Didattica e Fondamenti degli Algoritmi e della Calcolabilità Quarta giornata Risolvere efficientemente un problema in P: la sequenza di Fibonacci Guido.

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1 Didattica e Fondamenti degli Algoritmi e della Calcolabilità Quarta giornata Risolvere efficientemente un problema in P: la sequenza di Fibonacci Guido Proietti Email: guido.proietti@univaq.it URL: www.di.univaq.it/~proietti/index_personalwww.di.univaq.it/~proietti/index_personal 1

2 Riepilogo: gerarchia delle classi 2 Decidibili ExpTime (ARRESTO(k)) P (ricerca) NP NP-completi (SAT) Congettura P ≠ NP

3 Progettare un algoritmo Vogliamo ora progettare algoritmi (per problemi calcolabili!) che: –Producano correttamente il risultato desiderato –Siano efficienti in termini di tempo di esecuzione ed occupazione di memoria 3

4 Le quattro proprietà fondamentali di un algoritmo (oltre l’efficienza) La sequenza di istruzioni deve essere finita Essa deve portare ad un risultato corretto Le istruzioni devono essere eseguibili materialmente Le istruzioni non devono essere ambigue 4

5 Algoritmi e strutture dati Concetto di algoritmo è inscindibile da quello di dato Da un punto di vista computazionale, un algoritmo è una procedura che prende dei dati in input e, dopo averli elaborati, restituisce dei dati in output  I dati devo essere organizzati e strutturati in modo tale che la procedura che li elabora sia “efficiente” 5

6 Analisi di algoritmi Correttezza: –dimostrare formalmente che un algoritmo è corretto Complessità: –Stimare la quantità di risorse (tempo e memoria) necessarie all’algoritmo –stimare il più grande input gestibile in tempi ragionevoli –confrontare due algoritmi diversi –ottimizzare le parti “critiche” 6

7 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 7 Un problema numerico «giocattolo»: i numeri di Fibonacci

8 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 8 Leonardo da Pisa (anche noto come Fibonacci) [1170- 1240] si interessò di molte cose, tra cui il seguente problema di dinamica delle popolazioni: L’isola dei conigli Quanto velocemente si espanderebbe una popolazione di conigli sotto appropriate condizioni? In particolare, partendo da una coppia di conigli in un’isola deserta, e data una certa regola di riproduzione, quante coppie si avrebbero nell’anno n?

9 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 9 Una coppia di conigli concepisce due coniglietti di sesso diverso ogni anno, i quali formeranno una nuova coppia La gestazione dura un anno I conigli cominciano a riprodursi soltanto al secondo anno dopo la loro nascita I conigli sono immortali (!) Le regole di riproduzione

10 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 10 L’albero dei conigli La riproduzione dei conigli può essere descritta in un albero come segue:

11 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 11 All’inizio dell’anno n, ci sono tutte le coppie dell’anno precedente, e una nuova coppia di conigli per ogni coppia presente due anni prima La regola di espansione Indicando con F n il numero di coppie all’inizio dell’anno n, abbiamo la seguente relazione di ricorrenza: 1 se n=1,2 F n-1 + F n-2 se n≥3 F n =

12 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 12 Il problema Come calcoliamo F n ? Primi numeri della sequenza di Fibonacci: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, F 18 =2584,…

13 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 13 Digressione: la sezione aurea Rapporto  fra due grandezze disuguali a>b, in cui a è medio proporzionale tra b e a+b (a+b) : a = a : b a b e ponendo a=b  b a

14 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 14 Keplero [1571-1630] osservò che da cui si può dimostrare che la soluzione in forma chiusa della sequenza di Fibonacci, nota come formula di Binet [1786-1856], è: Un approccio numerico

15 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 15 Algoritmo fibonacci1

16 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 16 Molto efficiente: una sola linea di codice mandata in esecuzione (sebbene stiamo trascurando la complessità dell’operazione in essa contenuta)! Ma siamo sicuri che sia corretto? Sulla RAM (modello astratto) con celle di memoria infinite sì, ma su un modello di calcolo reale, con quale accuratezza devo fissare  e  per ottenere un risultato corretto? Ad esempio, con 3 cifre decimali: Correttezza ed efficienza ˆ n fibonacci1 (n) arrotondamentoFnFn 31.9999222 16986.698987 182583.125832584

17 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 17 Algoritmo fibonacci2 algoritmo fibonacci2 (intero n)  intero if (n ≤ 2) then return 1 else return fibonacci2 (n-1) + fibonacci2 (n-2) Poiché fibonacci1 non è corretto, un approccio alternativo consiste nell’utilizzare direttamente la definizione ricorsiva:

18 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 18 Per valutare il tempo di esecuzione, calcoliamo il numero di linee di codice T(n) mandate in esecuzione Se n≤2: una sola linea di codice Se n=3: quattro linee di codice, due per la chiamata fibonacci2(3), una per la chiamata fibonacci2(2) e una per la chiamata fibonacci2(1), cioè T(3)=2+T(2)+T(1)=2+1+1=4 Correttezza? Corretto per definizione ! Efficienza?

