Dynamische Programmierung, Längste gemeinsame Teilfolge

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18. Dynamisches Programmieren
Dynamische Programmierung wie gierige Algorithmen
eine Algorithmenmethode, um Optimierungsprobleme
zu lösen.
Wie Divide&Conquer berechnet Dynamische
Programmierung Lösung eines Problems aus Lösungen
zu Teilproblemen.
Lösungen zu Teilproblemen werden nicht rekursiv
gelöst.
Lösungen zu Teilproblemen werden iterativ beginnend
mit den Lösungen der kleinsten Teilprobleme berechnet
(bottom-up).
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Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
1
Dynamisches Programmieren (2)
Wird häufig angewandt, wenn rekursiver Ansatz
Lösungen zu immer wieder denselben Teilproblemen
lösen wird.
Lernen drei Beispiele kennen: Längste gemeinsame
Teilfolge, optimale Suchbäume, Rucksackproblem.
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18. Dynamisches Programmieren
2
Längste gemeinsame Teilfolge (1)
Seien X = (x1,K, x m ) und Y = (y1,K, y n ) zwei
Teilfolgen, wobei x i , y j ∈ A für ein endliches Alphabet
A. Dann heisst Y Teilfolge von X, wenn es aufsteigend
sortierte Indizes i1,K, in gibt mit x i j = y j für j = 1,K, n.
Beispiel: Y=(B,C,A,C) ist Teilfolge von
X=(A,B,A,C,A,B,C). Wähle (i1, i2 , i3 , i4 ) = (2,4,5,7 ).
Sind X,Y,Z Folgen über A, so heisst Z gemeinsame
Teilfolge von X und Y, wenn Z Teilfolge sowohl von
X als auch von Y ist.
Beispiel: Z=(B,C,A,C) ist gemeinsame Teilfolge von
X=(A,B,A,C,A,B,C) und Y=(B,A,C,C,A,B,B,C).
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18. Dynamisches Programmieren
3
Längste gemeinsame Teilfolge (2)
Z heisst längste gemeinsame Teilfolge von X und Y,
wenn Z gemeinsame Teilfolge von X und Y ist und es
keine andere gemeinsame Teilfolge von X und Y gibt,
die größere Länge als Z besitzt.
Beispiel: Z=(B,C,A,C) ist nicht längste gemeinsame
Teilfolge von X=(A,B,A,C,A,B,C) und
Y=(B,A,C,C,A,B,B,C). Denn (B,A,C,A,C) ist eine
längere gemeinsame Teilfolge von X und Y.
Beim Problem Längste-Gemeinsame-Teilfolge (LCS)
sind als Eingabe zwei Teilfolgen
X = (x1,K, x m ) und Y = (y1,K, y n ) gegeben. Gesucht ist
dann eine längste gemeinsame Teilfolge von X und Y.
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4
Beispiel längste gemeinsame Teilfolge
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Folge X
A
B
C
B
D
A
Folge Y
B
D
C
A
B
A
Folge X
A
B
C
B
D
A
Folge Y
B
D
C
A
B
A
B
B
Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
5
Struktur von LCS
Definition 18.1: Sei X = (x1,K, x m ) eine beliebige Folge. Für
i = 0,1,K,m ist der i-te Präfix von X definiert als
Xi = (x1,K, x i ). Der i-te Präfix von i besteht also aus den
ersten i Symbolen von X. Der 0-te Präfix ist die leere
Folge.
Satz 18.2: Seien X = (x1,K, x m ) und Y = (y1,K, y n ) beliebige
Folgen und sei Z = (z1,K, zk ) eine längste gemeinsame
Teilfolge von X und Y. Dann gilt
1. Ist x m = y n , dann ist zk = x m = y n und Zk −1 ist eine
längste gemeinsame Teilfolge von Xm−1 und Yn−1.
2. Ist x m ≠ y n und zk ≠ x m , dann ist Z eine längste
gemeinsame Teilfolge von Xm−1 und Y .
3. Ist x m ≠ y n und zk ≠ y n , dann ist Z eine längste
gemeinsame Teilfolge von X und Yn−1.
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6
Rekursion für Länge von LCS
Lemma 18.3: Sei c[i, j] die Länge einer längsten
gemeinsamen Teilfolge des i-ten Präfix Xi von X und
des j-ten Präfix Yj von Y. Dann gilt:
0,
falls i = 0 oder j = 0


c[i, j] = 
c[i − 1, j − 1] + 1,
falls i, j > 0 und x i = y j .
max{c[i − 1, j], c[i, j − 1]}, falls i, j > 0 und x ≠ y
i
j

Beobachtung: Rekursive Berechnung der c[i, j] würde zu
Berechnung immer wieder derselben Werte führen.
