© Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Föreläsning 8 Relationer, prioritetsköer och grafer
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Innehåll Relationer Snabb genomgång, resten läses på egen hand. Prioritetsköer Modell, organisation, konstruktioner, implementationer Grafer Modell, organisation, konstruktioner, implementationer Kapitel 16, och i kursboken
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Relationer En instans av datatypen Relationer består av alla de relationer (relationsobjekt) som kan bildas ur en domänbas för instansen. ”Kurstillfällen” är en relation över domänmängden (Kurskoder, År, Termin, Del av termin) med element som (TDBA36, 03, VT, 1) och (TDBA47, 03, VT, 2) ”Läsperioder” är en annan relation över samma mängd med element som (03, VT, 1), (98, HT, 3) etc. En relationsdatatyp kan alltså ha relationsobjekt med olika aritet.
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Modell av Relation Ofta beskriver man en relation med hjälp av en tabell över de element som ingår i relationen. Relationen Kursansvar: Anders BrobergTDBA36 Johan EliassonTDBA63 Lena Kallin WestinTDBA47 Helena LindgrenTDBD06 ……
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Tillämpningar av Relation Relationsdatabaser Vilka lärare undervisar på våren? LärareKurskod Anders BrobergTDBA36 Johan EliassonTDBA63 Lena Kallin WestinTDBA47 Helena LindgrenTDBD06 …… KurskodÅrTerminPeriod TDBA3603VT1 TDBA6303VT1 TDBA4703VT2 TDBD0602HT3 …………
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Prioritetskö Modell: Patienterna på en akutmottagning, man kommer in i en viss tidsordning men behandlas utifrån en annan ordning. Organisation: En mängd vars grundmängd är linjärt ordnad av en prioritetsordning. Avläsningar och borttagningar görs endast på de element som har högst prioritet. Andra mängdoperationer är inte aktuella
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Specifikation av prioritetskö Gränsytan Pqueue(val, R): Empty() Pqueue(val, R) Insert(v:val, p:Pqueue(val, R)) Pqueue(val, R) Isempty(p:Pqueue(val, R)) Bool Inspect-first (p:Pqueue(val, R)) val Delete-first (p:Pqueue(val, R)) Pqueue(val, R) R är relationen för prioritetsordningen. Ibland slås de två sista metoderna ihop. Ytan ovan förutsätter statisk prioritet. Vill man ha dynamisk prioritet måste en update- metod finnas.
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Specifikation av prioritetskö Man kan också tänka sig att prioritetskön tar element (val) som består av ett värde och en prioritet. Förra fallet antog man att värde = prioritet Gränsytan kan varieras på flera sätt update har vi redan nämnt Vi kan också vilja finna det högsta/minsta prioritetsvärdet i kön
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Stack och kö är specialfall av prioritetskön! Om R är den totala relationen, dvs gäller för alla par av värden blir prioritetskön en stack. Om R är den tomma relationen, dvs inte gäller för några par av värden, blir det en kö. Dessutom: Om R är en strikt partiell ordning, som ”>”, kommer lika element behandlas som en kö. Om R är icke-strikt, som ”≥” behandlas lika element som en stack. Se axiomen på s 294!
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Konstruktioner av Prioritetskö Man utgå från konstruktioner av Mängd eller Lexikon Men de har vi inte stött på än… Lista, ej sorterad Insert O(1), Delete-first O(n) Lista, sorterad Insert O(n), Delete-first O(1)
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Konstruktioner av Prioritetskö Man kan också använda ett partiellt sorterat binärt träd (kallas också för Hög/Heap). Etiketterna är sorterade efter en relation R så att a är förälder till b endast om a är före b i ordningen som ges av R. Insättningar och borttagningar görs så att trädet hålls komplett. Insert O(log n), Delete-first O(log n) Se figur och s 296!
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Tillämpningar Operativsystem som fördelar jobb mellan olika processer Enkelt sätt att sortera något. Stoppa in allt i en prioritetskö och plocka ut det igen. Hjälpmedel vid traversering av graf Jmfr att stack och kö används vid traversering av träd.
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Graf Modell: Vägkarta med enkelriktade gator utritade. Tillämpningar Signaturdiagrammen Elektroniska kretsar Nätverk (gator, flygrutter, kommunikation) Neurala nätverk … Se figur 17.1 s 337 och 17.3 s 340!
