Capitolo 4 Ordinamento: Selection e Insertion Sort Algoritmi e Strutture Dati.

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1 Capitolo 4 Ordinamento: Selection e Insertion Sort Algoritmi e Strutture Dati

2 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 2 Dato un insieme S di n oggetti presi da un dominio totalmente ordinato, ordinare S Ordinamento Esempi: ordinare una lista di nomi alfabeticamente, o un insieme di numeri, o un insieme di compiti desame in base al cognome dello studente Subroutine in molti problemi È possibile effettuare ricerche in array ordinati in tempo O(log n) (ricerca binaria)

3 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 3 Il problema dellordinamento (non decrescente) Input: una sequenza di n numeri Output: una permutazione (riarrangiamento) della sequenza di input tale che a i 1 a i 2 … a i n

4 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 4 SelectionSort Approccio incrementale: estende lordinamento da k a k+1 elementi, scegliendo il minimo degli n-k elementi non ancora ordinati e mettendolo in posizione k+1

5 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 5 SelectionSort (A) 1. for k=0 to n-2 do 2. m = k+1 3. for j=k+2 to n do 4. if (A[j] < A[m]) then m=j 5. scambia A[m] con A[k+1] Allinizio del generico passo k, k=1,…, n-2, A[1],…,A[k] sono già ordinati (allinizio, ovvero per k=0, nulla è ancora ordinato) linee 2-4: ricerca del minimo fra gli elementi A[k+1],…,A[n] (m mantiene lindice dellarray in cui si trova il minimo presunto) linea 5: il minimo è spostato in posizione k+1 alla fine del generico passo k, k=0,…, n-2, A[1],…,A[k+1] sono ordinati NOTA: Assumiamo che il primo elemento dellarray sia in A[1]

6 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 6 Correttezza Si dimostra facendo vedere che alla fine del generico passo k (k=0,…, n-2) si ha: (i) i primi k+1 elementi sono ordinati e (ii) contengono i k+1 elementi più piccoli dellarray Induzione su k: –k=0: Alla prima iterazione viene semplicemente selezionato lelemento minimo dellarray (i) e (ii) banalmente verificate. –k>0. Allinizio del passo k i primi k elementi sono ordinati e sono i k elementi più piccoli nellarray (ipotesi induttiva). Allora la tesi segue dal fatto che lalgoritmo seleziona il minimo dai restanti n-k elementi e lo mette in posizione k+1. Infatti: (ii) i k+1 elementi restano i minimi nellarray (i) lelemento in posizione k+1 non è mai più piccolo dei primi k

7 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 7 Complessità temporale SelectionSort (A) 1. for k=0 to n-2 do 2. m = k+1 3. for j=k+2 to n do 4. if (A[j] < A[m]) then m=j 5. scambia A[m] con A[k+1] n-k-1 confronti (operaz. dominante) 1 scambio (3 assegnamenti) il tutto eseguito n-1 volte T(n) = (n-k-1) = k = n·(n-1)/2 = (n 2 ) k=0 n-2 T worst (n) = T best (n) = T avg (n) = (n 2 ) k=1 n-1 1 assegnamento Si noti che T(n) è SEMPRE UGUALE ad un polinomio di 2º grado in n, e quindi la notazione Θ è perfettamente ESPRESSIVA del valore di T(n)

8 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 8 InsertionSort Approccio incrementale: estende lordinamento da k a k+1 elementi, inserendo lelemento in posizione k+1-esima nella giusta posizione rispetto ai primi k elementi

9 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 9 InsertionSort (A) 1. for k=1 to n-1 do 2. x = A[k+1] 3. for j=1 to k+1 do 4. if (A[j] > x) then break 5. if (j < k+1) then 6. for t=k downto j do A[t+1]= A[t] 7. A[j]=x Allinizio del generico passo k, A[1],…,A[k] sono già ordinati elemento x=A[k+1] inserito nella posizione che gli compete linee 3 e 4: individuano la posizione j in cui va messo x linea 6: fa spazio per inserire x Alla fine del generico passo k, A[1],…,A[k+1] sono ordinati

10 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 10 Correttezza Si dimostra facendo vedere che alla fine del generico passo k (k=1,…, n-1) i primi k+1 elementi sono ordinati (si noti la differenza con il Selection Sort, in cui invece dovevamo far vedere che erano i più piccoli) Induzione su k: –k=1: banale: si riordinano A[1] e A[2]; –k>1: Allinizio del passo k i primi k elementi sono ordinati (ipotesi induttiva). Allora la tesi segue dalla struttura dellalgoritmo, il quale inserisce A[k+1] nella giusta posizione rispetto alla sequenza A[1],…,A[k]