Dieses ist ineffizient. Berechnen daher die Werte
c[i, j] iterativ, nämlich zeilenweise.
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7
Berechnung der Werte c[i,j]
↑
LCS − Length(X, Y )
1 m ← length(X )
b[i, j] speichert Informationen zur
2 n ← length(Y )
späteren Berechnung einer
3 for i ← 0 to m
längsten gemeinsamen Teilfolge.
do c[i,0] ← 0
4
5 for j ← 0 to n
6
do c[0, j] ← 0
7 for i ← 1 to m
8
do for j ← 1 to n
do if x i = y j
9
10
then c[i, j] ← c[i − 1, j − 1] + 1
11
b[i, j] ← " "
else if c[i - 1, j] ≥ c[i, j − 1]
12
13
then c[i, j] ← c[i − 1, j]
14
b[i, j] ←" ↑"
15
else c[i, j] ← c[i, j − 1]
16
b[i, j] ←" ←"
17 return b, c
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8
Bespieltabellen c[i,j] und b[i,j]
j
i
0
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xi
1
A
2
B
3
C
4
B
5
D
6
A
7
B
0
1
2
3
4
5
6
yj
B
D
C
A
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
2
2
0
1
1
2
2
2
2
0
1
1
2
2
3
3
0
1
2
2
2
3
3
0
1
2
2
3
3
4
0
1
2
2
3
4
4
Datenstrukturen und Algorithmen
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9
Berechnung von LCS aus c und b
↑
Print - LCS(b, X,i, j)
1 if i = 0 ∨ j = 0
2 then return
3 if b[i, j] =" "
4 then Print - LCS(b, X,i - 1, j - 1)
5
print x i
6 else if b[i, j] =" ↑"
7
then Print - LCS(b, X,i - 1, j)
8
else Print - LCS(b, X,i, j - 1)
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Laufzeit von LCS-Length und LCS-Print
Lemma 18.4: Algorithmus LCS-Length hat Laufzeit
O(nm), wenn die Folgen X,Y Länge n und m
haben.
Lemma 18.5: Algorithmus LCS-Print hat Laufzeit
O(n+m), wenn die Folgen X,Y Länge n und m
haben.
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Datenstrukturen und Algorithmen
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Berechnung von LCS aus c,b - Illustration
j
i
0
SS 2006
xi
1
A
2
B
3
C
4
B
5
D
6
A
7
B
0
1
2
3
4
5
6
yj
B
D
C
A
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
2
2
0
1
1
2
2
2
2
0
1
1
2
2
3
3
0
1
2
2
2
3
3
0
1
2
2
3
3
4
0
1
2
2
3
4
4
Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
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Dynamisches Programmieren - Struktur
1. Bestimme rekursive Struktur einer optimalen Lösung.
2. Entwerfe rekursive Methode zur Bestimmung des Werts
einer optimalen Lösung.
3. Transformiere rekursiv Methode in eine iterative
(bottom-up) Methode zur Bestimmung des Werts einer
optimalen Lösung.
4. Bestimmen aus dem Wert einer optimalen Lösung und
in 3. ebenfalls berechneten Zusatzinformationen eine
optimale Lösung.
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Datenstrukturen und Algorithmen
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Optimale binäre Suchbäume (1)
Gegeben ist Folge K = (k1,K, k n ) mit k1 < k1 < L < k n ,
sowie Werte p1,K, pn ; q0 , q1,K, qn ≥ 0 mit
n
n
∑p + ∑ q
i=1
i
j=0
j
= 1.
Bedeutung der pi , q j : Nach Schlüssel k i wird mit
Wahrscheinlichkeit pi gesucht. Nach einem nicht
existierenden Schlüssel im offenen Intervall (k i , k i+1 )
wird mit Wahrscheinlichkeit qi gesucht. Dabei sei
k 0 = −∞ und k n+1 = ∞ .
Repräsentieren nicht existierende Schlüssel im
Intervall (k i , k i+1 ) durch dummy Schlüssel di , i = 0,1,K, n.
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14
Optimale binäre Suchbäume (2)
Gesucht ist binärer Suchbaum Ti , der erwarteten
Aufwand pro Suche minimiert.
Hat k i oder di Tiefe t im Suchbaum T, so ist der
Aufwand für eine Suche nach k i bzw. di genau t+1.
