204512-53/lecture2

Loop Invariants

• การเรียงข้อมูล ยกตัวอย่าง

1. Insertion Sort
2. Bubble Sort

Insertion Sort

Algorithm

  1.   for i = 2  to  n       (พิจารณาข้อมูล array A[i])

  2.   x $\Leftarrow$ A[i]  , j $\Leftarrow$ (i - 1)

  3.   While (i > 0) and (A[j] > x)
               
                A[j+1] $\Leftarrow$ A[j]
                
                j $\Leftarrow$ j-1
                
                A[j+1] = x

Loop Invariants

  1. I จริงก่อนทำ (Initialization)
  2. ทุกๆรอบหลัง loop ทำเสร็จ I ก็จริง (Maintainance)
  3. ถ้า loop จบการทำงาน +I (Termination)
  เป้าหมายก็คือโปรแกรมถูกต้องตรงกับ termination ที่เราต้องการ

Proof

  1. I : A[1,...,i-1] เป็นข้อมูลชุดเดียวกับ A[1,....,i-1]ตั้งต้นและเรียงลำดับจากน้อยไปมาก

  2. รอบที่ K ใดๆ    i = k    A[1,...,k-1]   A[k]      
                     .      ตัวที่ 1 ... k-1     K
                     .
                     .
                     .
                   i = k+1  A[1,....,k](เรียงตามลำดับ)

ถ้า loop Invariants จริง โปรแกรมทำงานเรื่อย จะหยุดทำงานเมื่อเงื่อนไขไม่จริง

Bubble Sort

พิจารณา array A = [2,1,3,4,6,5,7,9,10]

Algorithm

  1.   for j $\Leftarrow$ 1 to  n
  2.       i $\Leftarrow$ 1
  3.       while i<n
  4.          if A[i]>A[i+1]
  5.             swap(A[i],A[i+1])                
  6.          i $\Leftarrow$ i+1

Loop Invariant

I1: "A ช่อง j-1 ช่องสุดท้ายเรียงลำดับจากน้อยไปมาก และเป็นข้อมูล j-1 ตัวที่มีค่ามากที่สุดใน A"

I2: "A[i] มีค่ามากสุดในบรรดา A[1,...,i]"

Proof I2

1. เริ่มต้น i=1 เห็นตัวเดียว เพราะฉะนั้น Initial จริง

2. ตาม if ถ้าตัวที่ i มากกว่า i+1 ก็สลับ เพราะฉะนั้น i เป็นตัวที่มากสุึด

3.โปรแกรมทำงานเรื่อย จะหยุดทำงานเมื่อเงื่อนไขไม่จริง

BIG O

Definition

     function f(n) เป็น O(g(n)) หรือ f(n) = O(g(n)) 

     ถ้ามี n0 และ c(คือค่าคงที่) ที่ 

     f(n) ≤ c.g(n)    โดยที่ n   ≥  n0

ตัวอย่าง กราฟ Big O

ตัวอย่าง1

พิสูจน์ 1000n = O(n²)

ถ้า n > 1000 $\Rightarrow$ n² ≥ 1000n

ให้ n₀ = 1001 , c = 1 $\Rightarrow$ 1000n ≤ 1n²

เมื่อ n ≥ 1001

Binary Search Tree

ตัวอย่าง Binary Tree

ตัวอย่าง Subtree

ตัวอย่างการเก็บค่าใน Tree

Function

เมื่อ x=>root, k=>key

• INSERT(x,k)
• FIND(x,k)
• MIN(x) -ไล่ tree ทางด้านซ้าย
• MAX(x) -ไล่ tree ทางด้านขวา
• SUCCESSOR(x,k) -หาตัวถัดไปที่ติดกับมันหลังเรียง
• DELETE(x,k)

FIND(x,k)

  if x=NIL return NIL
  if x.key=k
     return x
  else if x.key<k
     return FIND(x.right,k)
  else
     return FIND(x.left,k)

อื่นๆ

• ความลึกของ Tree - ความยาวสูงสุดจาก root ถึง leaf (ที่ root ลึก 0)

• มีข้อมูล n ตัว สูงอย่างน้อย log n

Red-Black Trees

• เป็น Binary tree
• Assume ว่าทุก node จบลงที่ Nil Node(All leaf node is Nil)

เงื่อนไข

• Node ใดๆจะเป็นสีแดงไม่ก็ดำ
• Root เป็นสีดำ
• Leaf เป็นสีดำ
• Node ใดเป็น Red Node Child ของ Node นั้นจะต้องเป็น Black Node
• จาก Node u ใดๆทุกๆ Path จาก Node ดังกล่าวไปยัง Leaf ของมันจะต้องมี Node ที่เป็นสีดำเท่ากันทั้งหมด

Lemma

Red-Black tree ที่มี n internal nodes จะมีความสูงไม่เกิน 2log(n+1)

Proof

นิยาม ที่ Node u ใดๆ bh(u) (black height ของ u) จะเท่ากับจำนวน Black Node จาก u ไป Node Leaf ใดๆ(ไม่นับ u))

Claim

สำหรับ internal node u ใดๆจำนวน internal node ใน sub-tree ใดๆที่ u เป็น rootจะมีค่าไม่น้อยกว่า 2^bh(u) -1

Proof (By induction)

ให้ w = u.left และ h = u.right

     bh(w) ≥ bh(u) – 1

     bh(x) ≥ bh(u) – 1

โดย Induction

     Sub-tree ของ w มี internal node ≥ 2^bh(w) -1 ≥ 2^(bh(u)-1)  -1

     Sub-tree ของ x มี internal node ≥ 2^bh(x) -1 ≥ 2^(bh(u)-1)  -1

ดังนั้น internal node ของ u = 1 + 2^(bh(u)-1) -1 + 2^(bh(u)-1) -1 = 2^bh(u) -1

พิจารณา Red-Black Tree ใดๆสูง h

bh(h) ≥ h/2 (เนื่องจาก Red Node จะต้องตามด้วย Black Node เสมอ)

จะได้ Internal node (n)

     n 	≥ 2^bh(h) -1

     n 	≥ 2^(h/2)-1

     n+1       ≥ 2^(h/2)

     log(n+1)  ≤ h/2

     h	       ≤2log(n+1)