11 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 11 InsertionSort (A) 1. for k=1 to n-1 do 2. x = A[k+1] 3. for j=1 to k+1 do 4. if (A[j] > x) then break 5. if (j < k+1) then 6. for t=k downto j do A[t+1]= A[t] 7. A[j]=x T(n) = (k+1) = (n 2 ) j*k+1 confronti k+1–j* assegnamenti il tutto eseguito n-1 volte k=1 n-1 T worst (n) = T best (n) = T avg (n) = (n 2 ) Possiamo fare meglio? k+1 oper. Complessità temporale

12 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 12 InsertionSort2 (A) 1. for k=1 to n-1 do 2. x = A[k+1] 3. j = k 4. while j > 0 e A[j] > x do 5. A[j+1] = A[j] 6. j= j-1 7. A[j+1]=x il tutto eseguito n-1 volte t k 2k assegnam. T(n) = t k 2k T(n) = O(n 2 ) k=1 n-1 k=1 n-1 Una variante dellIS più efficiente Si noti che T(n) è AL PIÙ UGUALE ad un polinomio di 2º grado in n, e quindi la notazione O è perfettamente ESPRESSIVA del valore di T(n)

13 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 13 Caso migliore, peggiore, medio Caso migliore –array già ordinato in ordine crescente t k = 0 T best (n) = (n) (costo del ciclo for esterno) Caso peggiore –array ordinato in ordine decrescente t k = 2k T worst (n) = 2k = (n 2 ) Caso medio –array disordinato il valore atteso di t k = k T avg (n) = k = (n 2 ) k=1 n-1

14 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 14 Complessità spaziale Ricordiamo che oltre alla complessità temporale dobbiamo valutare anche la complessità spaziale di un algoritmo, ovvero lo spazio di memoria necessario per ospitare le strutture di dati utilizzate dallalgoritmo. La complessità spaziale del Selection Sort e dellInsertion Sort è Θ (n) Nota: Se la complessità spaziale di un certo algoritmo è Θ(g(n)), e se tale algoritmo ispeziona lintera memoria occupata, allora la complessità temporale dellalgoritmo è (g(n)).

15 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 15 Conseguenze per il problema dellordinamento La complessità spaziale di qualsiasi algoritmo che risolve il problema dellordinamento è (n) (dimensione input) …ma qualsiasi algoritmo che risolve il problema dellordinamento deve ispezionare tutti i dati in ingresso, e quindi ha complessità temporale T(n)= (n) Il problema dellordinamento ha delimitazione inferiore (lower bound) alla complessità temporale (n).

16 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 16 Riepilogo Insertion Sort 2 Insertion Sort 1 Θ(n) Caso migliore T(n) Selection Sort Θ(n 2 ) Caso medio Θ(n 2 ) Caso peggiore Θ(n 2 ) O(n 2 ) S(n) Θ(n)

17 Lalgoritmo Bubble Sort risolve il problema dellordinamento seguendo la seguente strategia: 1) Si scorre la sequenza A[1],… …,A[n], eliminando inversioni contigue (in tal modo si porta il massimo degli n elementi considerati nella posizione A[n]); 2) Si scorre la sequenza A[1],……,A[n-1], eliminando inversioni contigue (in tal modo si porta il massimo degli n-1 elementi considerati nella posizione A[n- 1]) n-1) Si scorre la sequenza A[1],A[2], eliminando inversioni contigue (in tal modo si porta il massimo dei due elementi considerati nella posizione A[2]). Approfondimento: Algoritmo Bubble Sort Definizione Sia A= una sequenza di n numeri. La coppia (a i,a j ) è chiamata inversione (rispetto ad un ordinamento crescente) se i a j. Fornire unimplementazione del Bubble Sort e analizzarne la complessità computazionale.

18 Algoritmo Bubble Sort – Soluzione Bubble-Sort-1(A) limite length(A) for h 1 to (length(A)-1) do for i 1 to (limite-1) do if (A[i] > A[i+1]) then k A[i] A[i] A[i+1] A[i+1] k limite limite - 1 Lalgoritmo è corretto? SÌ! (dimostrazione analoga al Selection Sort) Qual è la complessità temporale dellalgoritmo? - linea (o il blocco di linee di codice) eseguito più volte if (A[i] > A[i+1]) - operazione di confronto - N. volte che viene eseguita -Notare- il numero di volte che questa linea viene eseguita non dipende dall input T(n)= (n 2 ).

19 Camil Demetrescu, Irene Finocchi, Giuseppe F. ItalianoAlgoritmi e strutture dati Copyright © 2004 - The McGraw - Hill Companies, srl 19 Esercizi di approfondimento per casa Illustrare levoluzione di Insertion-Sort 2 applicata allarray A= Riscrivere la procedura Insertion-Sort 1 per ordinare in modo non crescente Riscrivere la procedura Insertion-Sort 2 per ordinare larray da destra verso sinistra