Презентация "Динамические структуры данных"

Скачать материал

Подписи к слайдам:

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

Указатели
Динамические массивы
Структуры
Списки

Стеки, очереди, деки
Деревья
Графы

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 1. Указатели

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Статические данные

переменная (массив) имеет имя, по которому к ней можно обращаться
размер заранее известен (задается при написании программы)
память выделяется при объявлении
размер нельзя увеличить во время работы программы

var x, y: integer;
z: real;
A: array[1..10] of real;
str: string;

<number>

Динамические данные

размер заранее неизвестен, определяется во время работы программы
память выделяется во время работы программы
нет имени?

Проблема:
как обращаться к данным, если нет имени?
Решение:
использовать адрес в памяти
Следующая проблема:
в каких переменных могут храниться адреса?
как работать с адресами?

<number>

Указатели

Указатель – это переменная, в которую можно записывать адрес другой переменной (или блока памяти).
Объявление:
Как записать адрес:

var pC: ^char; // адрес символа
pI: ^integer; // адрес целой переменной
pR: ^real; // адрес вещ. переменной

var m: integer; // целая переменная
pI: ^integer; // указатель
A: array[1..2] of integer; // массив
...
pI:= @ m; // адрес переменной m
pI:= @ A[1]; // адрес элемента массива A[1]
pI:= nil; // нулевой адрес

указатель

адрес ячейки

<number>

Обращение к данным через указатель

program qq;
var m, n: integer;
pI: ^integer;
begin
m := 4;
pI := @m;
writeln('Адрес m = ', pI); // вывод адреса
writeln('m = ', pI^); // вывод значения
n := 4*(7 - pI^); // n = 4*(7 - 4) = 12
pI^ := 4*(n - m); // m = 4*(12 – 4) = 32
end.

«вытащить» значение по адресу

<number>

Обращение к данным (массивы)

program qq;
var i: integer;
A: array[1..4] of integer;
pI: ^integer;
begin
for i:=1 to 4 do A[i] := i;
pI := @A[1]; // адрес A[1]
while ( pI^ <= 4 ) // while( A[i] <= 4 )
do begin
pI^ := pI^ * 2; // A[i] := A[i]*2;
pI := pI + 1; // к следующему элементу
end;
end.

переместиться к следующему элементу = изменить адрес на sizeof(integer)

Не работает в PascalABC.NET!

<number>

Что надо знать об указателях

указатель – это переменная, в которой можно хранить адрес другой переменной;
при объявлении указателя надо указать тип переменных, на которых он будет указывать, а перед типом поставить знак ^ ;
знак @ перед именем переменной обозначает ее адрес;
запись p^ обозначает значение ячейки, на которую указывает указатель p;
nil – это нулевой указатель, он никуда не указывает
при изменении значения указателя на n он в самом деле сдвигается к n-ому следующему числу данного типа (для указателей на целые числа – на n*sizeof(integer) байт).

Нельзя использовать указатель, который указывает неизвестно куда (будет сбой или зависание)!

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 2. Динамические массивы

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Где нужны динамические массивы?

Задача. Ввести размер массива, затем – элементы массива. Отсортировать массив и вывести на экран.
Проблема:
размер массива заранее неизвестен.
Пути решения:

выделить память «с запасом»;
выделять память тогда, когда размер стал известен.

Алгоритм:

ввести размер массива;
выделить память ;
ввести элементы массива;
отсортировать и вывести на экран;
удалить массив.

выделить память

удалить массив

<number>

Использование указателей (Delphi)

program qq;
type intArray = array[1..1] of integer;
var A: ^intArray;
i, N: integer;
begin
writeln('Размер массива>');
readln(N);
GetMem(pointer(A), N*sizeof(integer));
for i := 1 to N do
readln(A[i]);
... { сортировка }
for i := 1 to N do
writeln(A[i]);
FreeMem(pointer(A));
end.

выделить память

освободить память

работаем так же, как с обычным массивом!

какой-то массив целых чисел

<number>

Использование указателей

для выделения памяти используют процедуру GetMem
GetMem( указатель, размер в байтах );
указатель должен быть приведен к типу pointer –указатель без типа, просто адрес какого-то байта в памяти;
с динамическим массивом можно работать так же, как и с обычным (статическим);
для освобождения блока памяти нужно применить процедуру FreeMem:
FreeMem ( указатель );

<number>

Ошибки при работе с памятью

Запись в «чужую» область памяти:

память не была выделена, а массив используется.
Что делать: так не делать.

Выход за границы массива:

обращение к элементу массива с неправильным номером, при
записи портятся данные в «чужой» памяти.
Что делать: если позволяет транслятор, включать проверку выхода за границы массива.

Указатель удаляется второй раз:

структура памяти нарушена, может быть все, что угодно.
Что делать : в удаленный указатель лучше записывать nil, ошибка выявится быстрее.

Утечка памяти:

ненужная память не освобождается.
Что делать : убирайте «мусор» (в среде .NET есть сборщик мусора!)

<number>

Динамические массивы(Delphi)

program qq;
var A: array of integer;
i, N: integer;
begin
writeln('Размер массива>');
readln(N);
SetLength ( A, N );
for i := 0 to N-1 do
readln(A[i]);
... { сортировка }
for i := 0 to N-1 do
writeln(A[i]);
SetLength( A, 0 );
end.

выделить память

освободить память

какой-то массив целых чисел

нумерация с НУЛЯ!

<number>

Динамические массивы (Delphi)

при объявлении массива указывают только его тип, память не выделяется:
var A: array of integer;
для выделения памяти используют процедуру SetLength (установить длину)
SetLength ( массив, размер );
номера элементов начинаются с НУЛЯ!
для освобождения блока памяти нужно установить нулевую длину через процедуру SetLength:
SetLength ( массив, 0 );

<number>

Динамические матрицы (Delphi)

Задача. Ввести размеры матрицы и выделить для нее место в памяти во время работы программы.
Проблема:
размеры матрицы заранее неизвестны
Решение:

var A: array of array of integer;
N, M: integer;
begin
writeln('Число строк и столбцов>');
readln(N, M);
SetLength ( A, N, M );
... // работаем, как с обычной матрицей
SetLength( A, 0, 0 );
end.

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 3. Структуры (записи)

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Структуры (в Паскале – записи)

Структура (запись) – это тип данных, который может включать в себя несколько полей – элементов разных типов (в том числе и другие структуры).

Свойства:

автор (строка)
название (строка)
год издания (целое число)
количество страниц (целое число)

Задача: объединить эти данные в единое целое

Размещение в памяти

автор	название	год издания	количество страниц
40 символов	80 символов	целое	целое

<number>

Одна запись

readln(Book.author); // ввод
readln(Book.title);
Book.year := 1998; // присваивание
if Book.pages > 200 then // сравнение
writeln(Book.author, '.', Book.title); // вывод

Объявление (выделение памяти):

var Book: record
author: string[40]; // автор, строка
title: string[80]; // название, строка
year: integer; // год издания, целое
pages: integer; // кол-во страниц, целое
end;

название

запись

поля

Обращение к полям:

Для обращения к полю записи используется точка!

