Мастер класс по алгоритмам. Часть 1

Мастер-класс по алгоритмам

Павел Егоровhttps://twitter.com/xoposhiy

pe@kontur.ru

Disclaimer

• 200 часов — примерно столько нужно для подготовки минимального специалиста по алгоритмам

• Длительность мастер-класса — 8 часов

Сложность алгоритмовC.N2 с различными константами

Кажется, что константа очень важна

C.N и C.N log(N) в сравнении с C.N2

Константа уходит далеко на второй план

Сложность алгоритмов

• Процессор устроен так, что разные операции стоят разное количество тиков.

• И даже стоимость одной операции может различаться в разы в зависимости от условий

• Константа не имеет смысла!• Принято писать O(N log N), игнорируя

константу

Асимптотическая сложность

Говорят, «сложность алгоритма O(f(n))», если количество операций подразумеваемого вычислителя начиная с некоторого достаточно большого n0 меньше, чем f(n)(с точностью до константы).

Боле строго:

∃C>0, n₀: n > n₀ → operations(n) < C∀ ⋅f(n)

Массив

• Массив: область памяти.• Операции: – a[i] = x – x = a[i]– a.Length

• Важно: нельзя увеличить размер массива

ЗадачаЦиклический сдвиг массива

Сдвинуть массив циклически на k.Идея: k раз сдвинуть массив циклически на 1

Сложность?

Правильное решение?

Циклический сдвиг массива

Циклический сдвиг массива

Reverse(array, 0, k-1); //O(k)Reverse(array, k, n-1); //O(n-k)Reverse(array, 0, n-1); // O(n)

Динамический массив

Хотим массив, но с дополнительной операцией Add(x)Идея: – Держать массив размером с запасом.– Помнить количество использованных

элементов этого массива– При исчерпании запаса — создавать новый

больший массив и копировать всё в него

Динамический массив

Add(x){ if (Count == array.Length) { var newArray = CreateNewArrayOfSize(array.Length+10); Copy(array, newArray); array = newArray; } array[Count++] = x;}for(int i=0; i<N; i++) list.Add(i);

O(N + 10 + 20 + 30 + … + N) = O(N + (10 + N) * N / 20)= O(N*N)

Динамический массив

Add(x){ if (Count == array.Length) { var newArray = CreateNewArrayOfSize(2*array.Length); Copy(array, newArray); array = newArray; } array[Count++] = x;}for(int i=0; i<N; i++) list.Add(i);

O(N + 2 + 4 + 8 + … + N) = O(N + 2*N)= O(N)

ЕЩЁ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ

Бинарное дерево поиска

Хотим новую структуру данных Set!Операции:

Contains(x), Add(x) быстрее O(N)

Node {Node left, right;int value;

}

Сложность операций?

Бинарное дерево. Балансировка

Бинарное дерево поиска

На той же идее можно сделать и MapОперации:

Add(key, value)

value = Find(key)

Node {Node left, right;int key;string value;

}

Бинарное дерево поиска. Задача

Сделать эффективную (быстрее O(N)) операциюnode = GetNodeAt(index)

Сложность операции?

Node {Node left, right;int key;string value;int size;

}

Бинарное дерево поиска. Задача

Какова может быть сложность операции обхода всех узлов, начиная с первого узла с ключом left и заканчивая последним узлом с ключом right?

foreach(Node node in GetAll(left, right))

Write(node.value);

Node {

Node left, right;

int key;

string value;

}

Бинарное дерево поиска

Добавление пары (key, value)Поиск по ключуПоиск i-ого элемента

Перебор K последовательных элементов

O(log N)

O(K)

Хэш-таблица

Хэш-таблица

Добавление парыПоиск по ключу

Поиск i-ого элементаПеребор последовательных элементов

O(1)

O(N)

Hash vs Tree

0 2000000 4000000 6000000 8000000 100000000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000Tree Hash

0 5000000 1000000002468

1012

Tree/Hash

C# 5.0 (Dictionary & SortedDictionary), i7 2GHz

Hash vs Treeint → int int → string string → string

Hash 0.5 3 6Tree 5 9 44

int → int int → string string → stringHash 0.7 3 8Tree 7 12 75

int → int int → string string → stringHash 250 Mb 660 Mb 930 MbTree 290 Mb 560 Mb 850 Mb

Расход памяти на 10М пар

Поиск 10М пар (в секундах)

Добавление 10М пар (в секундах)

C# 5.0 (Dictionary & SortedDictionary), i7 2GHz

Задачка 1

Показать всех друзей Пети, которые были на этой странице новостей.

