BFS,DFS Topological Sort

מצגת בנושא: "BFS,DFS Topological Sort"— תמליל מצגת:

1 BFS,DFS Topological Sort
תרגול 12 BFS,DFS Topological Sort ds182-ps12

2 גרפים גרף G=(V,E) 2 דרכים עיקריות לייצג גרף כמבנה נתונים:
מטריצת סמיכויות מטריצה M בגודל |𝑉|𝑥|𝑉| M[i,j]=1 אם יש קשת בין 𝑣𝑖 ל𝑣𝑗 בG, אחרת M[i,j]=0 רשימות סמיכויות מערך בגודל |V| התא ה𝑖 מכיל רשימה משורשרת של השכנים של 𝑣𝑖. כלומר, של כל הקודקודים 𝑣𝑗 כך ש 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑗 ∈𝐸 במקרים מסוימים אפשר להשתמש בשניהם ds182-ps12

3 ds182-ps12

4 ds182-ps12

5 BFS(G, s) - Breadth-First Search
קודם נגיע לשכנים הקרובים ביותר ורק אח"כ נתרחק. ds182-ps12

6 BFS(G, s) - Breadth-First Search
מתחילים מקודקוד המקור 𝑠 ועוברים שכבה שכבה עד שמכסים את כל הקודקודים שניתן להגיע מ𝑠 אליהם. האלגוריתם מחשב את המרחק הקצר ביותר מ𝑠 לכל הקודקודים הנגישים לו. האלגוריתם עובד על גרף מכוון ולא מכוון. ds182-ps12

7 BFS(G,s) 1. for each vertex u in V[G] – {s} 2 do color[u]  white 3 d[u]   4 [u]  null 5 color[s]  gray 6 d[s]  0 7 [s]  null 8 Q   9 enqueue(Q,s) 10 while Q   11 do u  dequeue(Q) 12 for each v in Adj[u] 13 do if color[v] = white 14 then color[v]  gray 15 d[v]  d[u] [v]  u 17 enqueue(Q,v) 18 color[u]  black white: undiscovered (לא נגעתי) gray: discovered (בטיפול) black: finished(סיימתי) Q: a queue of discovered vertices color[v]: color of v d[v]: distance from s to v [u]: predecessor of v ds182-ps12

8 Example (BFS) r s t u        v w x y Q: s ds182-ps12

9 Example (BFS) r s t u 1    1   v w x y Q: w r 1 1 ds182-ps12
   1   v w x y Q: w r 1 1 ds182-ps12

10 Example (BFS) r s t u 1 2   1 2  v w x y Q: r t x 1 2 2 ds182-ps12
2   1 2  v w x y Q: r t x ds182-ps12

11 Example (BFS) r s t u 1 2  2 1 2  v w x y Q: t x v 2 2 2 ds182-ps12
2  2 1 2  v w x y Q: t x v ds182-ps12

12 Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2  v w x y Q: x v u 2 2 3 ds182-ps12
2 3 2 1 2  v w x y Q: x v u ds182-ps12

13 Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2 3 v w x y Q: v u y 2 3 3 ds182-ps12
2 3 2 1 2 3 v w x y Q: v u y ds182-ps12

14 Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2 3 v w x y Q: u y 3 3 ds182-ps12
2 3 2 1 2 3 v w x y Q: u y 3 3 ds182-ps12

15 Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2 3 v w x y Q: y 3 ds182-ps12
2 3 2 1 2 3 v w x y Q: y 3 ds182-ps12

16 Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2 3 v w x y Q:  ds182-ps12

17 Time complexity: O(|V| + |E|), sometimes written as O(V+E)
Example (BFS) r s t u 1 2 3 2 1 2 3 v w x y BFS Tree Time complexity: O(|V| + |E|), sometimes written as O(V+E) ds182-ps12

18 DFS(G, s) - Depth-First Search
ds182-ps12

19 DFS DFS(G) 1. for each vertex u  V[G] 2. do color[u]  white 3. [u]  NULL 4. time  0 5. for each vertex u  V[G] 6. do if color[u] = white 7. then DFS-Visit(u) DFS-Visit(u) color[u]  GRAY time  time + 1 d[u]  time for each v  Adj[u] do if color[v] = WHITE then [v]  u DFS-Visit(v) color[u]  BLACK f[u]  time The time is to determine what kind of edge this is Uses a global timestamp time. ds182-ps12

