Véletlenített algoritmusok. 4. előadás

Hasonló dokumentumok
Soukup Dániel, Matematikus Bsc III. év cím: Témavezető: Szentmiklóssy Zoltán, egyetemi adjunktus

Gyakorlatok. P (n) = P (n 1) + 2P (n 2) + P (n 3) ha n 4, (utolsó lépésként l, hl, u, hu-t léphetünk).

Véletlenszám generátorok

p j p l = m ( p j ) 1

Programozási módszertan. Dinamikus programozás: Nyomtatási feladat A leghosszabb közös részsorozat

22. szakkör (Csoportelméleti alapfogalmak 1.)

Matematikai alapismeretek. Huszti Andrea

A kvantummechanika általános formalizmusa

BEVEZETÉS AZ ÁBRÁZOLÓ GEOMETRIÁBA

int azt az elõzõ részbõl megtudtuk, a rétegeknek az a feladatuk, hogy valamiféle feladatot végezzenek

Analízisfeladat-gyűjtemény IV.

Feladatok és megoldások a 6. heti eladshoz

XIII. Bolyai Konferencia Bodnár József Eötvös József Collegium, ELTE TTK, III. matematikus. A véletlen nyomában

3. Az ítéletlogika szemantikája

Valószín ségelmélet házi feladatok

Valószínűség-számítás II.

Bináris keres fák kiegyensúlyozásai. Egyed Boglárka

GAZDASÁGI STATISZTIKA

Mintavételezés: Kvantálás:

Alkalmazott modul: Programozás

MATEMATIKA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI-FELVÉTELI FELADATOK május 19. du. JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

Informatikai tehetséggondozás:

2. Halmazelmélet (megoldások)

Matematikai és matematikai statisztikai alapismeretek

Készítette: Fegyverneki Sándor. Miskolci Egyetem, 2002.

ALGORITMUSOK ÉS BONYOLULTSÁGELMÉLET Matematika MSc hallgatók számára. 3. Előadás

44. ORSZÁGOS TIT KALMÁR LÁSZLÓ MATEMATIKAVERSENY. Országos döntő, 1. nap május 29.

Emberi ízületek tribológiája

Halmazok-előadás vázlat

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

Széchenyi István Egyetem, 2005

Lineáris Algebra gyakorlatok

MITISZK Miskolc-Térségi Integrált Szakképző Központ

Számítástudomány matematikai alapjai segédlet táv és levelező

Sztochasztikus folyamatok 1. házi feladat

Halmazok. Halmazelméleti lapfogalmak, hatványhalmaz, halmazm veletek, halmazm veletek azonosságai.

Halmazelmélet. 2. fejezet 2-1

Félévi időbeosztás (nagyjából) házi feladat beadási határidőkkel (pontosan) Valószínűségszámítás 2. matematikusoknak és fizikusoknak, 2009 tavasz

Egyszerű programozási tételek

Hálózati protokoll tervezése

Hraskó András, Surányi László: spec.mat szakkör Tartotta: Surányi László. Feladatok

Biztosítási ügynökök teljesítményének modellezése

REKURZIÓ. Rekurzív: önmagát ismétlő valami (tevékenység, adatszerkezet stb.) Rekurzív függvény: függvény, amely meghívja saját magát.

Béres Mária TANÍTÓI KÉZIKÖNYV. Színes matematika tankönyvsorozat 2. osztályos elemeihez

Darts: surranó nyilak, gondolkodtató problémák Kombinatorika 6. feladatcsomag

Megoldókulcs. Matematika D kategória ( osztályosok) február 6.

Komputer statisztika gyakorlatok

EMBERI ERŐFORRÁSOK MINISZTÉRIUMA

5. Hálózati címzés. CCNA Discovery 1 5. fejezet Hálózati címzés

Analízis 1. (BSc) vizsgakérdések Programtervez informatikus szak tanév 2. félév

100% BIO Natur/Bio kozmetikumok és testápolás

matematikai statisztika október 24.