<number>

Массив записей

Объявление (выделение памяти):

const N = 10;
var aBooks: array[1..N] of record
author: string[40];
title: string[80];
year: integer;
pages: integer;
end;

Books[1] ... Books[10]

author

title

year

pages

<number>

Массив записей

for i:=1 to N do begin
readln(aBooks[i].author);
readln(aBooks[i].title);
...
end;
for i:=1 to N do
if aBooks[i].pages > 200 then
writeln(aBooks[i].author, '.',
aBooks[i].title);

Обращение к полям:

aBooks[i].author – обращение к полю author записи aBooks[i]

<number>

Новый тип данных – запись

const N = 10;
var Book: TBook; // одна запись
aBooks: array[1..N] of TBook; // массив

Объявление типа:

type TBook = record
author: string[40]; // автор, строка
title: string[80]; // название, строка
year: integer; // год издания, целое
pages : integer; // кол-во страниц, целое
end;

Память не выделяется!

Объявление переменных и массивов:

TBook – Type Book («тип книга») – удобно!

<number>

Записи в процедурах и функциях

Book.author := 'А.С. Пушкин';
ShowAuthor ( Book );
Book.year := 1800;
writeln( IsOld(Book) );

Процедура:

procedure ShowAuthor ( b: TBook );
begin
writeln ( b.author );
end;

Основная программа:

function IsOld( b: TBook ): boolean;
begin
IsOld := b.year < 1900;
end;

Функция:

<number>

Файлы записей

Объявление указателя на файл:

var F: file of TBook;

Assign(F, 'books.dat'); { связать с указателем }
Rewrite(F); { открыть файл для запись }
writeln(F, Book); { запись }
for i:=1 to 5 do
writeln(aBook[i]); { запись }
Close(F); { закрыть файл }

Запись в файл:

<number>

Чтение из файла

Известное число записей:

Assign(F, 'books.dat'); { связать с указателем }
Reset(F); { открыть для чтения }
Read(F, Book); { чтение }
for i:=1 to 5 do
Read(F, aBook[i]); { чтение }
Close(F); { закрыть файл }

«Пока не кончатся»:

count := 0;
while not eof(F) do begin
count := count + 1; { счетчик }
Read(F, aBook[count]); { чтение }
end;

В чем может быть проблема!

пока не дошли до конца файла F
EOF = end of file

<number>

Пример программы

Задача: в файле books.dat записаны данные о книгах в виде массива структур типа TBook (не более 100). Установить для всех 2008 год издания и записать обратно в тот же файл.

type Tbook … ;
const MAX = 100;
var aBooks: array[1..MAX] of TBook;
i, N: integer;
F: file of TBook;
begin
{ прочитать записи из файла, N - количество }
for i:=1 to N do
aBooks[i].year := 2008;
{ сохранить в файле }
end.

type TBook … ;

полное описание структуры

<number>

Пример программы

Чтение «пока не кончатся»:

Assign(f, 'books.dat');
Reset(f);
N := 0;
while not eof(F) and (N < MAX) do begin
N := N + 1;
read(F, aBooks[N]);
end;
Сlose(f);

Assign(f, 'books.dat'); { можно без этого }
Rewrite(f);
for i:=1 to N do write(F, aBooks[i]);
Close(f);

Сохранение:

чтобы не выйти за пределы массива

<number>

Выделение памяти под запись

var pB: ^TBook;
begin
New(pB);
pB^.author := 'А.С. Пушкин';
pB^.title := 'Полтава';
pB^.year := 1990;
pB^.pages := 129;
Dispose(pB);
end.

Для обращения к полю записи по адресу используется знак ^

New(pB);

выделить память под запись, записать адрес в pB

Dispose(pB);

освободить память

pB: ^TBook;

переменная-указатель на TBook

<number>

Сортировка массива записей

Ключ (ключевое поле) – это поле записи (или комбинация полей), по которому выполняется сортировка.

const N = 100;
var aBooks: array[1..N] of TBook;
i, j, N: integer;
temp: TBook; { для обмена }
begin
{ заполнить массив aBooks }
{ отсортировать = переставить }
for i:=1 to N do
writeln(aBooks[i].title,
aBooks[i].year:5);
end.

<number>

Сортировка массива записей

for i:=1 to N-1 do
for j:=N-1 downto i do
if aBooks[j].year > aBooks[j+1].year
then begin
temp := aBooks[j];
aBooks[j] := aBooks[j+1];
aBooks[j+1] := temp;
end;

Какой ключ сортировки?

Какой метод сортировки?

Что плохо?

<number>

Сортировка массива записей

Проблема: как избежать копирования записи при сортировке?
Решение: использовать вспомогательный массив указателей, при сортировке переставлять указатели.

p[1]

p[2]

p[3]

p[4]

p[5]

p[5]

p[1]

p[3]

p[2]

p[4]

До
сортировки:

После
сортировки:

Вывод результата:

for i:=1 to N do
writeln(p[i]^.title, p[i]^.year:5);

p[i]^

p[i]^

<number>

Реализация в программе

type PBook = ^TBook; { новый тип данных }
var p: array[1..N] of PBook;
begin
{ заполнение массива записей}
for i:=1 to N do
p[i] := @aBooks[i];
for i:=1 to N do
writeln(p[i]^.title, p[i]^.year:5);
end.

for i:=1 to N-1 do
for j:=N-1 downto i do
if p[j]^.year > p[j+1]^.year then begin
temp := p[j];
p[j] := p[j+1];
p[j+1] := temp;
end;

вспомогательные указатели

меняем только указатели, записи остаются на местах

начальная расстановка

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 4. Списки

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Динамические структуры данных

Строение: набор узлов, объединенных с помощью ссылок.
Как устроен узел:

данные

ссылки на другие узлы

Типы структур:

списки

деревья

графы

односвязный

двунаправленный (двусвязный)

циклические списки (кольца)

<number>

Когда нужны списки?

Задача (алфавитно-частотный словарь). В файле записан текст. Нужно записать в другой файл в столбик все слова, встречающиеся в тексте, в алфавитном порядке, и количество повторений для каждого слова.
Проблемы:

количество слов заранее неизвестно (статический массив);
количество слов определяется только в конце работы (динамический массив).

Решение – список.
Алгоритм:

создать список;
если слова в файле закончились, то стоп.
прочитать слово и искать его в списке;
если слово найдено – увеличить счетчик повторений, иначе добавить слово в список;
перейти к шагу 2.

<number>

Что такое список:

пустая структура – это список;
список – это начальный узел (голова) и связанный с ним список.

Списки: новые типы данных

type PNode = ^Node; { указатель на узел }
Node = record { структура узла }
word: string[40]; { слово }
count: integer; { счетчик повторений }
next: PNode; { ссылка на следующий }
end;

Новые типы данных:

Адрес начала списка:

var Head: PNode;
...
Head := nil;

Рекурсивное определение!

Для доступа к списку достаточно знать адрес его головы!

<number>

Что нужно уметь делать со списком?

Создать новый узел.
Добавить узел:

а) в начало списка;
б) в конец списка;
в) после заданного узла;
г) до заданного узла.

Искать нужный узел в списке.
Удалить узел.