20 Example (DFS) u v w 1/ x y z ds182-ps12

21 Example (DFS) u v w 1/ 2/ x y z ds182-ps12

22 Example (DFS) u v w 1/ 2/ 3/ x y z ds182-ps12

23 Example (DFS) u v w 1/ 2/ 4/ 3/ x y z ds182-ps12

24 Example (DFS) u v w 1/ 2/ B 4/ 3/ x y z ds182-ps12

25 Example (DFS) u v w 1/ 2/ B 4/5 3/ x y z ds182-ps12

26 Example (DFS) u v w 1/ 2/ B 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

27 Example (DFS) u v w 1/ 2/7 B 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

28 Example (DFS) u v w 1/ 2/7 B F 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

29 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 B F 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

30 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/ B F 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

31 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/ B C F 4/5 3/6 x y z ds182-ps12

32 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/ B C F 4/5 3/6 10/ x y z ds182-ps12

33 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/ B C F 4/5 3/6 10/ B x y z ds182-ps12

34 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/ B C F 4/5 3/6 B x y z 10/11 ds182-ps12

35 Example (DFS) u v w 1/8 2/7 9/12 B C F 4/5 3/6 B x y z 10/11
ds182-ps12

36 DFS Edges Classifications
DFS can be used to classify the edges of the input graph G=(V,E). Tree-edges (u,v) - if v was initially discovered using edge from u to v Back-edges (u,v) - if v is an ancestor of u in the depth-tree Forward-edges (u,v) - not a tree-edge, where u is v's ancestor Cross-edges (u,v) - All the other edges, where u and v are vertices in different depth-tree, u is not v's ancestor or v is not u's ancestor ds182-ps12

37 DFS Edges Classifications
מה קורה בגרף לא מכוון? DFS can be used to classify the edges of the input graph G=(V,E). Tree-edges (u,v) - if v was initially discovered using edge from u to v Back-edges (u,v) - if v is an ancestor of u in the depth-tree Forward-edges (u,v) - not a tree-edge, where u is v's ancestor Cross-edges (u,v) - All the other edges, where u and v are vertices in different depth-tree, u is not v's ancestor or v is not u's ancestor הקשתות היחידות הן: קשתות עץ קשתות אחורה ds182-ps12

38 דוגמת ריצה של BFS & DFS ds182-ps12

39 דוגמת ריצה של BFS & DFS ds182-ps12

40 רעיון – בוא נקבע סדר כלשהו על הגרף
שאלה 1 – גרף חסר מעגלים נתון גרף לא מכוון𝐺 = (𝑉,𝐸) המיוצג ע"י רשימת שכינויות. הצע אלגוריתם ליצירת גרף מכוון חסר מעגלים 𝐺′ = (𝑉,𝐸′) מתוך הגרף 𝐺. האלגוריתם קובע את הכיוון של הקשתות 𝐸 כך ש|E′|=|E|. רעיון – בוא נקבע סדר כלשהו על הגרף ds182-ps12

41 שאלה 1 – גרף חסר מעגלים פתרון: נמספר את כל הקודקודים בגרף.
נתון גרף לא מכוון𝐺 = (𝑉,𝐸) המיוצג ע"י רשימת שכינויות. הצע אלגוריתם ליצירת גרף מכוון חסר מעגלים 𝐺′ = (𝑉,𝐸′) מתוך הגרף 𝐺. האלגוריתם קובע את הכיוון של הקשתות 𝐸 כך ש|E′|=|E|. פתרון: נמספר את כל הקודקודים בגרף. נאתחל 𝐸 ′ = . לכל קודקוד 𝑣 𝑖 ∈𝑉 וקשת 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑗 ∈𝐸 כך ש 𝑖<𝑗 אזי: 𝐸 ′ ← 𝐸 ′ ∪( 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑗 ) ds182-ps12