SZTOCHASZTIKUS MÓDSZEREK

Útmutató a szavazáshoz

Fordítóprogramok felépítése, az egyes programok feladata. A következő jelölésmódot használjuk: program(bemenet)(kimenet)

Valószínűségszámítás

Csődvalószínűségek becslése a biztosításban

2009. évi LXII. törvény

Gráfokkal megoldható hétköznapi problémák

Átrendezések és leszámlálások ÚTMUTATÓ Hegedüs Pál június 30.

Dr Mikó Balázs Termeléstervezés és irányítás Oktatási segédlet a Technológiai tervező rendszerek Tárgyhoz

WageIndicator adatbázisok eredményeinek disszeminációja H005 EQUAL projekt. WageIndicator és BérBarométer adatbázisok eredményeinek disszeminációja

TITOKMEGOSZTÁS ÉS TÖBBRÉSZTVEVŐS SZÁMÍTÁSOK. Szakdolgozat. Írta: Zentai Dániel Matematika bsc szak Alkalmazott matematikus szakirány.

Informatikai tehetséggondozás:

JANUS PANNONIUS TUDOMÁNYEGYETEM. Schipp Ferenc ANALÍZIS I. Sorozatok és sorok

Fejezetek az abszolút geometriából 6. Merőleges és párhuzamos egyenesek

Szeminárium-Rekurziók

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Gráfelmélet II. Gráfok végigjárása

Visszatérítő nyomaték és visszatérítő kar

I+K technológiák. Digitális adatátviteli alapfogalmak Aradi Szilárd

Ted, tudom, mondtad, hogy felrobban a fejed, ha még egy dologra kérlek, de.. Takarítás a hármason.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Geometria I.

Munkafüzet megoldások 7. osztályos tanulók számára. Makara Ágnes Bankáné Mező Katalin Argayné Magyar Bernadette Vépy-Benyhe Judit

9.07 órakor megérkezett a terembe Ferencz Kornél és Sinka Attila. A további munkában 16 fő vett részt.

MATEMATIKA FELADATGYŰJTEMÉNY

Kvantumszámítógépes algoritmusok

b)6 Magyarország területén rendezett gépjárműversenyen (edzésen) részt vevő gépjárművekre kötött felelősségbiztosítási szerződésekre;

M é r é s é s s z a b á l y o z á s

AES kriptográfiai algoritmus

A két csapatra osztás leggyakoribb megvalósításai: Lyukas teli (vagy sima vagy nem lyukas)

Kódelméleti elemi feladatgyűjtemény Összállította: Hraskó András és Szőnyi Tamás

Valószínűségszámítás és statisztika. István Fazekas

Érdekes informatika feladatok

Rejtett részcsoportok és kvantum-számítógépek

1991. évi LXIV. törvény. a Gyermek jogairól szóló, New Yorkban, november 20-án kelt Egyezmény kihirdetéséről

2015, Diszkrét matematika

2. fejezet Hálózati szoftver

Áttekintés a felhasznált lineáris algebrai ismeretekről.

Analízis előadás és gyakorlat vázlat

MATEMATIKA C 5. évfolyam 1. modul DOMINÓ

1. Bevezetés. A számítógéptudomány ezt a problémát a feladat elvégzéséhez szükséges erőforrások (idő, tár, program,... ) mennyiségével méri.

1. Három tanuló reggel az iskola bejáratánál hányféle sorrendben lépheti át a küszöböt?

Összetett hálózat számítása_1


Más viszonylatban (például Badacsonyból Füredre, vagy Tapolcáról közvetlenül Fonyódra, stb.) a szállítás értelmetlen, ezért nem lehetséges.

A digitális számítás elmélete

Értelmező rendelkezések

A matematika alapjai 1 A MATEMATIKA ALAPJAI. Pécsi Tudományegyetem, 2006

Kétnormás PAL/SECAM színes TV dekódoló áramkörben alkalmazott integrált áramkörök*

Beadható feladatok december Add meg az alábbi probléma állapottér-reprezentációját!