<number>

Создание узла

function CreateNode(NewWord: string): PNode;
var NewNode: PNode;
begin
New(NewNode);
NewNode^.word := NewWord;
NewNode^.count := 1;
NewNode^.next := nil;
Result := NewNode;
end;

Функция CreateNode (создать узел):
вход: новое слово, прочитанное из файла;
выход: адрес нового узла, созданного в памяти.

возвращает адрес созданного узла

новое слово

Если память выделить не удалось?

<number>

Добавление узла в начало списка

NewNode

Head

1) Установить ссылку нового узла на голову списка:

NewNode^.next := Head;

NewNode

Head

2) Установить новый узел как голову списка:

Head := NewNode;

procedure AddFirst ( var Head: PNode; NewNode: PNode );
begin
NewNode^.next := Head;
Head := NewNode;
end;

адрес головы меняется

<number>

Добавление узла после заданного

1) Установить ссылку нового узла на узел, следующий за p:

NewNode^.next = p^.next;

2) Установить ссылку узла p на новый узел:

p^.next = NewNode;

NewNode

NewNode

procedure AddAfter ( p, NewNode: PNode );
begin
NewNode^.next := p^.next;
p^.next := NewNode;
end;

<number>

Задача:
сделать что-нибудь хорошее с каждым элементом списка.
Алгоритм:

установить вспомогательный указатель q на голову списка;
если указатель q равен nil (дошли до конца списка), то стоп;
выполнить действие над узлом с адресом q ;
перейти к следующему узлу, q^.next.

Проход по списку

var q: PNode;
...
q := Head; // начали с головы
while q <> nil do begin // пока не дошли до конца
... // делаем что-то хорошее с q
q := q^.next; // переходим к следующему
end;

Head

<number>

Добавление узла в конец списка

Задача: добавить новый узел в конец списка.
Алгоритм:

найти последний узел q, такой что q^.next равен nil;
добавить узел после узла с адресом q (процедура AddAfter).

Особый случай: добавление в пустой список.

procedure AddLast ( var Head: PNode; NewNode: PNode );
var q: PNode;
begin
if Head = nil then
AddFirst ( Head, NewNode )
else begin
q := Head;
while q^.next <> nil do
q := q^.next;
AddAfter ( q, NewNode );
end;
end;

особый случай – добавление в пустой список

ищем последний узел

добавить узел после узла q

<number>

Проблема: нужно знать адрес предыдущего узла, а идти назад нельзя!
Решение: найти предыдущий узел q (проход с начала списка).

Добавление узла перед заданным

NewNode

procedure AddBefore(var Head: PNode; p, NewNode: PNode);
var q: PNode;
begin
q := Head;
if p = Head then
AddFirst ( Head, NewNode )
else begin
while (q <> nil) and (q^.next <> p) do
q := q^.next;
if q <> nil then AddAfter ( q, NewNode );
end;
end;

в начало списка

ищем узел, следующий за которым – узел p

добавить узел после узла q

Что плохо?

<number>

Добавление узла перед заданным (II)

Задача: вставить узел перед заданным без поиска предыдущего.
Алгоритм:

поменять местами данные нового узла и узла p;
установить ссылку узла p на NewNode.

procedure AddBefore2 ( p, NewNode: PNode );
var temp: Node;
begin
temp := p^; p^ := NewNode^;
NewNode^ := temp;
p^.next := NewNode;
end;

NewNode

Так нельзя, если p = nil или адреса узлов где-то еще запоминаются!

NewNode

<number>

Поиск слова в списке

Задача: найти в списке заданное слово или определить, что его нет.
Функция Find:

вход: слово (символьная строка);
выход: адрес узла, содержащего это слово или nil.

Алгоритм: проход по списку.

function Find(Head: PNode; NewWord: string): PNode;
var q: PNode;
begin
q := Head;
while (q <> nil) and (NewWord <> q^.word) do
q := q^.next;
Result := q;
end;

ищем это слово

результат – адрес узла или nil (нет такого)

while (q <> nil) and (NewWord <> q^.word) do
q := q^.next;

пока не дошли до конца списка и слово не равно заданному

<number>

Куда вставить новое слово?

Задача: найти узел, перед которым нужно вставить, заданное слово, так чтобы в списке сохранился алфавитный порядок слов.
Функция FindPlace:

вход: слово (символьная строка);
выход: адрес узла, перед которым нужно вставить это слово или nil, если слово нужно вставить в конец списка.

function FindPlace(Head: PNode; NewWord: string): PNode;
var q: PNode;
begin
q := Head;
while (q <> nil) and (NewWord > q^.word) do
q := q^.next;
Result := q;
end;

слово NewWord стоит по алфавиту перед q^.word

<number>

Удаление узла

procedure DeleteNode ( var Head: PNode; p: PNode );
var q: PNode;
begin
if Head = p then
Head := p^.next
else begin
q := Head;
while (q <> nil) and (q^.next <> p) do
q := q^.next;
if q <> nil then q^.next := p^.next;
end;
Dispose(p);
end;

while (q <> nil) and (q^.next <> p) do
q := q^.next;

if Head = p then
Head := p^.next

Head

Проблема: нужно знать адрес предыдущего узла q.

особый случай: удаляем первый узел

ищем узел, такой что q^.next = p

Dispose(p);

освобождение памяти

<number>

Алфавитно-частотный словарь

Алгоритм:

открыть файл на чтение;
прочитать очередное слово (как?)
если файл закончился, то перейти к шагу 7;
если слово найдено, увеличить счетчик (поле count);
если слова нет в списке, то

создать новый узел, заполнить поля (CreateNode);
найти узел, перед которым нужно вставить слово (FindPlace);
добавить узел (AddBefore);

перейти к шагу 2;
закрыть файл
вывести список слов, используя проход по списку.

var F: Text;
...
Assign(F, 'input.dat');
Reset ( F );

Close ( F );

<number>

Как прочитать одно слово из файла?

function GetWord ( F: Text ) : string;
var c: char;
begin
Result := ''; { пустая строка }
c := ' '; { пробел – чтобы войти в цикл }
{ пропускаем спецсимволы и пробелы }
while not eof(f) and (c <= ' ') do
read(F, c);
{ читаем слово }
while not eof(f) and (c > ' ') do begin
Result := Result + c;
read(F, c);
end;
end;

Алгоритм:

пропускаем все спецсимволы и пробелы (с кодами <= 32)
читаем все символы до первого пробела или спецсимвола

Можно поменять местами строчки в цикле?

<number>

Полная программа

type PNode = ^Node;
Node = record ... end; { новые типы данных }
var Head: PNode; { адрес головы списка }
NewNode, q: PNode; { вспомогательные указатели }
w: string; { слово из файла }
F: text; { файловая переменная }
count: integer; { счетчик разных слов }
{ процедуры и функции }
begin
Head := nil;
Assign ( F, 'input.txt' );
Reset ( F );
{ читаем слова из файла, строим список }
Close ( F );
{ выводим список в другой файл }
end.