42 שאלה 1 – גרף חסר מעגלים הוכחה: נוכיח כי 𝐸 ′ = 𝐸 :
נוכיח כי 𝐸 ′ = 𝐸 : לכל קשת 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑗 ∈𝐸 מתקיים כי או (𝑖 < 𝑗) או 𝑗 < 𝑖 . מכיוון ש 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑗 וגם 𝑣 𝑗 , 𝑣 𝑖 נמצאות ברשימת השכינויות של הגרף הלא מכוון, אז בדיוק אחת מהן תופיע ב𝐸′. ds182-ps12

43 שאלה 1 – גרף חסר מעגלים הוכחה: נוכיח כי 𝐺′ הוא גרף חסר מעגלים :
נניח בשלילה שיש מעגל ב𝐺′ אשר מתחיל מהקודקוד 𝑣 𝑖 . המעגל עובר בקודקודים 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑖 1 , 𝑣 𝑖 2 ,…, 𝑣 𝑖 𝑘 ואז חוזר ל 𝑣 𝑖 . 𝑣 𝑖 , 𝑣 𝑖 1 , 𝑣 𝑖 2 ,…, 𝑣 𝑖 𝑘 , 𝑣 𝑖 לפי בניית הגרף, מתקיים 𝑖< 𝑖 1 <…< 𝑖 𝑘 <𝑖 סתירה ds182-ps12

44 שאלה 2 – רכיבי קשירות דרך מהעיר A לעיר B מיוצג ע"י הזוג (A,B)
הניחו כי הדרכים הם דו כיווניות בהינתן קבוצה של m דרכים ו – n ערים הציעו איך לעבד את הקלט בזמן O(n+m) וזיכרון לא מוגבל כדי לתמוך בפעולה הבאה בזמן O(1): Reachable(i,j)- מחזיר TRUE אם קיימת דרך מעיר i לעיר j אחרת יחזיר FALSE ds182-ps12

45 שאלה 2 – רכיבי קשירות רעיון: רכיבי קשירות:
גרף חלקי לגרף המקורי בו קיימת דרך בין כל שני קודקודים בתת הגרף (כל קודקוד בדרך שייך לתת הגרף) ds182-ps12

46 שאלה 2 – רכיבי קשירות עיבוד מקדים:
ייצג את הקלט כגרף לא מכוון G=(V,E), כך שהקודקודים ייצגו את הערים והצלעות את הדרכים. נייצג את הגרף כרשימת סמיכויות. זמן עיבוד וזיכרון : O(n + m) הגדר מערך C בגודל n. המערך ישמור את הנציג של רכיב הקשירות עבור כל קודקוד. עבור כל קודקוד v בגרף G: אם ל v אין נציג, הוא חלק מרכיב קשירות אשר לא התגלה. הפעל DFS מ – v וסמן במערך C את v כנציג של כל הקודקודים שהתגלו בהרצת הDFS. אחרת אם ל v יש נציג, הוא חלק מרכיב קשירות שכבר התגלה, לכן נדלג עליו. ds182-ps12

47 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

48 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

49 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

50 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

51 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

52 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

53 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

54 שאלה 2 – רכיבי קשירות 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ds182-ps12

55 שאלה 2 – רכיבי קשירות זמן הריצה של העיבוד המקדים הוא O(n+m) מכיוון שבכל קודקוד נבקר פעמיים - פעם אחת בלולאה החיצונית (סעיף 3 באלגוריתם), ועוד פעם כאשר נבקר בו בזמן שנריץ BFS\DFS מאחד הקודקודים ברכיב הקשירות. בנוסף נבקר בכל צלע פעם אחת. Reachable(i,j): יחזיר TRUE אמ"מ קודקוד i וקודקוד j שייכים לאותו רכיב קשירות, כלומר C[i] = C[j] זמן ריצה : O(1) ds182-ps12

56 שאלה 2 – רכיבי קשירות זמן הריצה של העיבוד המקדים הוא O(n+m) מכיוון שבכל קודקוד נבקר פעמיים - פעם אחת בלולאה החיצונית (סעיף 3 באלגוריתם), ועוד פעם כאשר נבקר בו בזמן שנריץ BFS\DFS מאחד הקודקודים ברכיב הקשירות. בנוסף נבקר בכל צלע פעם אחת. Reachable(i,j): יחזיר TRUE אמ"מ קודקוד i וקודקוד j שייכים לאותו רכיב קשירות, כלומר C[i] = C[j] זמן ריצה : O(1) ds182-ps12