Sei depth T (k i ),depth T (di ) Tiefe von Schlüssel k i bzw. di
in einem Suchbaum T. Dann ist erwarteter Aufwand
einer Suche in T gegeben durch
n
n
i=1
i=0
E[Suchaufwan d] = ∑ (depth T (k i ) + 1) ⋅ pi + ∑ (depth T (di ) + 1) ⋅ qi
n
n
i=1
i=0
= 1 + ∑ depth T (k i ) ⋅ pi + ∑ depth T (di ) ⋅ qi
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Datenstrukturen und Algorithmen
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Nützliche Verallgemeinerung
Verlangen nicht mehr, dass die Werte
p1,K, pn ; q0 , q1,K, qn ≥ 0 eine Wahrscheinlichkeitsvern
teilung bilden. Erlauben also
n
∑p + ∑ q
i=1
i
j=0
≠ 1.
j
Wollen aber weiterhin Suchbaum für die Schlüssel
k 1,K, k n , so dass die Summe
n
n
∑ (depth (k ) + 1) ⋅ p +∑ (depth (d ) + 1) ⋅ q
i=1
T
i
i
i=0
T
i
i
minimiert wird.
Nennen diese Summe trotzdem erwarteten
Suchaufwand.
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Erwarteter Suchaufwand – Beispiele (1)
i
0
1
2
3
4
5
0,15 0,10 0,05 0,10 0,20
pi
qi 0,05 0,10 0,05 0,05 0,05 0,10
k2
k1
d0
k4
k3
d1
d2
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k5
d3
d4
d5
Datenstrukturen und Algorithmen
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Erwarteter Suchaufwand – Beispiele (2)
Knoten
Tiefe
Wahrscheinlichkeit
Beitrag
k1
k2
k3
k4
k5
d0
d1
d2
d3
d4
d5
1
0,15
0,30
0
0,10
0,10
2
0,05
0,15
1
0,10
0,20
2
0,20
0,60
2
0,05
0,15
2
0,10
0,30
3
0,05
0,20
3
0,05
0,20
3
0,05
0,20
3
0,10
0,40
Erwarteter Suchaufwand: 2,80
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Datenstrukturen und Algorithmen
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18
Erwarteter Suchaufwand – Beispiele (3)
i 0
1
2
3
4
5
0,15 0,10 0,05 0,10 0,20
pi
qi 0,05 0,10 0,05 0,05 0,05 0,10
k2
Erwarteter Suchaufwand: 2,75
k1
d0
k5
k4
d1
d4
k3
d2
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d5
d3
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Struktur optimaler Lösung
Satz 18.5: Sei T ein optimaler Suchbaum für die
Schlüsselfolge K = (k1,K,k n ) mit Wahrscheinlichkeiten
p1,K, pn ; q0 , q1,K, qn . Enthält T den Teilbaum T’ mit den
Schlüsseln k i , K , k j , dann ist T’ in optimaler Suchbaum
für die Schlüssel k i , K , k j .
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Rekursive optimale Lösung (1)
Sei e[i, j] der erwartete Suchaufwand für einen
optimalen Suchbaum mit Schlüsseln k i ,K, k j .
Ist k r Wurzel eines optimalen Suchbaums für die
Schlüssel k i ,K, k j , so gilt
e[i, j] = pr + e[i, r − 1] + w[i, r − 1] + e[r + 1, j] + w[r + 1, j].
Dabei ist
j
w [i, j] := ∑ pk +
k =i
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j
∑q
k =i−1
k
.
Datenstrukturen und Algorithmen
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21
Rekursive optimale Lösung (2)
Es gilt :
w[i, j] = pr + w[i, r − 1] + w[r + 1, j]
w[i, j] = p j + q j + w[i, j − 1] .
Damit dann
e[i, j] = e[i, r − 1] + e[r + 1, j] + w[i, j] .
Schließlich folgt
qi−1 ,

e[i, j] = 
{
e[i, r − 1] + e[r + 1, j] + w[i, j]},
min
i≤ r ≤ j
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falls j = i - 1
falls i ≤ j .
22
Berechnung der Werte e[i,j]
Optimal − BST (p, q, n)
root [i, j] speichert Informationen zur
1 for i ← 1 to n + 1
späteren Berechnung eines opt2
do e[i, i - 1] ← qi−1
malen Suchbaums
3
w[i, i - 1] ← qi−1
4 for l ← 1 to n
5
do for i ← 1 to n - l + 1
6
do j ← i + l − 1
7
e[i, j] ← ∞
8
w[i, j] ← w[i, j − 1] + p j + q j
9
for r ← i to j
10
do t ← e[i, r − 1] + e[r + 1, j] + w[i, j]
11
if t < e[i, j]
12
then e[i, j] ← t
13
root[i, j] ← r
14 return e, root
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Datenstrukturen und Algorithmen
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23
Laufzeit von Optimal-BST
Satz 18.7: Optimal-BST hat bei einer Folge von n
Schlüsseln Laufzeit O (n3 ).