<number>

Полная программа (II)

{ читаем слова из файла, строим список }
while True do begin { бесконечный цикл }
w := GetWord ( F ); { читаем слово }
if w = '' then break; { слова закончились, выход }
q := Find ( Head, w ); { ищем слово в списке }
if q <> nil then { нашли, увеличить счетчик }
q^.count := q^.count + 1
else begin { не нашли, добавить в список }
NewNode := CreateNode ( w );
q := FindPlace ( Head, w );
AddBefore ( Head, q, NewNode );
end;
end;

<number>

Полная программа (III)

{ выводим список в другой файл }
q := Head; { проход с начала списка }
count := 0; { обнулили счетчик слов }
Assign(F, 'output.txt');
Rewrite(F);
while q <> nil do begin { пока не конец списка }
count := count + 1; { еще одно слово }
writeln ( F, q^.word, ': ', q^.count );
q := q^.next; { перейти к следующему }
end;
writeln ( F, 'Найдено ',
count, ' разных слов.' );
Close(F);

type PNode = ^Node; { указатель на узел }
Node = record { структура узла }
word: string[40]; { слово }
count: integer; { счетчик повторений }
next: PNode; { ссылка на следующий }
prev: PNode; { ссылка на предыдущий }
end;

<number>

Двусвязные списки

Структура узла:

Адреса «головы» и «хвоста»:

var Head, Tail: PNode;
...
Head := nil; Tail := nil;

previous

можно двигаться в обе стороны

нужно работать с двумя указателями вместо одного

Head

Tail

<number>

Задания

«4»: «Собрать» из этих функций программу для построения алфавитно-частотного словаря. В конце файла вывести общее количество разных слов (количество элементов списка).
«5»: То же самое, но использовать двусвязные списки.
«6»: То же самое, что и на «5», но вывести список слов в порядке убывания частоты, то есть, сначала те слова, которые встречаются чаще всего.

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 5. Стеки, очереди, деки

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Стек

Стек – это линейная структура данных, в которой добавление и удаление элементов возможно только с одного конца (вершины стека). Stack = кипа, куча, стопка (англ.)
LIFO = Last In – First Out

«Кто последним вошел, тот первым вышел».

Операции со стеком:

добавить элемент на вершину (Push = втолкнуть);
снять элемент с вершины (Pop = вылететь со звуком).

<number>

Пример задачи

Задача: вводится символьная строка, в которой записано выражение со скобками трех типов: [], {} и (). Определить, верно ли расставлены скобки (не обращая внимания на остальные символы). Примеры:
[()]{} ][ [({)]}
Упрощенная задача: то же самое, но с одним видом скобок.

Решение: счетчик вложенности скобок. Последовательность правильная, если в конце счетчик равен нулю и при проходе не разу не становился отрицательным.

Можно ли решить исходную задачу так же, но с тремя счетчиками?

[ ( { ) ] }
(: 0 1 0
[: 0 1 0
{: 0 1 0

[ ( { ) ] }

( ( ) ) ( )
1 2 1 0 1 0

( ( ) ) ( )

( ( ) ) ) (
1 2 1 0 -1 0

( ( ) ) ) (

( ( ) ) (
1 2 1 0 1

( ( ) ) (

<number>

Решение задачи со скобками

Алгоритм:

в начале стек пуст;
в цикле просматриваем все символы строки по порядку;
если очередной символ – открывающая скобка, заносим ее на вершину стека;
если символ – закрывающая скобка, проверяем вершину стека: там должна быть соответствующая открывающая скобка (если это не так, то ошибка);
если в конце стек не пуст, выражение неправильное.

[ ( ( ) ) ] { }

[

[

(

[

(

(

[

(

(

[

(

[

{

{

<number>

Реализация стека (массив)

Структура-стек:

const MAXSIZE = 100;
type Stack = record { стек на 100 символов }
data: array[1..MAXSIZE] of char;
size: integer; { число элементов }
end;

Добавление элемента:

procedure Push( var S: Stack; x: char);
begin
if S.size = MAXSIZE then Exit;
S.size := S.size + 1;
S.data[S.size] := x;
end;

ошибка: переполнение стека

добавить элемент

Что плохо?

<number>

Реализация стека (массив)

function Pop ( var S:Stack ): char;
begin
if S.size = 0 then begin
Result := char(255);
Exit;
end;
Result := S.data[S.size];
S.size := S.size - 1;
end;

Снятие элемента с вершины:

Пустой или нет?

function isEmpty ( S: Stack ): Boolean;
begin
Result := (S.size = 0);
end;

ошибка: стек пуст

<number>

Программа

var br1, br2, expr: string;
i, k: integer;
upper: char; { то, что сняли со стека }
error: Boolean; { признак ошибки }
S: Stack;
begin
br1 := '([{'; br2 := ')]}';
S.size := 0;
error := False;
writeln('Введите выражение со скобками');
readln(expr);
... { здесь будет основной цикл обработки }
if not error and isEmpty(S) then
writeln('Выражение правильное.')
else writeln('Выражение неправильное.')
end.

открывающие скобки

закрывающие скобки

<number>

Обработка строки (основной цикл)

for i:=1 to length(expr)
do begin
for k:=1 to 3 do begin
if expr[i] = br1[k] then begin { откр. скобка }
Push(S, expr[i]); { втолкнуть в стек}
break;
end;
if expr[i] = br2[k] then begin { закр. скобка }
upper := Pop(S); { снять символ со стека }
error := upper <> br1[k];
break;
end;
end;
if error then break;
end;

цикл по всем символам строки expr

цикл по всем видам скобок

ошибка: стек пуст или не та скобка

была ошибка: дальше нет смысла проверять

<number>

Реализация стека (список)

Добавление элемента:

Структура узла:

type PNode = ^Node; { указатель на узел }
Node = record
data: char; { данные }
next: PNode; { указатель на след. элемент }
end;

procedure Push( var Head: PNode; x: char);
var NewNode: PNode;
begin
New(NewNode); { выделить память }
NewNode^.data := x; { записать символ }
NewNode^.next := Head; { сделать первым узлом }
Head := NewNode;
end;

<number>

Реализация стека (список)

Снятие элемента с вершины:

function Pop ( var Head: PNode ): char;
var q: PNode;
begin
if Head = nil then begin { стек пуст }
Result := char(255); { неиспользуемый символ }
Exit;
end;
Result := Head^.data; { взять верхний символ }
q := Head; { запомнить вершину }
Head := Head^.next; { удалить вершину из стека }
Dispose(q); { удалить из памяти }
end;

Можно ли переставлять операторы?

q := Head;
Head := Head^.next;
Dispose(q);

<number>

Реализация стека (список)

Изменения в основной программе:

var S: Stack;
...
S.size := 0;

var S: PNode;

S := nil;

Больше ничего не меняется!

Пустой или нет?

function isEmpty ( S: Stack ): Boolean;
begin
Result := (S = nil);
end;

<number>

Вычисление арифметических выражений

a b + c d + 1 - /

Как вычислять автоматически:

Инфиксная запись
(знак операции между операндами)

(a + b) / (c + d – 1)

необходимы скобки!

Постфиксная запись (знак операции после операндов)

польская нотация,
Jan Łukasiewicz (1920)

скобки не нужны, можно однозначно вычислить!