57 שאלה 3 – רדוקציה רדוקציה - תזכורת: נניח שיש לנו שתי בעיות 𝑃 1 , 𝑃 2 .
נניח שיש לנו שתי בעיות 𝑃 1 , 𝑃 2 . יש לנו אלגוריתם שפותר את 𝑃 2 . רדוקציה מבעיה 𝑃 1 לבעיה 𝑃 2 זוהי דרך לפתור את הבעיה 𝑃 1 בעזרת האלגוריתם לפתרון 𝑃 2 ds182-ps12

58 שאלה 3 - רדוקציה בהינתן גרף לא מכוון G = (V,E), (G קשיר).
שאלה 3 - רדוקציה בהינתן גרף לא מכוון G = (V,E), (G קשיר). נגדיר עבור כל 2 קבוצות של קודקודים 𝑉1 ו 𝑉2 כך ש 𝑉 1 ∪ 𝑉 2 ⊆𝑉 : distance(u,v) – אורך המסלול הקצר ביותר מ u ל-v ב G. distance(V1, V2) – min 𝑣∈ 𝑉 1 ,𝑢∈ 𝑉 2 {𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑢,𝑣 } אורך המסלול הקצר ביותר מקודקוד ב 𝑉 1 לקודקוד ב 𝑉 2 (הערה: אם 𝑉1∩ 𝑉 2 ≠∅ אז distance(𝑉1, 𝑉2)=0) מצא את distance(V1, V2) בזמן ריצה 𝑶(|𝑽|+|𝑬|) 1 3 4 5 2 6 ds182-ps12

59 שאלה 3 - רדוקציה פתרון: נגדיר גרף חדש G'=(V',E') מהגרף הישן G = (V,E).
שאלה 3 - רדוקציה פתרון: נגדיר גרף חדש G'=(V',E') מהגרף הישן G = (V,E). נוסיף 2 קודקודים s ו t ל V, נחבר את s לכל קודקוד ב 𝑉 1 ונחבר את t לכל קודקוד ב 𝑉 2 ונריץBFS כדי לגלות את אורך המסלול הקצר ביותר מ s ל t. אורך המסלול הקצר ביותר מ s ל t יהיה distance(V1, V2) + 2 1 s 3 4 5 t 2 6 ds182-ps12

60 שאלה 3 - רדוקציה Solution: 𝑉 ′ ←𝑉∪ 𝑠,𝑡
שאלה 3 - רדוקציה Solution: 𝑉 ′ ←𝑉∪ 𝑠,𝑡 𝐸 ′ ←𝐸∪ 𝑠,𝑢 :𝑢∈ 𝑉 1 ∪ 𝑣,𝑡 :𝑣∈ 𝑉 2 Execute BFS from s // Finding d(t). return 𝑑(𝑡) – 2 Runtime: 𝑂(|𝑉|) + 𝑂(|𝑉|) + 𝑂(|𝑉| + |𝐸|) + 𝑂(1) = 𝑂(|𝑉| + |𝐸|) ds182-ps12

61 שאלה 4 הצע אלגוריתם הקובע האם בגרף לא מכוון קיים מעגל (באורך גדול מ-1) הרץ בזמן ריצה 𝑂(|𝑉|) שימו לב כי זמן הריצה אינו תלוי ב E ds182-ps12

62 שאלה 4 פתרון: טענה: גרף לא מכוון אינו מכיל מעגלים אמ"מ בהפעלת DFS על הגרף לא יתגלו צלעות אחורה. תזכורת: צלע (u,v) נקראת צלע אחורה אם u אב קדמון של v אך הצלע (u,v) אינה צלע בעץ שנוצר ע"י ה-DFS ds182-ps12

63 שאלה 4 בהרצת DFS על גרף לא מכוון, יש רק 2 סוגי צלעות:
פתרון: טענה: גרף לא מכוון אינו מכיל מעגלים אמ"מ בהפעלת DFS על הגרף לא יתגלו צלעות אחורה. בהרצת DFS על גרף לא מכוון, יש רק 2 סוגי צלעות: צלעות עץ וצלעות אחורה. ניתן לשנות את אלגוריתם ה-DFS כך שהוא יסווג קשתות כשהוא מגלה אותן. אם הגענו לקודקוד אפור (הגענו דרך צלע אחורה), זה אומר שחזרנו לקודקוד שכבר ביקרנו בו, ולכן בגרף יש מעגל. ds182-ps12