19 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 19 Relazione di ricorrenza Per n ≥3, in ogni chiamata si eseguono due linee di codice, oltre a quelle eseguite nelle chiamate ricorsive T(n) = 2 + T(n-1) + T(n-2) n ≥ 3 In generale, il tempo di esecuzione di un algoritmo ricorsivo è pari al tempo speso all’interno della chiamata più il tempo speso nelle chiamate ricorsive

20 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 20 Albero della ricorsione di fibonacci2 Utile per risolvere la relazione di ricorrenza T(n) Ogni nodo corrisponde ad una chiamata ricorsiva I figli di un nodo corrispondono alle sottochiamate

21 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 21 Alberi: qualche definizione d=2  albero binario albero d-ario: albero in cui tutti i nodi interni hanno (al più) d figli Un albero è strettamente binario se tutti nodi interni hanno esattamente 2 figli

22 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 22 Etichettando i nodi dell’albero con il numero di linee di codice eseguite nella chiamata corrispondente: –I nodi interni hanno etichetta 2 –Le foglie hanno etichetta 1 Calcolare T(n) Per calcolare T(n): –Contiamo il numero di foglie –Contiamo il numero di nodi interni

23 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 23 Calcolare T(n) In totale le linee di codice eseguite sono T(n) = F n + 2 (F n -1) = 3F n -2 Lemma 1: Il numero di foglie dell’albero della ricorsione di fibonacci2(n) è pari a F n dim (da fare a casa, per induzione su n) Lemma 2: Il numero di nodi interni di un albero strettamente binario (come l’albero della ricorsione di fibonacci2(n) ) è pari al numero di foglie -1 dim (da fare a casa, per induzione sul numero di nodi interni dell’albero)

24 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 24 fibonacci2 è un algoritmo lento, perché esegue un numero di linee di codice esponenziale in n: T(n) ≈ F n ≈  n Osservazioni n = 8 Alcuni esempi di linee di codice eseguite T(n)=3 · F 8 – 2= 3 · 21 – 2 = 61 n = 45 T(n) =3·F 45 – 2 = 3 · 1.134.903.170 – 2 = 3.404.709.508 n = 100… con le attuali tecnologie, calcolare F 100 richiederebbe circa 8000 anni! Possiamo fare di meglio?

25 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 25 Perché l’algoritmo fibonacci2 è lento? Perché continua a ricalcolare ripetutamente la soluzione dello stesso sottoproblema. Perché non memorizzare allora in un array le soluzioni dei sottoproblemi? Algoritmo fibonacci3 algoritmo fibonacci3 (intero n)  intero sia Fib un array di n interi Fib[1]  Fib[2]  1 for i = 3 to n do Fib[i]  Fib[i-1] + Fib[i-2] return Fib[n] Correttezza? Corretto per definizione !

26 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 26 Il vettore o array è una struttura dati utilizzata per rappresentare sequenze di elementi omogenei Un vettore è visualizzabile tramite una struttura unidimensionale di celle; ad esempio, un vettore di 5 interi ha la seguente forma Ciascuna delle celle dell'array è identificata da un valore di indice Gli array sono (generalmente) allocati in celle contigue della memoria del computer La struttura dati vettore o array 5231125

27 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 27 Linee 1, 2, e 5 eseguite una sola volta Linea 3 eseguita n – 1 volte (una sola volta per n=1,2) Linea 4 eseguita n – 2 volte (non eseguita per n=1,2) T(n): numero di linee di codice mandate in esecuzione da fibonacci3 Calcolo del tempo di esecuzione T(n) = n – 1 + n – 2 + 3 = 2n n > 1 T(1) = 4 T(45) = 90 Per n=45, circa 38 milioni di volte più veloce dell’algoritmo fibonacci2! T(100) = 200

28 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 28 L’algoritmo fibonacci3 impiega tempo proporzionale a n invece che esponenziale in n, come accadeva invece per fibonacci2 Tempo effettivo richiesto da implementazioni in C dei due algoritmi su piattaforme diverse (un po’ obsolete ): Calcolo del tempo di esecuzione

29 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 29 Dimostrazione del Lemma 1 Lemma 1: Il numero di foglie dell’albero della ricorsione di fibonacci2(n) è pari a F n Dim: Per induzione su n: –Caso base n=1 (e anche n=2): in questo caso l’albero della ricorsione è costituito da un unico nodo, che è quindi anche una foglia; poiché F 1 =1, il lemma segue. –Caso n>2: supposto vero fino ad n-1, dimostriamolo vero per n; osserviamo che l’albero della ricorsione associato ad n è formato da una radice etichettata F(n) e da due sottoalberi etichettati F(n-1) e F(n-2). Per l’ipotesi induttiva, tali sottoalberi hanno rispettivamente F n-1 ed F n-2 foglie, e quindi l’albero della ricorsione associato ad n avrà F n-1 + F n-2 = F n foglie, come volevasi dimostrare. □