Префиксная запись (знак операции до операндов)

/ + a b - + c d 1

обратная польская нотация,
F. L. Bauer and E. W. Dijkstra

a + b

a + b

c + d

c + d

c + d - 1

c + d - 1

<number>

Запишите в постфиксной форме

(32*6-5)*(2*3+4)/(3+7*2)

(2*4+3*5)*(2*3+18/3*2)*(12-3)

(4-2*3)*(3-12/3/4)*(24-3*12)

<number>

Вычисление выражений

Постфиксная форма:

a b + c d + 1 - /

Алгоритм:

взять очередной элемент;
если это не знак операции, добавить его в стек;
если это знак операции, то

взять из стека два операнда;
выполнить операцию и записать результат в стек;

перейти к шагу 1.

c+d-1

<number>

Системный стек (Windows – 1 Мб)

Используется для

размещения локальных переменных;
хранения адресов возврата (по которым переходит программа после выполнения функции или процедуры);
передачи параметров в функции и процедуры;
временного хранения данных (в программах на языке Ассмеблер).

Переполнение стека (stack overflow):

слишком много локальных переменных (выход – использовать динамические массивы);
очень много рекурсивных вызовов функций и процедур (выход – переделать алгоритм так, чтобы уменьшить глубину рекурсии или отказаться от нее вообще).

<number>

Очередь

Очередь – это линейная структура данных, в которой добавление элементов возможно только с одного конца (конца очереди), а удаление элементов – только с другого конца (начала очереди).
FIFO = First In – First Out

«Кто первым вошел, тот первым вышел».

Операции с очередью:

добавить элемент в конец очереди (PushTail = втолкнуть в конец);
удалить элемент с начала очереди (Pop).

<number>

Реализация очереди (массив)

самый простой способ

нужно заранее выделить массив;
при выборке из очереди нужно сдвигать все элементы.

<number>

Реализация очереди (кольцевой массив)

Head

Tail

Сколько элементов можно хранить в такой очереди?

Как различить состояния «очередь пуста» и «очередь полна»?

<number>

Реализация очереди (кольцевой массив)

Head

Tail

В очереди 1 элемент:

Очередь пуста:

Очередь полна:

Head = Tail + 1

Head = (Tail mod N) + 1

размер массива

Head = Tail + 2

Head = (Tail+1) mod N + 1

Head = Tail

<number>

Реализация очереди (кольцевой массив)

type Queue = record
data: array[1..MAXSIZE] of integer;
head, tail: integer;
end;

Структура данных:

Добавление в очередь:

procedure PushTail( var Q: Queue; x: integer);
begin
if Q.head = (Q.tail+1) mod MAXSIZE + 1 then Exit; { очередь полна, не добавить }
Q.tail := Q.tail mod MAXSIZE + 1;
Q.data[Q.tail] := x;
end;

замкнуть в кольцо

mod MAXSIZE

<number>

Реализация очереди (кольцевой массив)

Выборка из очереди:

function Pop ( var S: Queue ): integer;
begin
if Q.head = Q.tail mod MAXSIZE + 1 then begin
Result := MaxInt;
Exit;
end;
Result := Q.data[Q.head];
Q.head := Q.head mod MAXSIZE + 1;
end;

очередь пуста

взять первый элемент

удалить его из очереди

максимальное целое число

<number>

Реализация очереди (списки)

type PNode = ^Node;
Node = record
data: integer;
next: PNode;
end;

type Queue = record
head, tail: PNode;
end;

Структура узла:

Тип данных «очередь»:

<number>

Реализация очереди (списки)

procedure PushTail( var Q: Queue; x: integer );
var NewNode: PNode;
begin
New(NewNode);
NewNode^.data := x;
NewNode^.next := nil;
if Q.tail <> nil then
Q.tail^.next := NewNode;
Q.tail := NewNode; { новый узел – в конец}
if Q.head = nil then Q.head := Q.tail;
end;

Добавление элемента:

создаем новый узел

если в списке уже что-то было, добавляем в конец

если в списке ничего не было, …

<number>

Реализация очереди (списки)

function Pop ( var S: Queue ): integer;
var top: PNode;
begin
if Q.head = nil then begin
Result := MaxInt;
Exit;
end;
top := Q.head;
Result := top^.data;
Q.head := top^.next;
if Q.head = nil then Q.tail := nil;
Dispose(top);
end;

Выборка элемента:

если список пуст, …

запомнили первый элемент

если в списке ничего не осталось, …

освободить память

<number>

Дек

Дек (deque = double ended queue, очередь с двумя концами) – это линейная структура данных, в которой добавление и удаление элементов возможно с обоих концов.

Операции с деком:

добавление элемента в начало (Push);
удаление элемента с начала (Pop);
добавление элемента в конец (PushTail);
удаление элемента с конца (PopTail).

Реализация:

кольцевой массив;
двусвязный список.

<number>

Задания

«4»: В файле input.dat находится список чисел (или слов). Переписать его в файл output.dat в обратном порядке.
«5»: Составить программу, которая вычисляет значение арифметического выражения, записанного в постфиксной форме, с помощью стека. Выражение правильное, допускаются только однозначные числа и знаки +, -, *, /.
«6»: То же самое, что и на «5», но допускаются многозначные числа.

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 6. Деревья

© К.Ю. Поляков, 2008-2010

<number>

Деревья

директор

гл. инженер

гл. бухгалтер

инженер

инженер

инженер

бухгалтер

бухгалтер

бухгалтер

Что общего во всех примерах?

<number>

Деревья

Дерево – это структура данных, состоящая из узлов и соединяющих их направленных ребер (дуг), причем в каждый узел (кроме корневого) ведет ровно одна дуга.
Корень – это начальный узел дерева.
Лист – это узел, из которого не выходит ни одной дуги.

корень

Какие структуры – не деревья?

<number>

Деревья

Предок узла x – это узел, из которого существует путь по стрелкам в узел x.
Потомок узла x – это узел, в который существует путь по стрелкам из узла x.
Родитель узла x – это узел, из которого существует дуга непосредственно в узел x.

С помощью деревьев изображаются отношения подчиненности (иерархия, «старший – младший», «родитель – ребенок»).

Сын узла x – это узел, в который существует дуга непосредственно из узла x.
Брат узла x (sibling) – это узел, у которого тот же родитель, что и у узла x.
Высота дерева – это наибольшее расстояние от корня до листа (количество дуг).

<number>

Дерево – рекурсивная структура данных

Рекурсивное определение:

Пустая структура – это дерево.
Дерево – это корень и несколько связанных с ним деревьев.

Двоичное (бинарное) дерево – это дерево, в котором каждый узел имеет не более двух сыновей.

Пустая структура – это двоичное дерево.
Двоичное дерево – это корень и два связанных с ним двоичных дерева (левое и правое поддеревья).

<number>

Двоичные деревья

Структура узла:

type PNode = ^Node; { указатель на узел }
Node = record
data: integer; { полезные данные }
left, right: PNode; { ссылки на левого и правого сыновей }
end;

Применение:

поиск данных в специально построенных деревьях (базы данных);
сортировка данных;
вычисление арифметических выражений;
кодирование (метод Хаффмана).

<number>

Двоичные деревья поиска

Какая закономерность?

Слева от каждого узла находятся узлы с меньшими ключами, а справа – с бóльшими.

Ключ – это характеристика узла, по которой выполняется поиск (чаще всего – одно из полей структуры).