64 מסקנה: זמן ריצת האלגוריתם הוא O(|V|).
שאלה 4 Solution: Acyclic(G=(V,E)) Execute DFS on the graph while: If DFS visits a grey node, return "cycle“ עובדה: גרף לא מכוון עם לפחות |V| קשתות בהכרח מכיל מעגל. אם בגרף יש מעגל,אז במקרה הגרוע ביותר האלגוריתם יגלה |V|-1 קשתות שונות בגרף לפני שיגיע לקשת אחורה (קשת אל קודקוד אפור). אם בגרף אין מעגל, אז הוא מכיל לכל היותר |V|-1 קשתות, ולכן האלגוריתם יסתיים לאחר שיעבור על לכל היותר |V|-1 קשתות. מסקנה: זמן ריצת האלגוריתם הוא O(|V|). גרף ללא מעגלים תמיד מכיל לכל היותר v-1 צלעות ds182-ps12

65 שאלה 5 הגדרה: קודקוד בגרף מכוון נקרא super-sink אם דרגת היציאה שלו היא 0, ודרגת הכניסה שלו היא |V|-1 דוגמה: ds182-ps12

66 שאלה 5 נתון גרף מכוון G=(V,E) המיוצג בעזרת מטריצת סמיכויות. הציעו אלגוריתם שרץ בזמן O(|V|) המוצא האם קיים super-sink בגרף, ואם כן מחזיר אותו. רעיון: אם הקודקוד vi הוא super-sink, אז כל השורה שלו היא אפסים, וכל העמודה שלו (פרט לתא [i,i]) היא אחדות. i x x 1 x ds182-ps12

67 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

68 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

69 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

70 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

71 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

72 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

73 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

74 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

75 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

76 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

77 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

78 שאלה 5 הדגמת פתרון: 8 7 6 5 4 3 2 1 ds182-ps12

79 שאלה 5 הדגמת פתרון: v6 מועמד יחיד להיות super-sink. למה? 8 7 6 5 4 3 2
1 v6 מועמד יחיד להיות super-sink. למה? ds182-ps12

80 שאלה 5 הדגמת פתרון: נבדוק אם כל השורה אפסים והעמודה אחדות
8 7 6 5 4 3 2 1 נבדוק אם כל השורה אפסים והעמודה אחדות v6 אכן super-sink ds182-ps12

81 שאלה 5 הדגמת פתרון: במקרה זה 2 מועמד, למה 6 לא יכול להיות מועמד? 8 7 6
4 3 2 1 במקרה זה 2 מועמד, למה 6 לא יכול להיות מועמד? ds182-ps12

82 שאלה 5 הדגמת פתרון: במקרה זה 2 מועמד, למה 6 לא יכול להיות מועמד? 8 7 6
4 3 2 1 כי היה צריך להיות פה 1 כדי ש 6 יהיה super-sink במקרה זה 2 מועמד, למה 6 לא יכול להיות מועמד? ds182-ps12

83 שאלה 5 פתרון: זמן ריצה: הלולאה לוקחת לכל היותר (n+n) צעדים, ובדיקת כל השורה והעמודה לוקח 2n צעדים. סה"כ T(n)=O(n). מה לגבי תחזוק סכום בסוף כל שורה ועמוד במטריצה? ds182-ps12

84 מיון טופולוגי Topological-Sort
סידור קודקודים של גרף מכוון חסר מעגלים – directed acyclic graph (DAG) , 𝐺= 𝑉,𝐸 כך ש: אם יש מסלול מ𝑣 ל𝑢 ב𝐺 אז 𝑣 מופיע לפני 𝑢 בסידור. יכולים להיות מספר פתרונות לבעיה, לדוגמא: בצע DFS על הגרף לחישוב 𝑓 𝑣 כשהביקור בכל קודקוד נגמר והוא נצבע בשחור, הכנס אותו כראש רשימה מקושרת. החזר את הרשימה המקושרת של הקודקודים. Time Complexity: O(|V|+|E|) דוגמא ds182-ps12

