Ordinamento1 Algoritmi di ordinamento  Selection Sort  Quick Sort  Lower bound alla complessità degli algoritmi di ordinamento.

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1 Ordinamento1 Algoritmi di ordinamento  Selection Sort  Quick Sort  Lower bound alla complessità degli algoritmi di ordinamento

2 Ordinamento2 Selection Sort  L’elemento minimo viene messo in posizione 0  Si itera il procedimento sulle posizioni successive SelectionSort(dati[]) { for (i=0; i<dati.length-1; i++) { min = <Scambia min con dati[i]; }

3 Ordinamento3 Selection Sort/2  Versione ricorsiva SelectionSort(dati[], i) { min = <Scambia min con dati[i]; SelectionSort(dati[], i+1) ; } …… SelectionSort(dati[], 0) ;

4 Ordinamento4 Selection Sort/3 Ordinamento del vettore di interi {5, 2, 3, 8, 1}

5 Ordinamento5 Come ordinare oggetti diversi da numeri  Ordinare un vettore i cui elementi sono oggetti complessi. Es. oggetti della classe: class Persona { String cognome; String CF; public Persona (String cognome, String CF) { this.cognome = cognome; this.CF = CF; }  Come ordinare un array di tali oggetti rispetto al cognome ?

6 Ordinamento6 Come ordinare oggetti diversi da numeri/2  Occorre: 1. Dichiarare che tra gli oggetti della classe (Persona nell’esempio) è definito un ordinamento 2. Dichiarare rispetto a quale o a quali membri della classe è definito l’ordinamento (il cognome nel nostro caso) 3. Definire la regola che stabilisce l’ordinamento tra due oggetti della classe (nel nostro caso: due oggetti di tipo persona sono ordinati alfabeticamente secondo i rispettivi cognomi)  In C++ si possono sovraccaricare gli operatori  In Java si può dichiarare che la classe (Persona) implementa l’interfaccia Comparable (non è la sola possibilità)

7 Ordinamento7 Come ordinare oggetti diversi da numeri/3  Il passo 1 si traduce così: class Persona implements Comparable { …… }  I passi 2 e 3 consistono nell’implementare l’unico metodo previsto dall’interfaccia Comparable: int compareTo(Object o)  compareTo definisce le regole che stabiliscono l’ordinamento tra oggetti della classe (nel nostro caso, l’ordinamento è quello alfabetico sui cognomi)

8 Ordinamento8 Come ordinare oggetti diversi da numeri/4  Quindi: class Persona implements Comparable { String cognome; String CF; public Persona (String cognome, String CF) { this.cognome = cognome; this.CF = CF; } public int compareTo (Object pers) { return cognome.compareTo(((Persona)pers).cognome); } Nota: occorre fare il cast perché compareTo vuole un Object

9 Ordinamento9 Selection Sort/4 public void selectionsort(Comparable[] data) { int i, j, least; for (i = 0; i < data.length-1; i++) { for (j = i+1, least = i; j < data.length; j++) if (data[j].compareTo(data[least]) < 0) least = j; swap(data, least, i); /* Scambia gli oggetti in pos. i e least */ } Es.: versione ricorsiva

10 Ordinamento10 Selection Sort - Tempo di esecuzione  Supponiamo che l’array contenga n elementi  Alla i-esima iterazione occorre trovare il massimo di n-i+1 elementi e sono quindi necessari n-i confronti  Vi sono n-1 cicli Costo =  Si osservi che tale costo non dipende dall’ eventuale ordinamento parziale dell’array (cfr. Insertion Sort)

11 Ordinamento11 Quick Sort quicksort(array[]) { if (array.length>1) { Scegli bound; /* subarray1 e subarray2 */ while (ci sono elementi in array) if (generico elemento < bound) inserisci elemento in subarray1; else inserisci elemento in subarray2; quicksort(subarray1); quicksort(subarray2); }

12 Ordinamento12 Quick Sort/2 Array subarray1 subarray2 < bound >= bound < bound1 >= bound2 >= bound1 < bound2

13 Ordinamento13 Partizionamento dell’array [8 5 4 7 6 1 6 3 8 12 10] con quicksort

14 Ordinamento14 Partizionamento dell’array [8 5 4 7 6 1 6 3 8 12 10] con quicksort

15 Ordinamento15 Quick Sort/3 void quicksort(Comparable[] data, int first, int last) { int lower = first + 1, upper = last; swap(data, first, (first+last)/2); /* Così, in pratica è spesso più veloce */ Comparable bound = data[first]; while (lower <= upper) { while (data[lower].compareTo(bound) < 0) lower++; while (bound.compareTo(data[upper]) < 0) upper--; if (lower < upper) swap(data, lower++, upper--); else lower++; /* 1 */ } /* End while */ swap(data, upper, first); // Alla fine upper punta sempre a un elemento <= bound if (first < upper-1) /* se first == upper-1 il sottoarray ha solo 2 elementi ed è ordinato */ quicksort(data, first, upper-1); if (upper+1 < last) quicksort(data, upper+1, last); }