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Mängorienterad specifikation (vanlig inom matematiken) En graf G = (V, E) består av V : en mängd av noder (vertices) E : en mängd av bågar (edges) som binder samman noderna i V. oEn båge e = (u, v) är ett par av noder. ab c de V = {a, b, c, d, e} E = {(a,b), (a,c), a,d), (b,e), (c,d), (c,e), (d,e)}
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Navigeringsorienterad specifikation En graf är en mängd med noder där man till varje nod associerar en grannskapsmängd av noder som kallas grannar. Alla noder tillhör samma typ Alla ordnade par av en godtycklig nod och en av noderna i dess grannskapsmängd utgör en båge. Denna specifikation passar ofta bättre i algoritmer eftersom de förutsätter effektiva navigeringsoperationer.
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Riktade/oriktade grafer Oriktade grafer Bågen är en mängd av två noder. Noderna är grannar till varandra. Gradtalet = Antalet bågar till grannar (eller sig själv) Riktade grafer Bågen är ordnade par av noder. Gradtalet indelas i oIngradtalet = antalet bågar som går till noden oUtgradtalet = antalet bågar som startar i noden och går till en annan nod. ab c de ab c de
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Bokens informella specifikation: Empty – konstruerar en tom graf utan noder och bågar Insert-node(v, g) – sätter in noden v i grafen g Insert-edge(e, g) – sätter in en båge e i grafen g. Det förutsätts att noderna finns i grafen Isempty(g) – testar om grafen g är tom, dvs utan noder Has-no-edges(g) – testar om grafen g saknar bågar Choose-node(g) – väljer ut en nod ur grafen g Neighbours(v, g) – mängden av alla grannar till v i grafen g Delete-node(v, g) – tar bort noden v ur grafen g, förutsatt att v inte ingår i någon båge Delete-edge(e, g) – tar bort bågen e ur grafen g
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Terminologi Väg/stig (path): En sekvens av noder v 1, v 2, …, v n så att v i och v i+1 är grannar. I figuren ovan, a, b, e, c Enkel väg (simple path): Inga noder förekommer två gånger i vägen. Cykel (cycle): En enkel väg där den sista noden i sekvensen är densamma som den första. ab c de
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Terminologi Sammanhängande (connected) graf Varje nod har en väg till varje annan nod. Delgraf (subgraf) en delmängd av noderna och kanterna som formar en graf. Sammanhängande komponenter En sammanhängande subgraf Grafen uppe till höger har två sammanhängande komponenter. ab c de ab c de
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Connectivity (nåbarhet) Låt n = antalet noder och m = antalet bågar. En komplett graf (complete graph) får man när alla noder är grannar till alla andra. I en komplett oriktad graf är m = n(n-1)/2 För ett träd gäller m = n-1 Om m < n-1 så är grafen inte sammanhängande ab dc m=5, n =6 m=6, n =4 ab c de m=3, n =5
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Digraph och DAGs DiGraph = Directed graph dvs riktad graf kan vara sammanhängande (dvs vägar finns från alla till alla noder) kan ha sammanhängande komponenter DAG = Directed Acyclic Graf dvs, en riktad graf utan cykler ab c de ab c de
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Mer grafer… Viktad graf En graf där bågarna har vikter Multigraf Tillåtet med flera bågar mellan två noder. Dessa bågar har då olika egenskaper som måste lagras. Ordnad graf har inbördes ordning mellan grannarna till en nod.
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Konstruktion av grafer Förbindelsematris Bågarna representeras av ettor i en matris. Rad 1 visar vilka bågar man kan nå från a. Kolumn 3 visar från vilka noder det kommer bågar till c. + Enkel att implementera och passar när man har siffror på noder och bågar. -Matrisen kan bli stor och gles och kräva specialtrick ab c de
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Konstruktion av grafer Graf som fält av lista. Listan är grannskapslistan. Man utgår att det finns minst en båge från varje nod (Fält) men inte att går en båge från varje nod till varje annan nod (därför Lista). + Inte lika utrymmeskrävande som en gles matris. Utrymmet = O(n+m) - Fixt antal noder ab c de a b c d e c c c b de e
Datastrukturer och algoritmer VT © Anders Broberg, Ulrika Hägglund, Lena Kallin Westin, 2003 Grafalgoritmer Traversera Bredden-först och djupet-först Konstruera ett uppspännande träd Finna vägarna från en nod till alla andra noder Man kan vilja hitta kortaste vägen mellan två noder Finna maximala flödet Finna det maximala flödet mellan två noder