Rolf Wanka Alexander Raß, Moritz Mühlenthaler Erlangen, 23. Mai 2016 Übungen zur Vorlesung Randomisierte Algorithmen SS 2016 Blatt 5 AUFGABE 11: Betrachten Sie das Independent Set Problem IS, das wir in der Vorlesung bereits mit dem Sample& Modify-Ansatz bearbeitet haben. Sei G = (V, E) ein Graph. α(G) bezeichne die Größe einer größten unabhängigen Knotenmenge in G. Der Sample&Modify-Ansatz der Vorlesung lieferte α(G) ≥ |V |2 /(4 · |E|). (a) Ziel ist es, durch Anwendung der Probabilistischen Methode folgende Beziehung zu zeigen: α(G) ≥ ∑ deg u∈V 1 G (u) + 1 degG (u) bezeichnet dabei den Grad des Knotens u, also die Anzahl seiner Nachbarn. Würfeln Sie für die Knoten eine totale Ordnung ≺ . Sei U = {u | {u, v} ∈ E ⇒ u ≺ v}. (i) Berechnen Sie die erwartete Kardinalität der Menge U. Hinweis: Nutzen Sie die Indikator-Variable ( 1 u∈U Xu = 0 sonst. (ii) Zeigen Sie, daß U eine unabhängige Menge ist. (b) Entwerfen Sie auf der Basis von (a) einen Algorithmus P ROB IS für IS, der für den Eingabe1 graphen eine unabhängige Knotenmenge U ausgibt mit E[|U|] = ∑u∈V deg (u)+1 . InsbesonG dere müssen Sie sich überlegen, wie Sie die Menge U bestimmen. AUFGABE 12: Zur Erinnerung an Aufgabe 3 von Blatt 1: Das S AMMELALBUM -P ROBLEM (engl.: Coupon Collector’s Problem) ist folgendermaßen definiert: Das Sammelalbum enthält für N Klebebilder Felder. Die Bilder werden im Handel in undurchsichtigen Tüten verkauft, in denen k nicht notwendigerweise verschiedene Bilder enthalten sind. Der Hersteller garantiert, daß alle Bilder mit gleicher Wahrscheinlichkeit vorkommen. Gesucht ist nach der Zahl T der Tüten, die gekauft werden müssen, um alle Felder des Sammelalbums voll zu bekommen. In dieser Aufgabe wollen wir den Fall k = 1 analysieren. T ist also eine Zufallsvariable. Sei C1 ,C2 , . . . ,CT die Folge der Bilder, wie sie gekauft werden. Ci ist erfolgreich, wenn Ci ein bislang noch nicht vorhandenes Bild ist, also Ci 6= Ck für k ∈ {1, . . . , i − 1}. C1 und CT sind immer erfolgreich. Die Folge der Käufe nach dem j-ten Erfolg bis zum ( j + 1)-ten Erfolg inklusive nennen wir die j-te Epoche, und die Anzahl der gekauften Bilder in Epoche j bezeichnen wir mit T j . Bezeichne p j die Erfolgswahrscheinlichkeit eines Kaufs in Epoche j. (a) Bestimmen Sie p j . T j ist geometrisch verteilt. In Aufgabe 6 auf Blatt 2 haben wir den Erwartungswert und die Varianz für derartige Zufallsvariablen berechnet. (b) Bestimmen Sie E[T ] und Var[T ]. n 1 π2 1 Für eine letzte Abschätzung dabei nutzen Sie ln n ≤ ∑ ≤ ln n + 1 und ∑ 2 ≤ 6 i=1 i i=1 i n (c) Sei γ > 1 eine beliebige Konstante. Benutzen Sie die Tschebyscheffsche Ungleichung, um eine obere Schranke für Pr[T > γ · E[T ]] zu berechnen. (d) Bestimmen Sie nun Pr[Bild i wurde nicht bei den ersten r Käufen erworben] Wie müssen Sie r (wir nennen es r̂) wählen, damit diese Wahrscheinlichkeit kleiner als n−β für beliebiges, fest vorgegebenes, konstantes β > 1 ist? Wie ist das Verhältnis von E[T ] und r̂ ? 1 x ≤ e−1 , entsprechend angepaßt,. Nutzen Sie 1 − x (e) Schätzen Sie nun mit Ihren Ergebnissen Pr[T > r̂] ab.