16 Ordinamento16 Quick Sort/4 void quicksort(Comparable[] data) { if (data.length < 2) return; int max = 0; /* Trova max. e mettilo alla fine; serve per evitare che lower cresca oltre la dim. dell’ array (non è detto che accada ma può succedere) */ for (int i = 1; i < data.length; i++) if (data[max].compareTo(data[i]) < 0) max = i; swap(data, data.length-1, max); // Elemento piu’ grande in posizione finale quicksort(data, 0, data.length-2); }

17 Ordinamento17 Analisi del Quick Sort  Costo = O(No. confronti)  Costo O(n 2 ) nel caso peggiore  Costo O(n log n) nel caso migliore e medio  In pratica l’algoritmo è efficiente  Scelta pivot fondamentale

18 Ordinamento18 Quick Sort – Caso peggiore L’elemento di pivot è sempre il minimo Costo = O(n-1+n-2+...+2+1) = O(n 2 ) Array n-1 n-2 2 1 n-1 volte n-2 No. confronti per sotto-array

19 Ordinamento19 Quick Sort – Caso migliore Array n-1 n/2-1 2 1 log n+1 volte n/4-1 No. confronti per sotto-array Costo = n potenza di 2 per semplicità

20 Ordinamento20  Merge Sort (e Heap Sort): O(n log n)  Quick Sort, Selection Sort, Insertion Sort: O(n 2 )  Quick Sort: O(n log n) nel caso migliore  Selection Sort: O(n 2 ) in tutti i casi  Insertion Sort: O(n) nel caso migliore  Domanda: qual è l’efficienza massima (complessità minima) ottenibile nel caso peggiore -> Lower bound Efficienza algoritmi di ordinamento

21 Ordinamento21 Ordinamento – limiti inferiori  Osservazione fondamentale: tutti gli algoritmi devono confrontare elementi  Dati a i, a k, tre casi possibili: a i a k, oppure a i =a k  Si assume per semplicità che tutti gli elementi siano distinti  Si assume dunque che tutti i confronti abbiano la forma a i < a k, e il risultato del confronto sia vero o falso  Nota: se gli elementi possono avere lo stesso valore allora si considerano solo confronti del tipo a i <= a k

22 Ordinamento22 Alberi di decisione  Un albero di decisione rappresenta i confronti eseguiti da un algoritmo su un dato input  Ogni foglia corrisponde ad una delle possibili permutazioni a 1 :a 2 a 2 :a 3 a 1 :a 3 a 2 :a 3 a 1,a 2,a 3 a 1,a 3,a 2 a 3,a 1,a 2 a 2,a 1,a 3 a 2,a 3,a 1 a 3,a 2,a 1 < < > > < > < > < > Albero di decisione per Insertion Sort sull’insieme {a 1, a 2, a 3 }

23 Ordinamento23 Alberi di decisione/2  Vi sono n! possibili permutazioni -> l’albero deve contenere n! foglie  L’esecuzione di un algoritmo corrisponde ad un cammino sull’albero di decisione corrispondente all’input considerato Albero di decisione per Insertion Sort sull’insieme {a 1, a 2, a 3 } a 1 :a 2 a 2 :a 3 a 1 :a 3 a 2 :a 3 a 1,a 2,a 3 a 1,a 3,a 2 a 3,a 1,a 2 a 2,a 1,a 3 a 2,a 3,a 1 a 3,a 2,a 1 < < > > < > < > < >

24 Ordinamento24 Alberi di decisione/3  Riassumendo:  Albero binario  Deve contenere n! foglie  Il più lungo cammino dalla radice ad una foglia (altezza) rappresenta il No. confronti che l’algoritmo deve eseguire nel caso peggiore  Teorema: qualunque albero di decisione che ordina n elementi ha altezza Ω(n log n)  Corollario: nessun algoritmo di ordinamento ha complessit à migliore di Ω(n log n) Nota: esistono algoritmi di ordinamento con complessit à pi ù bassa, ma richiedono informazioni aggiuntive

25 Ordinamento25 Dimostrazione teorema 1. Un albero di decisione è binario 2. Albero binario di altezza h non ha più di 2 h foglie 1=2 1-1 2= 2 2-1 4= 2 3-1 2 h-1 1 2 3 h 3.Dobbiamo avere: 2 h-1 > No. foglie = n! 4.h-1 > log(n!)

26 Ordinamento26 Dimostrazione teorema/2 5. n! > (n/e) n (approssimazione di Stirling) 6. h-1 > log(n/e) n = n log(n/e) = n logn – n loge = Ω(n log n)  Corollario: gli algoritmi Merge Sort e Heap Sort hanno complessit à asintotica ottima