Átírás:

Véletlenített algoritmusok 4. előadás Tartalomjegyzék: elfoglalási probléma, születésnap probléma, kupongyűjtő probléma, stabil házassági feladat, Chernoff korlát (példák), forgalomirányítási probléma. Elfoglalási probléma n darab megkülönböztethetetlen golyó, m darab különböző láda. A golyókat véletlenszerűen egyenletes eloszlás szerint szétosztjuk a ládákba. Ennél a feladatnál a következő kérdések lehetnek érdekesek számunkra: mennyi a golyók maximális száma valamely ládában? mennyi a várható értéke adott ládába kerülő golyók számának? Nagy valószínűséggel egyetlen ládában sincs k-nál több elem, megfelelően választott k esetén. Annak a valószínűsége, hogy az i-dik ládában pontosan k golyó van: A következő egyenlőtlenség egy felső korlát a binomiális együtthatóra: Pr(k vagy több golyó) Mivel felső becslés kell k+1 helyett k jó, így mértani sorozat lesz. Legyen k * =, ekkor Pr(k * vagy több golyó)

Az esetek uniójának a valószínűsége nem több mint az összegük valószínűsége: Pr[ Köv1.: Ha m golyót m ládába rakunk, akkor Pr ( olyan láda, ami golyónál többet tartalmaz) < Köv2.: Kevesebb, mint valószínűséggel nincs olyan láda, amiben golyónál több van. Születésnap probléma Az előző problémánál m golyót véletlenszerűen tettünk n ládába. Ennek speciális esete az n=365, amit születésnap problémának nevezünk. Ebben az értelmezésben az év 365 napja megfelel 365 ládának és az m ember születésnapját választjuk egymástól függetlenül és egyenletesen a 365 napból. (Ennél a problémánál most eltekintünk a szökőévektől, valamint attól hogy az m ember között lehetnek ikrek.) Milyen nagynak kell lennie az m-nek, hogy két ember születésnapja megegyezzen? Ennek komplementer feladat: mennyi a valószínűsége, hogy nincs két ember, akinek ugyanakkor van a születésnapja? Legyen továbbra is n a napok száma az évben, i az emberek száma. Pr(nincs két ember, akinek u.akkor van a szül. napja) = = Ha x kicsi, akkor. = Pr(nincs két ember, akinek u.akkor van a szül. napja) = = Kupongyűjtő probléma = Adott n féle kupon (érme). Minden esetben azonos valószínűséggel kapunk belőlük. Hány érmét kell összegyűjteni, hogy minden fajtából kapjunk? Legyen X véletlen változó, az összes fajta érme összegyűjtéséhez szükséges legkevesebb kísérlet száma. Határozzuk meg X várható értékét: E(X)=? Az i-dik kísérlet sikeres, ha olyan érmét kapunk, amit az előző (i-1)-dik kísérletben még nem. Az első (még nincs érménk) és az utolsó (nem végzünk több kísérletet) kísérlet mindig sikeres. Osszuk fázisokra a kísérlet sorozatot. Az első fázis akkor kezdődik, amikor megkapjuk az első érmét, az i-dik fázis az i-dik sikeres kísérlettel kezdődik. Az i-dik fázis vége az (i+1)-dik sikeres kísérlet.

Példa: 4 érme esetén, ha az érméket az 1,2,3,4 számokkal jelöljük, kaphatjuk a következő kísérlet sorozatot: 1 1 2 3 3 1 2 4 Ahol az aláhúzott számok a sikeres kísérletek, az azonos színű számok azonos fázisba tartoznak. Definiáljuk az X i véletlen változót, ahol 0 i n-1 az i-dik fázisban lévő kísérletek száma (másképp: egy fázis hossza). Így X-et a következő képpen kapjuk: Így X várható értéke: (i+1)-re van i darab különböző érménk, és (n-i) amilyet még nem kaptunk. Tehát valószínűséggel megyünk tovább. Ekkor a következőt kapjuk Felhasználva, hogy, amiből X i véletlen változó geometriai eloszlású, p paraméterrel. X i várható értéke és szórásnégyzete. Ahol H n az n-dik Harmonikus szám, ami aszimptotikusan egyenlő, így kapjuk hogy

