Главная   Онлайн инструменты по математической логике   Мат. логика теория   Как считает компьютер?   Схемы для ЭВМ    

Алгоритмы и их сложности

Определение булевой функции
Элементарные булевы функции
Задание булевых функций посредством элементарных
Существенные и несущественные переменные
Эквивалентные функции
Основные эквивалентности
Функциональная полнота
Нормальные формы
Совершенные нормальные формы
Минимизация ДНФ методом Квайна
Карты Карно
Полином Жегалкина
Высказывания
Предикаты
Кванторы
Определение формальной теории
Исчисление высказываний
Теорема о дедукции. Полнота ИВ
Автоматическое доказательство теорем
Метод резолюций в ИВ
Определение алгоритма
Машина Тьюринга
Рекурсивные функции
Алгоритмически неразрешимые задачи
Алгоритмы и их сложности




     Если дана задача, как найти для ее решения эффективный алгоритм? А если алгоритм найден, как сравнить его с другими алгоритмами, решающими ту же задачу? Как оценить его качество? Вопросы такого рода интересуют и программистов, и тех, кто занимается теоретическим исследованием вычислений.
     Для оценки алгоритмов существует много критериев. Чаще всего нас будет интересовать порядок роста необходимых для решения задачи времени и емкости памяти при увеличении входных данных. Нам хотелось бы связать с каждой конкретной задачей некоторое число, называемое ее размером, которое выражало бы меру количества входных данных. Например, размером задачи умножения матриц может быть наибольший размер матриц - сомножителей.
     Время, затрачиваемое алгоритмом, как функция размера задачи, называется временной сложностью этого алгоритма. Поведение этой сложности в пределе при увеличении размера задачи называется асимптотической временной сложностью. Аналогично можно определить емкостную сложность и асимптотическую емкостную сложность.
     Именно асимптотическая сложность алгоритма определяет в итоге размер задач, которые можно решить этим алгоритмом. Если алгоритм обрабатывает входы размера n за время c*n2, где c - некоторая постоянная, то говорят, что временная сложность этого алгоритма есть O(n2) (читается "порядка эн квадрат").
     Можно было бы подумать, что колоссальный рост скорости вычислений, вызванный появлением нынешнего поколения цифровых вычислительных машин, уменьшит значение эффективных алгоритмов. Однако происходит противоположное. Так как вычислительные машины работают все быстрее и быстрее, и мы можем решать большие по размеру задачи, именно сложность алгоритма определяет то увеличение размера задачи, которое можно достичь с увеличением скорости машины.
     Допустим, у нас есть пять алгоритмов A1,A2,…,A5 со следующими временными сложностями:

АлгоритмВременная сложность
A1n
A2n*log(n)
A3n2
A4n3
A52n

     Здесь временная сложность — это число единиц времени, требуемого для обработки входа размера n. Пусть единицей времени будет одна миллисекунда (1сек=1000 милисекунд). Тогда алгоритм A1 может обработать за одну секунду вход размера 1000, в то время как A5 — вход размера не более 9. В следующей таблице приведены размеры задач, которые можно решить за одну секунду, одну минуту и один час каждым из этих пяти алгоритмов.

АлгоритмВременная сложностьМаксимальный размер задачи
  1 сек1 мин1 час
A1n10006*1043,6*106
A2n*log(n)14048932*104
A3n2312441897
A4n31039153
A52n91521

     Предположим, что следующее поколение вычислительных машин будет в 10 раз быстрее нынешнего. В следующей таблице показано, как возрастут размеры задач, которые мы сможем решить благодаря этому увеличению скорости. Заметим, что для алгоритма A5 десятикратное увеличение скорости увеличивает размер задачи, которую можно решить, только на три единицы (см. последнюю строку в таб.), тогда как для алгоритма A3 размер задачи более чем утраивается.

АлгоритмВременная сложностьМаксимальный размер задачи
  до ускоренияпосле ускорения
A1nS110 S1
A2n*log(n)S2Примерно 10 S2 для больших S2.
A3n2S33,165 S3
A4n3S42,155 S4
A52nS5S5+3,3

     Вместо эффекта увеличения скорости рассмотрим теперь эффект применения более действенного алгоритма. Если в качестве основы для сравнения взять 1 мин, то, заменяя алгоритм A4 алгоритмом A3, можно решить задачу, в 6 раз большую, а заменяя A4 на A2, можно решить задачу, большую в 125 раз. Эти результаты производят гораздо большее впечатление, чем двукратное улучшение, достигаемое за счет десятикратного увеличения скорости. Если в качестве основы для сравнения взять 1 ч, то различие оказывается еще значительнее. Отсюда мы заключаем, что асимптотическая сложность алгоритма служит важной мерой качественности алгоритма, причем такой мерой, которая обещает стать еще важнее при последующем увеличении скорости вычислений.
     Несмотря на то что основное внимание здесь уделяется порядку роста величин, надо понимать, что большой порядок роста сложности алгоритма может иметь меньшую мультипликативную постоянную (постоянная c в определении О(f(x))), чем малый порядок роста сложности другого алгоритма. В таком случае алгоритм с быстро растущей сложностью может оказаться предпочтительнее для задач с малым размером — возможно, даже для всех задач, которые нас интересуют. Например, предположим, что временные сложности алгоритмов A1, A2, A3, A4, A5 в действительности равны соответственно 1000n, 100n*log(n), 10n2, n3 и 2n. Тогда A5 будет наилучшим для задач размера 2≤n≤9, A2 - для задач размера 10≤n≤58, A1 - при 59≤n≤1024, а A1 - при n>1024.

@ 2010 - 2017 tablica-istinnosti.ru Рейтинг@Mail.ru