30 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 30 Dimostrazione del Lemma 2 Lemma 2: Il numero di nodi interni di un albero strettamente binario è pari al numero di foglie – 1. Dim: Per induzione sul numero di nodi interni, sia detto k: –Caso base k=1: se c’è un solo nodo interno, poiché per ipotesi deve avere due figli, tali figli saranno foglie, e quindi il lemma segue. –Caso k>1: supposto vero fino a k-1, dimostriamolo vero per k nodi interni; osserviamo che poiché k>1, e l’albero è strettamente binario, abbiamo due possibilità: 1.Uno dei due sottoalberi della radice è una foglia: in tal caso l’altro sottoalbero (strettamente binario) contiene k-1 nodi interni, e quindi per ipotesi induttiva avrà k foglie; allora, il numero totale di foglie è k+1, da cui segue il lemma; 2.Entrambi i sottoalberi (strettamente binari) contengono nodi interni, in numero totale di k-1=k 1 +k 2 ; ma allora, per ipotesi induttiva, conterranno rispettivamente k 1 +1 e k 2 +1 foglie, e quindi il numero totale di foglie è k 1 +k 2 +2=k+1, come volevasi dimostrare. □

31 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Il tempo di esecuzione non è la sola risorsa di calcolo che ci interessa. Anche la quantità di memoria necessaria può essere cruciale. Se abbiamo un algoritmo lento, dovremo solo attendere più a lungo per ottenere il risultato Ma se un algoritmo richiede più spazio di quello a disposizione, non otterremo mai la soluzione, indipendentemente da quanto attendiamo! È il caso di Fibonacci3, la cui correttezza è subordinata alla dimensione della memoria allocabile Occupazione di memoria

32 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl fibonacci3 usa un array di dimensione n prefissata In realtà non ci serve mantenere tutti i valori di F n precedenti, ma solo gli ultimi due, riducendo lo spazio a poche variabili in tutto: Algoritmo fibonacci4 algoritmo fibonacci4 (intero n)  intero a  b  1 for i = 3 to n do c  a+b a  b b  c return b

33 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Per la risorsa tempo, calcoliamo il numero di linee di codice T(n) mandate in esecuzione –Se n≤2: tre sole linee di codice –Se n  3: T(n) = 2+(n-1)+3·(n-2) = 4n-5 (per Fibonacci3 avevamo T(n)=2n) Per la risorsa spazio, contiamo il numero di variabili di lavoro utilizzate: S(n)=4 (per Fibonacci3 avevamo S(n)=n+1) [NOTA: stiamo assumendo che ogni locazione di memoria può contenere un valore infinitamente grande!] Correttezza? Corretto per definizione! Efficienza?

34 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Misurare T(n) come il numero di linee di codice mandate in esecuzione è una misura molto approssimativa del tempo di esecuzione Se andiamo a capo più spesso, aumenteranno le linee di codice sorgente, ma certo non il tempo richiesto dall’esecuzione del programma! Notazione asintotica

35 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Per lo stesso programma impaginato diversamente potremmo concludere ad esempio che T(n)=3n oppure T(n)=5n Vorremmo un modo per descrivere l’ordine di grandezza di T(n) ignorando dettagli "inessenziali" come le costanti moltiplicative, additive e sottrattive Useremo a questo scopo la notazione asintotica Θ, simile alla notazione O che abbiamo già visto Notazione asintotica

36 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Supponiamo che f e g siano due funzioni definitivamente diverse da zero per n  ∞, e che Allora, scriveremo che f(n) =  (g(n)). Notazione asintotica  (definizione informale)

37 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Esempi: Sia f(n) = 2n 2 + 3n, allora f(n)=Θ(n 2 ) Sia f(n) = n 2 – n log n, allora f(n)=Θ(n 2 ) Sia f(n) = n 3 -2n 2 +3n, allora f(n)=Θ(n 3 ) Sia f(n) = 23, allora f(n)=Θ(1) Sia f(n) = 3 n +2 n, allora f(n)=Θ(3 n )

38 Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl Fibonacci2 T(n)=3F n -2  T(n)=Θ(F n )  T(n)=Θ(  n ), poiché Fibonacci3 T(n)=2n  T(n)=Θ(n), S(n)=Θ(n) Fibonacci4 T(n)=4n-5  T(n)=Θ(n), S(n)=Θ(1) Andamento asintotico per i Fibonacci