85 מיון טופולוגי הדגמה: מיון: מיון אחר: v1 v4 v2 v3 v6 v5 v1 v2 v4 v5 v3
ds182-ps12

86 שאלה 6 נתונות 2 רשימות הציעו 2 אלגוריתמים, לבניית מערכת עבור
רשימה A של קורסים נדרשים לתואר רשימה B של קדימויות, המכילה זוגות סדורים (x,y), שמציין שקורס x קדם של קורס y. הקדימויות הן ללא מעגלים. הציעו 2 אלגוריתמים, לבניית מערכת עבור סטודנט עצלן שרוצה ללמוד רק קורס אחד בסמסטר סטודנט חרוץ שרוצה לסיים את כל הקורסים מוקדם ככל האפשר, ומוכן ללמוד את כל הקורסים שאפשר במקביל. ds182-ps12

87 שאלה 6 דוגמה: { Alg, Eng, Ds1, Ds2, Mat, Ph1, Ph2 } = A
= B { (Alg, Ds2), (Ds1, Ds2), (Mat, Ds1), (Ph1, Ph2) } ds182-ps12

88 שאלה 6 פתרון לסטודנט עצלן: נסתכל על הרשימות כגרף מכוון, כאשר הקורסים הינם הקודקודים והקדימויות הינם הצלעות. נמיין את הגרף טופולוגית, ואז נעבור עליו לפי הסדר, וכל קורס יהיה בסמסטר. ds182-ps12

89 שאלה 6 פתרון לסטודנט עצלן, דוגמה: Mat Alg Ds1 Ds2 Ph1 Ph2 Eng 1 2 3 4
5 6 7 ds182-ps12

90 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי:
נעבור על הקודקודים ונשמור את דרגת הכניסה שלהם – O(|V|+|E|) ניצור רשימה של כל הקודקודים עם דרגת כניסה 0 – O(|V|) בלולאה: עוברים על כל הקודקודים בדרגת כניסה 0, מכניסים אותם לרשימת המיון הטופולוגי, ומורידים 1 מכל השכנים שלהם, תוך כדי יצירת רשימה חדשה של קודקודים עם דרגה 0 O(d(v)) לכל קודקוד, לכן סה"כ לכל הלולאה – O(|V|+|E|) ds182-ps12

91 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: ds182-ps12

92 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 0:
Eng Mat Alg 1 Ds1 2 Ds2 Ph1 Ph2 1 סיבוב 0: קודקודים עם דרגת כניסה 0: Eng Alg Mat Ph1 תוצאה: ds182-ps12

93 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 1:
Eng Mat Alg Ds1 1 Ds2 Ph1 Ph2 סיבוב 1: קודקודים עם דרגת כניסה 0: Ds1 Ph2 תוצאה: Eng Alg Mat ds182-ps12 Ph1

94 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 2:
Eng Mat Alg Ds1 Ds2 Ph1 Ph2 סיבוב 2: קודקודים עם דרגת כניסה 0: Ds2 תוצאה: Eng Alg Mat ds182-ps12 Ph1 Ds1 Ph2

95 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: Eng Mat Alg Ds1
Eng Mat Alg Ds1 Ds2 Ph1 Ph2 תוצאה: Eng Alg Mat ds182-ps12 Ph1 Ds1 Ph2 Ds2

96 שאלה 6 פתרון לסטודנט החרוץ: נבצע את המיון הטופולוגי הנ"ל, כך שאת כל הקודקודים עם דרגת כניסה 0 בסיבוב הi- נכניס לסמסטר הi+1. ds182-ps12

97 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 0:
Eng Mat Alg 1 Ds1 2 Ds2 Ph1 Ph2 1 סיבוב 0: Eng Alg Mat Ph1 קודקודים עם דרגת כניסה 0: תוצאה: ds182-ps12

98 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 1:
Eng Mat Alg Ds1 1 Ds2 Ph1 Ph2 סיבוב 1: קודקודים עם דרגת כניסה 0: Eng Ds1 Ph2 Alg Mat תוצאה: ds182-ps12 Ph1

99 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: סיבוב 2:
Eng Mat Alg Ds1 Ds2 Ph1 Ph2 סיבוב 2: קודקודים עם דרגת כניסה 0: Ds2 Eng Alg Mat Ds1 תוצאה: ds182-ps12 Ph1 Ph2