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Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
24
Beispiel für Optimal-BST
i
0
1
2
3
4
5
0,15 0,10 0,05 0,10 0,20
pi
qi 0,05 0,10 0,05 0,05 0,05 0,10
w
e
5
1,75
3
1,25
2
0,90
1
0,45
0
2,75
4
j
0,05
0,30
0,05
0,50
0,45
1
5
0,05
0,55
2
4
0,90
0,70
3
3
0,30
0
6
0,05
0,10
1
1,00
4
j
i
1,30
0,60
0,25
0,05
2
2,00
1,20
0,70
0,40
0,10
5
1
0,25
0,10
3
0,60
0,30
0,15
0,05
i
0,80
0,50
0,35
2
0,50
0,20
0,05
4
5
0,35
0,05
6
0,10
root
5
2
3
2
2
1
1
1
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2
4
j
1
4
2
2
2
2
3
5
4
3
i
4
5
4
5
5
Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
25
Dynamisches Programmieren - Struktur
1. Bestimme rekursive Struktur einer optimalen Lösung.
2. Entwerfe rekursive Methode zur Bestimmung des Werts
einer optimalen Lösung.
3. Transformiere rekursiv Methode in eine iterative
(bottom-up) Methode zur Bestimmung des Werts einer
optimalen Lösung.
4. Bestimmen aus dem Wert einer optimalen Lösung und
in 3. ebenfalls berechneten Zusatzinformationen eine
optimale Lösung.
SS 2006
Datenstrukturen und Algorithmen
18. Dynamisches Programmieren
26
0/1-Rucksackproblem und dynamisches Programmieren
Gegeben sind n Gegenstände g1,K, gn mit Werten
v1,K, v n und Gewichten w 1,K, w n . Außerdem ist eine
Gewichtsschranke G gegeben.
Zulässige Lösungen sind Zahlen a1,K, an ∈ {0,1} mit
n
∑a w
i=1
i
i
≤ G.
D.h. jeder Gegenstand muss entweder vollständig oder
überhaupt nicht genommen werden.
Gesucht ist eine zulässige Lösung
mit möglichst
n
∑ ai v i .
großem Gesamtwert
i=1
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Datenstrukturen und Algorithmen
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27
Struktur einer optimalen Lösung
Definieren für i=1,…,n und x ∈ Z den Wert g [i , x ] als das
minimale Gesamtgewicht einer Teilmenge der ersten i
Gegenstände mit Gesamtwert mindestens x.
Lemma 18.8: Der optimale Wert opt für eine Instanz
des 0/1-Rucksackproblems ist gegeben durch
max{x : g [n, x ] ≤ G}
SS 2006
Datenstrukturen und Algorithmen
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Rekursive optimale Lösung
Lemma 18.9: Für alle i=0,…,n und alle ganzzahligen x gilt:
0,


g [i , x ] := 
∞,
min{g [i − 1, x ],w + g [i − 1, x − v ]},
i
i

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falls x ≤ 0
falls x > 0, i = 0
falls i , x > 0
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Berechnung der Werte g[i,v] bis zum Optimum
Optimal − Knapsack (w ,v ,G )
1 x←0
2 for i ← 0 to n
3
do g[i, x ] ← 0
4 while g[n, x ] ≤ G
5
do x ← x + 1
6
g[0, x ] ← ∞
7
for i ← 1 to n
8
9
10
do g[i, x ] ← g [i − 1, x ]
if w i + g [i − 1, max{ x - v i ,0} ] < g[i, x ]
then g[i, x ] ← w i + g [i − 1, max{ x - v i ,0} ]
11 return x - 1
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30
Beispiel für Optimal-Knapsack
vi
1
2
1
3
i
1
2
3
4
x
0
1
2
3
4
5
6
0
0
∞
∞
∞
∞
∞
∞
1
0
2
∞
∞
∞
∞
∞
2
0
2
3
5
∞
∞
∞
3
0
1
3
4
6
∞
∞
4
0
1
1
1
2
4
5
i
SS 2006
wi
2
3
1
1
Datenstrukturen und Algorithmen
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31
Laufzeit von Optimal-Knapsack
Lemma 18.9: Bei n Gegenständen hat Optimal-Knapsack
Laufzeit O (n ⋅ opt ) , wobei opt der Wert einer
optimalen Lösung ist.
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32
Dynamisches Programmieren - Struktur
1. Bestimme rekursive Struktur einer optimalen Lösung.
2. Entwerfe rekursive Methode zur Bestimmung des Werts
einer optimalen Lösung.
3. Transformiere rekursiv Methode in eine iterative
(bottom-up) Methode zur Bestimmung des Werts einer
optimalen Lösung.
4. Bestimmen aus dem Wert einer optimalen Lösung und
in 3. ebenfalls berechneten Zusatzinformationen eine
optimale Lösung.
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