Задачка 2

Произвести нечеткое сравнение двух текстов. Результат сравнения — число от 0 до 1:0 — не похожи, 1 — полностью совпадают

Задачка 3

Найти все товары, в описании которых встречаются все перечисленные теги.

SQL Select

SELECT friend1 FROM Friends WHERE friend2 = ‘134123’

Индекс по friend2 — это что?Дерево или хэш?Что ключ, а что значение?

Обычные SQL-индексы — деревья

B-Tree, B*Tree, B+Tree, …Оптимизируют работу с дискомОчень похожи по характеристикам на бинарные деревья.Держать все данные в памяти будет быстрее (MemCache, Redis, …)

SQL и индексы

8.5.3. How MySQL Uses Indexeshttp://dev.mysql.com/doc/refman/5.0/en/mysql-indexes.html

SQL и понимание индексов

SELECT * FROM t WHERE a = 1;SELECT a FROM t WHERE a = 1;SELECT f1, f2, f3 FROM t WHERE f1='abc' AND f2=2SELECT top 10 a FROM t WHERE a > 1 ORDER BY a;SELECT * FROM t WHERE name LIKE 'abc%';SELECT * FROM t WHERE name LIKE '%abc';SELECT * FROM t WHERE a > 100 AND b < 10;SELECT * FROM t WHERE a = 100 AND b < 10;SELECT * FROM t WHERE a > 100 AND b = 10;SELECT * FROM t WHERE f1='abc' AND f2 = 2;SELECT * FROM t WHERE f1='abc' AND f2=2

ORDER BY f3 DESC, f4 ASC

SELECT * FROM t WHERE f1='abc' OR f2=2;SELECT * FROM t WHERE DateAdd(f1, 7) = '2011-01-01';SELECT * FROM t WHERE f1 = DateAdd( '2011-01-01', -7)SELECT * FROM points

WHERE x BETWEEN 100 AND 200AND y BETWEEN 200 AND 400;

SELECT * FROM t1 JOIN t2 ON t1.cityname = t2.citynameSELECT * FROM parent

JOIN child ON child.parentId = parent.idWHERE parent.type = 'important';

JOIN + Индексыhttp://en.wikipedia.org/wiki/Join_(SQL)#Implementation

«Иные» запросы— иные индексы

— иные структуры данных

Полнотекстовый поиск

«котики порно скачать бесплатно»• [Исправление опечаток]• Лемматизация (кот порн скач бесплатн)• Синонимия (белочки sex download без смс)• Обратный индекс (слово → документы)• Ранжирование (сортировка результатов)

Ключевые слова: Lucene (Solr, Elasticsearch), Sphinx

Гео-поиск

«найди кафешку рядом со мной»SELECT * FROM Poi WHERE type="cafe"

AND Distance(location, me) < 1000R-Tree (rectangles tree), GeohashКлючевые слова:

MySQL spatial extensions,Spatial Index, Geometric types, PostGIS

Распределенные БД

Кластер, все данные в памяти →• Хэш-индексы — скорость• Деревянные индексы — порядок

Как обрабатывать запросы?

Домашнее задание 0Определить асимптотическую сложность алгоритма:

int F0(int n){

int x = 0;

for(int i=0; i<n; i++)

for(int j=1; j<n; j*=2)

x += i*j;

return x;

}

Домашнее задание 1Определить асимптотическую сложность алгоритма:

int F1(int n){int x = 0;for(int i=0; i<n; i++)

for(int j=i; j<n-i; j+=2)x += i*j;

return x;}

Домашнее задание 2

Определить асимптотическую сложность алгоритма:

int F2(int n){int x = 0;int j = 1;for(int i=1; i<n; i++) {

while (j<n && j%i !=0) j++;if (j<n) x += i*j;

}return x;

}

Домашнее задание 3*Дан алгоритм:

void Make(int n, bool flag){

if (n==0) return;for (int i=0; i<n; i++) Action(flag);Make((int)(A*n), flag);Make((int)(A*n), !flag);

}

Действие Action выполняется за константное время. Определить асимптотическую сложность алгоритма при A=1/2, A=1/3 и A=2/3

Домашнее задание 4

Могут происходить следующие события:• Добавление нового комментария• Удаление комментария• «Like» комментарию• Запросить K не удалённых комментариев,

которые менялись (добавлялись или лайкались) самыми последними.

Ещё о применении хэшей

Ключевые слова:полиномиальный хэш, rolling hash

Книги

Александр Шень (Free)

Online курсы

https://www.coursera.org/courses?orderby=upcoming&search=algorithms&cats=cs-theory

Сайты для тренировок

http://acm.timus.ru http://projecteuler.nethttp://www.sql-ex.ru/