Létezik ennél egy élesebb korlát is. Legyen Ha E>0, akor kapjuk, hogy Ez nagyon gyorsan tart -hez. Stabil házasság probléma A stabil házasság problémában adott n férfi (Y 1,,Y n ), n nő (X 1,,X n ) és mindegyikük valahogyan rangsorolja az ellentétes nem tagjait; ez az illető személy preferencia listája. Így például akkor mondjuk, hogy az Y 1 (férfi) jobban kedveli vagy preferálja X 1 -t X 2 -höz képest, ha Y 1 preferencia listáján X 1 előrébb van, mint X 2. A házasság vagy párosítás (jelöljük M-el), egy egy-az-egyhez megfeleltetés egy férfi és egy nő között. Egy M párosítás instabil ha vannak olyan Y 1, Y 2 férfiak és X 1, X 2 nők, hogy (Y 1,X 1 ) M, (Y 2,X 2 ) M, de Y 2 preferálja X 1 -et X 2 -höz képest, és X 1 preferálja Y 2 -t Y 1 -hez képest. Egy M párosítás stabil, ha nem instabil. Formálisan: AJÁNLAT-ALGORITMUS: 1. Veszünk egy férfit, abból a csoportból akiknek aktuálisan nincs párja. 2. Ajánlatot tesz a preferencia listája alapján a legkedveltebb nőnek, aki még nem utasította vissza. 3. Ha a nő jobb ajánlatot kapott, mint az aktuális, akkor csere, az addigi választottja pedig visszakerül az aktuálisan nincs párja csoportba. 4. Ha még nincs minden személynek párja, akkor 1., egyébként VÉGE. Ez az algoritmus mindig terminál és stabil házasság lesz az eredmény. Bizonyítás: 1. Legyen (X,Y) és (A,B) párosítások. Tegyük fel, hogy X-B felbontja! 2. Ehhez X preferencia listájában B-nek előrébb kell lennie, mint Y, és B preferencia listájában X-nek előrébb kell lennie, mint A. 3. Ez azt jelenti, hogy X a B-nek tett ajánlatot valamikor Y előtt, de B valamikor az eljárás során talált jobb párt. Ez azt jelenti, hogy A jobb X-nél, ami ellentmondás. Futási idő: Hány ajánlatot tesz ez az algoritmus? O(n 2 ) Átlagos eset vizsgálat: Átlagosan hány ajánlat? A késleltetett döntések elvét itt úgy módosítjuk, hogy a férfi mindig véletlenszerűen választ a nők közül, akik még nem utasították vissza. Így figyelni kell, hogy ki utasította vissza, tehát függés van. Egy amnéziás algoritmus esetén a férfi mindig véletlenszerűen választ egy nőt és annak tesz ajánlatot. Az algoritmus akkor ér véget, amikor minden nő kapott ajánlatot.

Látható, hogyha a férfiakat behelyettesíthetjük a golyókkal, a nőket pedig a ládákkal, akkor az eddigiekhez hasonló problémát kapunk és így alakul a futási idő is. Várható futási idő:. Chernoff-korlát Bernoulli eloszlású, korlátos valószínűségi változók összegének közelítésére. Legyen X 1,,X n Bernoulli eloszlású független kísérlet. Legyen továbbá. Legyen Mennyire térhetünk el ettől a µ-től? Mennyi a valószínűsége, hogy az X meghaladja az Tétel: A fenti összegekre és bármely δ>0-ra: Jelölés: Köv.: Ha, akkor. Tétel: A fenti összegekre és bármely δ>0-ra: Jelölés: Példa: Egy focicsapat minden mérkőzésén valószínűséggel veszít, és n fordulós a bajnokság. Mi a valószínűsége, hogy elérik az 50%-os teljesítményt? (Vagy tesztírás, kérdésenként 3 válasz lehetőséggel, n kérdés esetén.)