Как искать ключ, равный x:

если дерево пустое, ключ не найден;
если ключ узла равен x, то стоп.
если ключ узла меньше x, то искать x в левом поддереве;
если ключ узла больше x, то искать x в правом поддереве.

Сведение задачи к такой же задаче меньшей размерности – это …?

<number>

Двоичные деревья поиска

Поиск в массиве (N элементов):

При каждом сравнении отбрасывается 1 элемент.
Число сравнений – N.

Поиск по дереву (N элементов):

При каждом сравнении отбрасывается половина оставшихся элементов.
Число сравнений ~ log2N.

быстрый поиск

нужно заранее построить дерево;
желательно, чтобы дерево было минимальной высоты.

<number>

Реализация алгоритма поиска

{ Функция Search – поиск по дереву
Вход: Tree - адрес корня,
x - что ищем
Выход: адрес узла или nil (не нашли) }
function Search(Tree: PNode; x: integer): PNode;
begin
if Tree = nil then begin
Result := nil;
Exit;
end;
if x = Tree^.data then
Result := Tree
else
if x < Tree^.data then
Result := Search(Tree^.left, x)
else Result := Search(Tree^.right, x);
end;

дерево пустое: ключ не нашли…

нашли, возвращаем адрес корня

искать в левом поддереве

искать в правом поддереве

<number>

Как построить дерево поиска?

{ Процедура AddToTree – добавить элемент
Вход: Tree - адрес корня,
x - что добавляем }
procedure AddToTree( var Tree: PNode; x: integer );
begin
if Tree = nil then begin
New(Tree);
Tree^.data := x;
Tree^.left := nil;
Tree^.right := nil;
Exit;
end;
if x < Tree^.data then
AddToTree(Tree^.left, x)
else AddToTree(Tree^.right, x);
end;

дерево пустое: создаем новый узел (корень)

адрес корня может измениться

добавляем к левому или правому поддереву

Минимальная высота не гарантируется!

<number>

Обход дерева

Обход дерева – это перечисление всех узлов в определенном порядке.

Обход ЛКП («левый – корень – правый»):

Обход ПКЛ («правый – корень – левый»):

Обход КЛП («корень – левый – правый»):

Обход ЛПК («левый – правый – корень»):

<number>

Обход дерева – реализация

{ Процедура LKP – обход дерева в порядке ЛКП
(левый – корень – правый)
Вход: Tree - адрес корня }
procedure LKP(Tree: PNode);
begin
if Tree = nil then Exit;
LKP(Tree^.left);
write(' ', Tree^.data);
LKP(Tree^.right);
end;

обход этой ветки закончен

обход левого поддерева

вывод данных корня

обход правого поддерева

Для рекурсивной структуры удобно применять рекурсивную обработку!

<number>

Разбор арифметических выражений

a b + c d + 1 - /

Как вычислять автоматически:

Инфиксная запись, обход ЛКП
(знак операции между операндами)

(a + b) / (c + d – 1)

необходимы скобки!

Постфиксная запись, ЛПК (знак операции после операндов)

a + b / c + d – 1

польская нотация,
Jan Łukasiewicz (1920)

скобки не нужны, можно однозначно вычислить!

Префиксная запись, КЛП (знак операции до операндов)

/ + a b - + c d 1

обратная польская нотация,
F. L. Bauer and E. W. Dijkstra

<number>

Вычисление выражений

Постфиксная форма:

a b + c d + 1 - /

Алгоритм:

взять очередной элемент;
если это не знак операции, добавить его в стек;
если это знак операции, то

взять из стека два операнда;
выполнить операцию и записать результат в стек;

перейти к шагу 1.

c+d-1

<number>

Вычисление выражений

Задача: в символьной строке записано правильное арифметическое выражение, которое может содержать только однозначные числа и знаки операций +-*\. Вычислить это выражение.

Алгоритм:

ввести строку;
построить дерево;
вычислить выражение по дереву.

Ограничения:

ошибки не обрабатываем;
многозначные числа не разрешены;
дробные числа не разрешены;
скобки не разрешены.

<number>

Построение дерева

Алгоритм:

если first=last (остался один символ – число), то создать новый узел и записать в него этот элемент; иначе...
среди элементов от first до last включительно найти последнюю операцию (элемент с номером k);
создать новый узел (корень) и записать в него знак операции;
рекурсивно применить этот алгоритм два раза:

построить левое поддерево, разобрав выражение из элементов массива с номерами от first до k-1;
построить правое поддерево, разобрав выражение из элементов массива с номерами от k+1 до last.

first

last

<number>

Как найти последнюю операцию?

Порядок выполнения операций

умножение и деление;
сложение и вычитание.

Нужно искать последнюю операцию с наименьшим приоритетом!

Приоритет (старшинство) – число, определяющее последовательность выполнения операций: раньше выполняются операции с большим приоритетом:

умножение и деление (приоритет 2);
сложение и вычитание (приоритет 1).

<number>

Приоритет операции

{ Функция Priority – приоритет операции
Вход: символ операции
Выход: приоритет или 100, если не операция }
function Priority ( c: char ): integer;
begin
case ( c ) of
'+', '-': Result := 1;
'*', '/': Result := 2;
else Result := 100;
end;
end;

сложение и вычитание: приоритет 1

умножение и деление: приоритет 2

это вообще не операция

<number>

Номер последней операции

{ Функция LastOperation – номер последней операции
Вход: строка, номера первого и последнего символов рассматриваемой части
Выход: номер символа - последней операции }
function LastOperation ( Expr: string;
first, last: integer): integer;
var MinPrt, i, k, prt: integer;
begin
MinPrt := 100;
for i:=first to last do begin
prt := Priority ( Expr[i] );
if prt <= MinPrt then begin
MinPrt := prt;
k := i;
end;
end;
Result := k;
end;

проверяем все символы

вернуть номер символа

нашли операцию с минимальным приоритетом

<number>

Построение дерева

Структура узла

type PNode = ^Node;
Node = record
data: char;
left, right: PNode;
end;

Создание узла для числа (без потомков)

function NumberNode(c: char): PNode;
begin
New(Result);
Result^.data := c;
Result^.left := nil;
Result^.right := nil;
end;

возвращает адрес созданного узла

один символ, число

<number>

Построение дерева

{ Функция MakeTree – построение дерева
Вход: строка, номера первого и последнего символов рассматриваемой части
Выход: адрес построенного дерева }
function MakeTree ( Expr: string;
first, last: integer): PNode;
var k: integer;
begin
if first = last then begin
Result := NumberNode ( Expr[first] );
Exit;
end;
k := LastOperation ( Expr, first, last );
New(Result);
Result^.data := Expr[k];
Result^.left := MakeTree ( Expr, first, k-1 );
Result^.right := MakeTree ( Expr, k+1, last );
end;

осталось только число

новый узел: операция

<number>

Вычисление выражения по дереву

{ Функция CalcTree – вычисление по дереву
Вход: адрес дерева
Выход: значение выражения }
function CalcTree(Tree: PNode): integer;
var num1, num2: integer;
begin
if Tree^.left = nil then begin
Result := Ord(Tree^.data) - Ord('0');
Exit;
end;
num1 := CalcTree(Tree^.left);
num2 := CalcTree(Tree^.right);
case Tree^.data of
'+': Result := num1+num2;
'-': Result := num1-num2;
'*': Result := num1*num2;
'/': Result := num1 div num2;
else Result := MaxInt;
end;
end;

вернуть число, если это лист

вычисляем операнды (поддеревья)

выполняем операцию

некорректная операция

<number>

Основная программа

{ Ввод и вычисление выражения с помощью дерева }
program qq;
var Tree: PNode;
Expr: string;
{ процедуры и функции }
begin
write('Введите выражение > ');
readln( Expr );
Tree := MakeTree( Expr, 1, Length(Expr) );
writeln(' = ', CalcTree(Tree) );
end.

