第3回 アルゴリズムと計算量 2019/2/24.

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授業展開#12 コンピュータの扱いにくい問 題. 扱いにくい問題  処理時間がかかる。  メモリを大量に必要とする。  プログラムの優劣、アルゴリズムの優劣 を比較するためには、標準的なコン ピュータで比較する必要がある。  処理時間を計るのに、コンピュータのモ デルとして、チューリングマシンを考え、
G 問題 コードアート オンライン 原案:西出 ライタ:伊藤 テスタ:西出. 問題概要 0 大きさのさまざまな n 個の円に多角形 m 個を入れら れるか判定する問題 0 ただし、同じ円に複数の多角形を入れることはでき ない 0 もし、入れられる場合は、辞書順最小の入れ方を出 力 ① ② ③ ① ②.
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第3回 アルゴリズムと計算量 2019/2/24

n個の都市を訪問する巡回路の数は n!を近似的に表すStirlingの公式 Big Oh 記法 関数 の定数倍の大きさを気に 巡回セールスマン問題の計算量 n個の都市を訪問する巡回路の数は n!を近似的に表すStirlingの公式 Big Oh 記法 関数 の定数倍の大きさを気に しないときは無視できるという意味 2019/2/24

Stirlingの公式はn!がおよそnnであることを示唆 巡回セールスマン問題(計算量) Stirlingの公式はn!がおよそnnであることを示唆 巡回セールスマン問題はハノイの塔(2n)より困難 2019/2/24

関数がおおよそ何々以下であることを表すための記号 定義(O(f(n)): オーダーf(n)) O記号(Big O Notation) 関数がおおよそ何々以下であることを表すための記号 定義(O(f(n)): オーダーf(n)) 関数g(n)がO(f(n))であるとは,ある定数cとmが存在して,全てのn>mに対して |g(n)|< c |f(n)|  が成り立つこと(微積分のε-δ論法). 多項式オーダー(良いアルゴリズム) 指数オーダー(悪いアルゴリズム) 2019/2/24

問題の大きさを表す代表的なパラメータ 入力サイズ たとえば 巡回セールスマン問題の場合は都市の数 最小木問題の場合はスパイの数 ハノイの塔の場合は板の数 最大安定集合問題の場合は首脳の数 2019/2/24

入力サイズの指数関数で計算時間が表現できるアルゴリズム 指数時間・多項式時間 指数時間アルゴリズム = 入力サイズの指数関数で計算時間が表現できるアルゴリズム 効率的でないアルゴリズムの代名詞 多項式時間アルゴリズム = 入力サイズの多項式関数で計算時間が表現できるアルゴリズム 効率的なアルゴリズムの代名詞 2019/2/24

100MIPS(million instructions per second)の計算機を用いた場合 指数時間アルゴリズムの計算時間 入力 サイズ 計算時間 10 20 30 40 50 100 100MIPS(million instructions per second)の計算機を用いた場合 1宙齢=150億年 2019/2/24

多項式時間アルゴリズムの計算時間 入力 サイズ 計算時間 10 20 30 40 50 100 1000 10000 2019/2/24

多項式時間アルゴリズムをひとつ見つければよい,簡単 クラスP 多項式時間アルゴリズムで解を求めることができる問題 の集合をクラスPと呼ぶ. ある問題がクラスPにはいっていることを証明 多項式時間アルゴリズムをひとつ見つければよい,簡単 ある問題がクラスPに入っていないことを証明 ???,難しい(背理法などを用いる) 2019/2/24

あるグラフに対してEuler閉路は存在するか否か クラスNP 決定問題 答えがYESかNOの問題 例)Euler閉路問題 あるグラフに対してEuler閉路は存在するか否か クラスNP 決定問題がYESであるための「証拠」が,入力サイズの多項式 の大きさでおさえられるとき,その決定問題はクラスNPに入る. 例)Euler閉路問題 Euler閉路問題がYESであるための証拠はEuler閉路そのもの である.入力サイズはグラフの頂点数であり,Euler閉路を 通過する点の順番で表現した場合その大きさは点数の 多項式でおさえることができる. 2019/2/24

それを解くことができれば全てのNP問題を(帰着によって) 解くことができる問題=NP完全問題 クラスNPのなかで最も難しいクラス=NP完全 2019/2/24

NP NP完全 P 多くの人が信じて いる世界 NP=P NP完全 こういう可能性も ある PとNPとNP完全の包含関係 巡回セールスマン問題(決定問題) ナップサック問題(決定問題) 最大安定集合問題(決定問題) NP=P NP完全 P Euler閉路問題 最短路問題 最大流問題 最小費用流問題 線形計画問題 こういう可能性も ある 2019/2/24

解いた人にはクレイ数学研究所から100万ドルの賞金 P=NP? 多くの人が信じて いる世界 NP NP完全 NP=P NP完全 こういう可能性も ある P どちらが正しいかまだわかっていない 計算量理論の重要な問題 解いた人にはクレイ数学研究所から100万ドルの賞金 2019/2/24

どんなにがんばってもその問題を効率的に解く方法を 見つけられない 「僕もこの問題を解けないけれども, みんなも解くことができない」と説明する NP完全=難しい? ある問題を解くことを上司に命令される ↓ どんなにがんばってもその問題を効率的に解く方法を 見つけられない 「僕もこの問題を解けないけれども, みんなも解くことができない」と説明する 2019/2/24

決定問題ではなく,少なくともNP完全問題以上に難しい問題 = NP困難問題 NP困難に属する問題 巡回セールスマン問題 最大安定集合問題 など他多数 2019/2/24