Def.: Bármely pozitív µ-re és -ra (µ, ) az a δ, amire =. Hasonlóképpen (µ, ) az a δ, amire =. Mennyi az az eltérés, amit még megengedhetünk? Forgalomirányítási probléma (permutációs routing) Adott egy gráf topológiájú számítógép hálózat. A hálózaton csomagküldés van a kezdőállomásról a célállomásra. A csúcsok egyértelműen azonosítva vannak egy számmal 1-től N-ig. Jelöljük v i -vel a csomagok kiinduló pontját, és d(i)-vel az i-dik csomag célpontját., minden csomópont csak egy csomag célpontja lehet, tehát a célpontok egy permutációt alkotnak. Az csomagok útvonala, a csomópontok egy sorozata a kiinduló pontjuktól a célpontjukhoz. A forgalomirányítási probléma egy algoritmusa minden csomaghoz hozzárendel egy útvonalat. Az útvonal követése során a csomagnak alkalmanként várnia kell egy köztes csomópontnál, mert a következő csúcs az útvonalán foglalt, mert egy másik csomagot továbbít. Tehát minden csomópontnak tartalmaznia kell egy sort és rendelkeznie kell egy sorba állítási stratégiával, hogy a csomagok közötti konfliktusokat feloldja és egyértelmű legyen, hogy melyik csomag következik, ha szabaddá válik a szükséges csomópont. Hanyag algoritmus esetén az utat v i -ből csak d(i) alapján határozza meg. Tétel: Ha N csúcs van és minden fokszám d, akkor minden determinisztikus algoritmushoz létezik olyan input, hogy a késedelem. A hiperkocka egy négydimenziós kocka, aminek N=2 n csúcsa van. Jelölje a csúcsokat egy n hosszú bitsorozat, tehát egy csúcs. Két csúcs akkor van összekötve, ha csak 1 bitben térnek el egymástól (Hamming-távolságuk 1). Bitrögzítő stratégia: ismert a kiinduló pont (X) és a célpont (Y), mint n hosszú bitsorozat: Az útvonalat úgy határozzuk meg, hogy mindig a legbalrább eső különböző bitet állítjuk át.

Például: 1.) (1011) (0000) esetén az útvonal: (1011) (0011) (0001) (0000) 2.) (101010) (001111) esetén: (101010) (001010) (001110) (001111). Ha véletlenített algoritmust használunk akkor a várható lépésszám, kisebb, mint. Ez az algoritmus, használ egy egyszerű kétfázisú sémát. Ez a séma választ minden v i -re egy közbeeső σ(i) csomópontot: I. Elküldi a ebbe a σ(i) csomópontba, II. Ezután σ(i)-ből d(i)-be küldi. Minden fázis és minden csomag a bitrögzítő stratégiát használja az útvonala meghatározásához. Az I. fázis elemzése (a II. fázis az első fázis inverze): Ha két csomagnak egy ideig közös útvonala van, aztán az egyik eltér, akkor később már nem fognak találkozni. Lemma: Legyen a v i útvonala az (e 1, e 2,, e k ) élek sorozata. Legyen S azon csomagok halmaza (v i kivételével), akiknek az útja az (e 1, e 2,, e k )-ba belemetsz. Ekkor v i késedelme S. Bizonyítás: minden késést valakihez hozzá tudunk rendelni. Késedelem: t-j, ahol a csomag a t időpontban az e j élen megy át. Amikor v i késedelme x-ről x+1-re nő, akkor van legalább egy olyan S-beli csomag, amely keresztezné ugyanazt az élet mint v i, ugyanabban a lépésben, mert ha nem így lenne, akkor v i kapna engedélyt az él keresztezésére és nem növekedne a késedelme. Végeredményképpen, minden késedelmet külön ponthoz rendelünk. Legyen H ij véletlen változó a következőképpen: A teljes késés az i csúcsra: Késedelem(i) = A v i csomag késésre, a Chernoff-korláttal egy felső korlátot kaphatunk mellett. Legyen T k azon utak száma, amik e k -n átmennek. Várható úthossz?, mert minden bit valószínűséggel változik. Várható élek száma?, N csúcs, n bit

Tétel: Legalább valószínűséggel, minden csomag eléri a közbeeső csomópontot az I. fázisban 7n vagy kevesebb lépésben. Tétel: Legalább valószínűséggel, minden csomag célba ér 14n vagy kevesebb lépésben. Készítette: Bobák György