<number>

Дерево игры

Задача. Перед двумя игроками лежат две кучки камней, в первой из которых 3, а во второй – 2 камня. У каждого игрока неограниченно много камней.
Игроки ходят по очереди. Ход состоит в том, что игрок или увеличивает в 3 раза число камней в какой-то куче, или добавляет 1 камень в какую-то кучу.
Выигрывает игрок, после хода которого общее число камней в двух кучах становится не менее 16.
Кто выигрывает при безошибочной игре – игрок, делающий первый ход, или игрок, делающий второй ход? Как должен ходить выигрывающий игрок?

<number>

Дерево игры

3, 2

игрок 1

3, 6

27, 2

3, 18

3, 3

4, 2

12, 2

4, 6

5, 2

4, 3

9, 3

4, 3

36, 2

4, 18

15, 2

12, 2

4, 6

5, 3

4, 4

36, 2

12, 6

15, 3

12, 4

27, 3

При правильной игре выиграет игрок 2!

игрок 1

игрок 2

игрок 2

9, 2

4, 3

4, 3

ключевой ход

выиграл игрок 1

<number>

Задания

«4»: «Собрать» программу для вычисления правильного арифметического выражения, включающего только однозначные числа и знаки операций +, -, * , /.
«5»: То же самое, но допускаются также многозначные числа и скобки.
«6»: То же самое, что и на «5», но с обработкой ошибок (должно выводиться сообщение).

Динамические структуры данных (язык Паскаль)

Тема 7. Графы

<number>

Определения

Граф – это набор вершин (узлов) и соединяющих их ребер (дуг).
Направленный граф (ориентированный, орграф) – это граф, в котором все дуги имеют направления.
Цепь – это последовательность ребер, соединяющих две вершины (в орграфе – путь).
Цикл – это цепь из какой-то вершины в нее саму.
Взвешенный граф (сеть) – это граф, в котором каждому ребру приписывается вес (длина).

Дерево – это граф?

Да, без циклов!

<number>

Определения

Связный граф – это граф, в котором существует цепь между каждой парой вершин.
k-cвязный граф – это граф, который можно разбить на k связных частей.
Полный граф – это граф, в котором проведены все возможные ребра (n вершин → n(n-1)/2 ребер).

<number>

Описание графа

Матрица смежности – это матрица, элемент M[i][j] которой равен 1, если существует ребро из вершины i в вершину j, и равен 0, если такого ребра нет.

0	1	1	1	0
1	0	0	1	1
1	0	0	0	0
1	1	0	0	1
0	1	0	1	0

1	1	1	0
0	0	1	1
0	0	0	0
0	0	0	1
0	0	0	0

Симметрия!

Список смежности

2	3	4
1	4	5
1
1	2	5
2	4

2	3	4
4	5

5

<number>

Матрица и список смежности

<number>

Построения графа по матрице смежности

0	0	1	0	0
0	0	1	0	1
1	1	0	1	0
0	0	1	0	1
0	1	0	1	0

0	0	1	1	1
0	1	0	1	0
0	1	0	1	0
1	1	0	0	0
0	1	1	0	0

<number>

Как обнаружить цепи и циклы?

Задача: определить, существует ли цепь длины k из вершины i в вершину j (или цикл длиной k из вершины i в нее саму).

M2[i][j]=1, если M[i][1]=1 и M[1][j]=1

или

M[i][2]=1 и M[2][j]=1

или

M[i][3]=1 и M[3][j]=1

строка i

логическое умножение

столбец j

логическое сложение

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

или

M[i][4]=1 и M[4][j]=1

<number>

Как обнаружить цепи и циклы?

M2 = M  M

Логическое умножение матрицы на себя:

матрица путей длины 2

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

M2 =

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

0	1	0	1
0	0	1	0
1	0	0	0
0	0	1	0

M2[3][1] = 0·0 + 1·1 + 0·0 + 1·1 = 1

маршрут 3-2-1

маршрут 3-4-1

<number>

Как обнаружить цепи и циклы?

M3 = M2  M

Матрица путей длины 3:

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

M3 =

1	0	0	0
0	1	0	1
0	0	1	0
0	1	0	1

0	1	0	1
0	0	1	0
1	0	0	0
0	0	1	0

на главной диагонали – циклы!

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

M4 =

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	0

1	0	0	0
0	1	0	1
0	0	1	0
0	1	0	1

<number>

Весовая матрица

Весовая матрица – это матрица, элемент W[i,j] которой равен весу ребра из вершины i в вершину j (если оно есть), или равен ∞, если такого ребра нет.

0	7	3	5	∞
7	0	∞	4	8
3	∞	0	∞	∞
5	4	∞	0	6
∞	8	∞	6	0

0	7	3	5	∞
∞	0	∞	4	8
3	∞	0	∞	∞
5	∞	∞	0	6
∞	8	∞	∞	0

<number>

Задача Прима-Краскала

Задача: соединить N городов телефонной сетью так, чтобы длина телефонных линий была минимальная.

Та же задача: дан связный граф с N вершинами, веса ребер заданы весовой матрицей W. Нужно найти набор ребер, соединяющий все вершины графа (остовное дерево) и имеющий наименьший вес.

0	7	3	5	∞
7	0	∞	4	8
3	∞	0	∞	∞
5	4	∞	0	6
∞	8	∞	6	0

<number>

Жадный алгоритм

Жадный алгоритм – это многошаговый алгоритм, в котором на каждом шаге принимается решение, лучшее в данный момент.

В целом может получиться не оптимальное решение (последовательность шагов)!

Шаг в задаче Прима-Краскала – это выбор еще невыбранного ребра и добавление его к решению.

В задаче Прима-Краскала жадный алгоритм дает оптимальное решение!

<number>

Реализация алгоритма Прима-Краскала

Проблема: как проверить, что 1) ребро не выбрано, и 2) ребро не образует цикла с выбранными ребрами.
Решение: присвоить каждой вершине свой цвет и перекрашивать вершины при добавлении ребра.

Алгоритм:

покрасить все вершины в разные цвета;
сделать N-1 раз в цикле:

выбрать ребро (i,j) минимальной длины из всех ребер, соединяющих вершины разного цвета;
перекрасить все вершины, имеющие цвет j, в цвет i.

вывести найденные ребра.