100 שאלה 6 אלגוריתם חלופי למיון טופולוגי, הדגמה: תוצאה: Eng Mat Alg Ds1
Eng Mat Alg Ds1 Ds2 Ph1 Ph2 Eng Alg Mat Ds1 תוצאה: ds182-ps12 Ph1 Ph2 Ds2

101 שאלה 7 נתון DAG (directed acyclic graph - גרף מכוון ללא מעגלים), בו כל הצלעות ממושקלות. הציעו אלגוריתם בזמן O(|V|+|E|) למציאת המשקל של המסלול עם המשקל המקסימלי. דוגמה: 1 6 3 5 2 10 המשקל המקסימלי של מסלול כלשהו בגרף הוא 13 4 8 ds182-ps12

102 A[i] = max{A[j]+w(vj,vi) : (vj,vi)E }
שאלה 7 נתון DAG (directed acyclic graph - גרף מכוון ללא מעגלים), בו כל הצלעות ממושקלות. הציעו אלגוריתם בזמן O(|V|+|E|) למציאת המשקל של המסלול עם המשקל המקסימלי. רעיון הפתרון: נמיין את הגרף טופולוגית, ואז בכל קודקוד, המשקל המקסימלי של מסלול עד אליו הוא המקסימום של {המשקל המקסימלי של מסלול עד קודקוד עם קשת אליו + משקל הקשת} A[i] = max{A[j]+w(vj,vi) : (vj,vi)E } v1 v2 v4 v5 v3 v6 1 2 3 4 5 6 ds182-ps12

103 שאלה 7 פתרון: נמיין את G טופולוגית – O(|V|+|E|). נסמן את המיון כ{v1,…,vn} לכל קודקוד v נבנה רשימה של in-vertices, כלומר קודקודים u כך ש(u,v)∈E – O(|V|+|E|) נגדיר מערך A בגודל |V|, כך שבסיום יתקיים A[i] = משקל המסלול הכבד ביותר המסתיים בvi עבור i מ1 עד n נחשב A[i]=max{A[j]+w(vj,vi)|(vj,vi)∈E} (נשים לב שכיוון שמיינו טופולוגית, כל הA[j] הרלוונטיים כבר חושבו כאשר נרצה לחשב את A[i]) נחזיר את max{A[1],…,A[n]} – O(|V|) ds182-ps12

104 שאלה 7 MaxPath(G) v1, v2, …, vn ← TopologicalSort(G)
Create-in-edges-lists() A ← new array [1..n] A[1] ← 0 for i ← 2 to n do A[i] ← max{A[j]+w(j,i) : j  in_edges_list[i] } return max{A[1],A[2],…,A[n]} ds182-ps12

105 שאלה 7 We design the algorithm:
Express the solution to a problem in terms of solutions to smaller problems. Solve all the smallest problems first and put their solutions in a table Solve the next larger problems, and so on, up to the problem, we originally wanted to solve. Each problem should be easily solvable by looking up and combining solutions of smaller problems in the table. Time Complexity: O(|V|+|E|) v1 v2 v4 v5 v3 v6 1 2 3 4 5 6 ds182-ps12

106 שאלה 7 הדגמת פתרון: v2 1 v1 6 A 3 5 v5 2 10 1 v4 v3 2 1 3 5 4 8 v6 4 4 5 7 v1 v2 v3 v4 v5 v6 1 2 4 5 10 3 8 6 6 13 כיצד ניתן לשנות את האלגוריתם כך שגם יחזיר את המסלול הכבד ביותר? ds182-ps12

107 מה למדנו? BFS DFS Topological Sort ds182-ps12

108 תרגול בבית Update the BFS algorithm so that every vertex v in the graph contains not only d[v], the length of shortest path from s to v, but also the number of different paths of that length. ds182-ps12

109 תרגול בבית Solution: Each node u in the graph will contain an extra field: M(u) - the number of different paths to u of length d(u). Initialize M(v)0 for all the vertices except s. initialize M(s)1. For each vertex u, when going over the neighbors v of u: if v is a white neighbor then M(v)  M(u) else // v is not a white neighbor of u if d(v) = d(u)+1 M(v)  M(v) + M(u) ds182-ps12