così Königsberg venne rappresentata con un
insieme di 4 punti (uno per ciascuna zona della
città), opportunamente uniti da 7 linee (una per
ciascun ponte)
25
Definizione di grafo
Un grafo G=(V,E) consiste in:
- un insieme V={v1,…, vn} di vertici (o nodi);
- un insieme E={(vi,vj) | vi,vjV} di coppie
(non ordinate) di vertici, detti archi.
Esempio: Grafo di Eulero associato alla città
di Königsberg: V={A,B,C,D}, E={(A,B), (A,B),
(A,D), (B,C), (B,C), (B,D), (C,D)}
Nota: È più propriamente detto multigrafo,
in quanto contiene archi paralleli.
A
D
B
C
26
Torniamo al problema dei 7 ponti…
• Definizione: Un grafo G=(V,E) si dice percorribile (oggi si
direbbe Euleriano) se e solo se contiene un cammino (non
semplice, in generale) che passa una ed una sola volta su
ciascun arco in E.
• Teorema di Eulero: Un grafo G=(V,E) è percorribile se e solo
se è connesso ed ha tutti i nodi di grado pari, oppure se ha
esattamente due nodi di grado dispari.
• NOTA: Un grafo con tutti i nodi di grado pari può essere
percorso partendo da un qualsiasi nodo (e terminando quindi
su di esso). Invece, per percorrere un grafo avente due nodi
di grado dispari e tutti gli altri di grado pari, è necessario
partire da uno qualsiasi dei due nodi di grado dispari, e
terminare il percorso sull’altro nodo di grado dispari.
27
Soluzione al problema dei 7 ponti
 Il problema dei 7 ponti non ammette soluzione, in
quanto i 4 nodi hanno tutti grado dispari, e quindi il grafo
non è percorribile. La cosa importante da notare è che la
percorribilità può ovviamente essere stabilità
efficientemente (addirittura in tempo lineare rispetto
alla dimensione del grafo), semplicemente guardando al
grado dei nodi del grafo!
28
Un problema molto importante su grafi:
il cammino minimo tra due nodi
10
2
u
3
9
18
6
6
2
6
30
1
11
5
8
6
16
20
7
18
4
44
v
dato un grafo pesato G=(V,E) con pesi positivi sugli archi, e dati due nodi u
e v, trovare un cammino da u a v di costo minimo (che minimizza la somma
dei pesi degli archi del cammino)
Esistono soluzioni efficienti per tale problema: per esempio, l’algoritmo
di Dijkstra può essere implementato in O(m + n log n), ove m è il numero
29
di archi e n è il numero di nodi
2-colorabilità
Dato un grafo G (non diretto e non pesato) dire se è possibile colorare i
nodi di G con 2 colori in modo tale che per ogni coppia di nodi adiacenti, i
due nodi abbiano colori diversi
Esistono soluzioni efficienti per tale problema: basta verificare se il
grafo è bipartito mediante una visita in profondità del grafo, la quale
richiede tempo O(m + n)
30
Alcuni problemi molto simili a
ciclo Euleriano, cammino minimo
e 2-colorabilità ma
(sorprendentemente) difficili!
(per i quali non si conosce
nessun algoritmo polinomiale)
31
Ciclo Hamiltoniano
Dato un grafo non orientato G=(V,E) dire se G ammette un ciclo che passa
per tutti i nodi una e una sola volta
32
Cammino massimo
Dato un grafo G (non diretto e non pesato) e due nodi s e t, trovare il
cammino (semplice) più lungo fra s e t
s
s
t
t
33
3-colorabilità
Dato un grafo G (non diretto e non pesato) dire se è possibile colorare i
nodi di G con 3 colori in modo tale che per ogni coppia di nodi adiacenti, i
due nodi abbiano colori diversi
34
Algoritmi approssimati
D. Supponiamo di dover risolvere un problema NP-hard. Cosa posso fare?
R. La Teoria dice che è improbabile trovare un algoritmo che abbia tempo
polinomiale.
Dobbiamo sacrificare una delle tre caratteristiche desiderate.
Risolvere il problema all'ottimo.
Risolvere il problema in tempo polinomiale.
Risolvere istanze arbitrarie del problema.



Algoritmo di -approssimazione.
Gira in tempo polinomiale.
Risolve istanze arbitrarie del problema.
Trova soluzioni entro un rapporto  dal vero ottimo.



Sfida. E' necessario dimostrare che il valore di una soluzione è vicino
all'ottimo, senza nemmeno sapere quale sia il valore ottimo!
35
Approssimazione
•
•
•
•
Un algoritmo che restituisce una
risposta C che è “vicina” alla soluzione
ottima C* è detto un algoritmo di
approssimazione.
La “vicinanza” solitamente è misurata
dal limite del rapporto (n) che
l'algoritmo produce :
Pb di Minimizzazione: C/C* ≤ (n)
Pb di Massimizzazione: C*/C ≤ (n)
36
Esempio: VERTEX-COVER
Istanza: un grafo non diretto G=(V,E).
Problema: trovare un insieme CV di taglia
minima tale che per ogni (u,v)E, o uC
oppure vC.
Esempio:
37
Un algoritmo di 2-approssimazione
C
E’  E
while E’  



do sia (u,v) un arco arbitrario di E’
C  C  {u,v}
rimuovi da E’ ogni arco incidente a u oppure a v.
return C.
38
Demo
39
La complessità temporale è O(n3), ossia,
polinomiale
C
E’  E O(m)=O(n2)
while E’   do

O(n2)


sia (u,v) un arco arbitrario di E’
O(1)
C  C  {u,v}
rimuovi da E’ ogni arco incidente a u oppure a v
return C
O(n)
40
Correttezza
L’insieme di vertici che il nostro algoritmo
restituisce è chiaramente un vertex-cover,
dato che iteriamo fino a che ogni arco viene
coperto.
41
Quanto è buona un’approssimazione?
Osserviamo l’insieme di archi scelti dal nostro algoritmo
nessun vertice in
comune!
 ogni VC ne contiene 1 in
ognuno
il nostro VC li contiene entrambi, quindi è al più grande il doppio rispetto
a qualsiasi VC, e in particolare del VC ottimo, cioè:
|nostro VC|/|qualsiasi VC| ≤ 2 e quindi |nostro VC|/|VC ottimo| ≤ 2
 il fattore di approssimazione è pari a 2.
42
Lista tesine
1. Il problema dell’arresto (Di Ghionno)
2. Modelli di calcolo: macchina di Turing e RAM
(Gallina)
3. La notazione asintotica: classi O, Ω e Θ (Gregori)
4. Classi P, NP e ExpTime (Laconi)
5. Selection sort (Lops)
6. Insertion sort (Massi)
7. Lower bound problema dell’ordinamento (Mitrangolo)
8. Merge sort (Palombo)
9. Ricerca sequenziale e binaria (Terregna)
10. Il problema del cammino minimo (Cetrullo)
11. Algoritmi di approssimazione (Del Casale)
43