<number>

Реализация алгоритма Прима-Краскала

Структура «ребро»:

type rebro = record
i, j: integer; { номера вершин }
end;

const N = 5;
var W: array[1..N,1..N] of integer;
Color: array[1..N] of integer;
i, j, k, min, col_i, col_j: integer;
Reb: array[1..N-1] of rebro;
begin
... { здесь надо ввести матрицу W }
for i:=1 to N do { раскрасить в разные цвета }
Color[i] := i;
... { основной алгоритм – заполнение массива Reb }
... { вывести найденные ребра (массив Reb)}
end.

Основная программа:

весовая матрица

цвета вершин

<number>

Реализация алгоритма Прима-Краскала

for k:=1 to N-1 do begin
min := MaxInt;
for i:=1 to N do
for j:=i+1 to N do
if (Color[i] <> Color[j]) and
(W[i,j] < min) then begin
min := W[i,j];
Reb[k].i := i;
Reb[k].j := j;
col_i := Color[i];
col_j := Color[j];
end;
for i:=1 to N do
if Color[i] = col_j then
Color[i] := col_i;
end;

Основной алгоритм:

нужно выбрать всего N-1 ребер

цикл по всем парам вершин

учитываем только пары с разным цветом вершин

запоминаем ребро и цвета вершин

перекрашиваем вершины цвета col_j

<number>

Сложность алгоритма

Основной цикл:

O(N3)

for k:=1 to N-1 do begin
...
for i:=1 to N do
for j:=i+1 to N do
...
end;

три вложенных цикла, в каждом число шагов <=N

растет не быстрее, чем N3

Требуемая память:

var W: array[1..N,1..N] of integer;
Color: array[1..N] of integer;
Reb: array[1..N-1] of rebro;

O(N2)

Количество операций:

<number>

Кратчайшие пути (алгоритм Дейкстры)

Задача: задана сеть дорог между городами, часть которых могут иметь одностороннее движение. Найти кратчайшие расстояния от заданного города до всех остальных городов.

Та же задача: дан связный граф с N вершинами, веса ребер заданы матрицей W. Найти кратчайшие расстояния от заданной вершины до всех остальных.

присвоить всем вершинам метку ∞;
среди нерассмотренных вершин найти вершину j с наименьшей меткой;
для каждой необработанной вершины i: если путь к вершине i через вершину j меньше существующей метки, заменить метку на новое расстояние;
если остались необработанны вершины, перейти к шагу 2;
метка = минимальное расстояние.

Алгоритм Дейкстры (E.W. Dijkstra, 1959)

<number>

Алгоритм Дейкстры

<number>

Реализация алгоритма Дейкстры

Массивы:

массив a, такой что a[i]=1, если вершина уже рассмотрена, и a[i]=0, если нет.
массив b, такой что b[i] – длина текущего кратчайшего пути из заданной вершины x в вершину i;
массив c, такой что c[i] – номер вершины, из которой нужно идти в вершину i в текущем кратчайшем пути.

Инициализация:

заполнить массив a нулями (вершины не обработаны);
записать в b[i] значение W[x][i];
заполнить массив c значением x;
записать a[x]=1.

1	0	0	0	0	0
0	7	9	∞	∞	14
0	0	0	0	0	0

<number>

Реализация алгоритма Дейкстры

Основной цикл:

если все вершины рассмотрены, то стоп.
среди всех нерассмотренных вершин (a[i]=0) найти вершину j, для которой b[i] – минимальное;
записать a[j]:=1;
для всех вершин k: если путь в вершину k через вершину j короче, чем найденный ранее кратчайший путь, запомнить его: записать b[k]:=b[j]+W[j,k] и c[k]=j.

1	1	0	0	0	0
0	7	9	22	∞	14
0	0	0	1	0	0

Шаг 1:

<number>

Реализация алгоритма Дейкстры

1	1	1	0	0	0
0	7	9	20	∞	11
0	0	0	2	0	2

Шаг 2:

1	1	1	0	0	1
0	7	9	20	20	11
0	0	0	2	5	2

Шаг 3:

Дальше массивы не изменяются!

<number>

Как вывести маршрут?

1	1	1	1	1	1
0	7	9	20	20	11
0	0	0	2	5	2

Результат работа алгоритма Дейкстры:

длины путей

Маршрут из вершины 0 в вершину 4:

Сложность алгоритма Дейкстры:

O(N2)

два вложенных цикла по N шагов

Вывод маршрута в вершину i (использование массива c):

установить z:=i;
пока c[i]<>x присвоить z:=c[z] и вывести z.

<number>

Алгоритм Флойда-Уоршелла

Задача: задана сеть дорог между городами, часть которых могут иметь одностороннее движение. Найти все кратчайшие расстояния, от каждого города до всех остальных городов.

for k: =1 to N
for i: = 1 to N
for j: = 1 to N
if W[i,j] > W[i,k] + W[k,j] then
W[i,j] := W[i,k] + W[k,j];

W[i,j]

W[i,k]

W[k,j]

Если из вершины i в вершину j короче ехать через вершину k, мы едем через вершину k!

Нет информации о маршруте, только кратчайшие расстояния!

<number>

Алгоритм Флойда-Уоршелла

Версия с запоминанием маршрута:

for i:= 1 to N
for j := 1 to N
c[i,j] := i;
...
for k: =1 to N
for i: = 1 to N
for j: = 1 to N
if W[i,j] > W[i,k] + W[k,j] then begin
W[i,j] := W[i,k] + W[k,j];
c[i,j] := c[k,j];
end;

i–ая строка строится так же, как массив c в алгоритме Дейкстры

в конце цикла c[i,j] – предпоследняя вершина в кратчайшем маршруте из вершины i в вершину j

c[i,j] := c[k,j];

Какова сложность алгоритма?

O(N3)

<number>

Задача коммивояжера

Задача коммивояжера. Коммивояжер (бродячий торговец) должен выйти из первого города и, посетив по разу в неизвестном порядке города 2,3,...N, вернуться обратно в первый город. В каком порядке надо обходить города, чтобы замкнутый путь (тур) коммивояжера был кратчайшим?

Это NP-полная задача, которая строго решается только перебором вариантов (пока)!

Точные методы:

простой перебор;
метод ветвей и границ;
метод Литтла;
…

Приближенные методы:

метод случайных перестановок (Matlab);
генетические алгоритмы;
метод муравьиных колоний;
…

большое время счета для больших N

O(N!)

не гарантируется оптимальное решение

<number>

Другие классические задачи

Задача на минимум суммы. Имеется N населенных пунктов, в каждом из которых живет pi школьников (i=1,...,N). Надо разместить школу в одном из них так, чтобы общее расстояние, проходимое всеми учениками по дороге в школу, было минимальным.
Задача о наибольшем потоке. Есть система труб, которые имеют соединения в N узлах. Один узел S является источником, еще один – стоком T. Известны пропускные способности каждой трубы. Надо найти наибольший поток от источника к стоку.
Задача о наибольшем паросочетании. Есть M мужчин и N женщин. Каждый мужчина указывает несколько (от 0 до N) женщин, на которых он согласен жениться. Каждая женщина указывает несколько мужчин (от 0 до M), за которых она согласна выйти замуж. Требуется заключить наибольшее количество моногамных браков.

<number>

Конец фильма

Презентация "Динамические структуры данных"

Подписи к слайдам:

Информатика - еще материалы к урокам:

Предметы

Похожие материалы