Teile und Herrsche
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=='''Teile und herrsche (divide et impera)''' ==
=== Definition ===
<center>
<div style= "background-color:#D6D6C2; padding:10px">
Das Entwurfsverfahren '''Teile und Herrsche''' (divide-and-conquer) dient dem Entwurf rekursiver Algorithmen.
Die Idee ist es, ein Problem der Groeßen in mehrere gleichartige aber kleinere Teilprobleme zu zerlegen ('''divide''').
Aus rekursiv gewonnenen Lösungen der Teilprobleme gilt es dann, eine Gesamtlösung für das ursprüngliche Problem zusammenzusetzen ('''conquer''').
</div>
<br>
[[Bild:S3anbrem_Def.PNG]]
</center>
=== Eigenschaften ===
<ul>
<li>
kann bei konzeptionell schwierigen Problemen hilfreich sein
<li>
kann effiziente Lösungen realisieren
<li>
für Parallelverarbeitung geeignet
</ul>
=== Entwurfsmethode für Algorithmen ===
1. <font color="blue"> '''Teile''' </font> das Problem in kleinere Unterprobleme (Divide) <br>
2. <font color="blue"> '''Löse''' </font> rekursiv die entstehenden Unterprobleme (Conquer) <br>
3. <font color="blue"> '''Setze''' </font> die Lösungen zusammen.<br>
<center>
[[Bild:S3anbrem_Anw.PNG]]
</center>
=== Beispiele ===
==== Beispiel: Merge-Sort ====
* Sortiere eine Array indem zwei Teilarrays sortiert und dann gemischt werden. <br><br>
'''sort''' ( [ <font color="green"> '''19 17 23 31 3''' </font> <font color="yellow"> '''5 7 29 2 11 17''' </font> ] ) Teile! <br>
=> '''merge''' ( <br>
'''sort''' ( [ <font color="green"> '''19 17 23 31 3''' </font> ] ), Herrsche über Teilproblem 1 <br>
'''sort''' ( [ <font color="yellow"> '''5 7 29 2 11 17''' </font> ] ) ) Heersche über Teilproblem 2 <br>
= '''merge''' ( [ 3 17 19 23 31 ] , [ 2 5 7 11 17 29 ] ) Kombiniere zur Gesamtlösung <br>
= [ <font color="red"> ''' 2 3 5 7 11 17 17 19 23 29 31 ''' </font> ]
==== Beispiel: Lebkuchenhaus ====
[[Bild:S3anbrem_B1.PNG]]
=== '''Übung 1 :''' Die Türme von Hanoi ===
<popup name="Die Spielregeln">
Es sind n Scheiben unterschiedlichen Durchmessers gegeben, welche geordnet zu einem Turm geschichtet sind, die untere Scheibe ist die größte. Der Turm steht auf einem Anfangsplatz. Unter Verwendung eines Hilfsplatzes soll dieser Turm nun zu einem Zielplatz transportiert werden, wobei verschiedene Regeln einzuhalten sind.
</popup>
Transportiere n Scheiben vom Anfangsplatz auf den Zielplatz, verwende einen Hilfsplatz.
<br>
[[Bild:S3anbrem_U1.png]]
<popup name="Lösung">
[[Bild:S3anbrem_B4.PNG]]
</popup>
==== Teilprobleme ====
Wenn die Anzahl der Scheiben '''1''' beträgt, ist die Lösung des Problems '''trivial'''. Bei mehr als einer Scheibe läßt sich das Gesamtproblem in drei Teilprobleme zerlegen:
* Transportiere '''n-1''' Scheiben vom '''Anfangsplatz''' auf den '''Hilfsplatz'''.
* Transportiere die letzte Scheibe vom '''Anfangsplatz''' auf '''Zielplatz'''.
* Transportiere '''n-1''' Scheiben vom '''Hilfsplatz''' auf den '''Zielplatz'''.
<br>
Bei näherer Betrachtung der Teilprobleme fällt folgendes auf: <br>
a) Der 2. Schritt ist '''trivial''' und sofort '''ausführbar'''. <br>
b) Der 1. und der 3. Schritt sind von der gleichen Art wie das Ausgangsproblem, nur die Anzahl der Scheiben ist um 1 kleiner und die Bedeutung der Plätze hat sich verändert. <br>
Damit hat man für das Gesamtproblem eine rekursive Lösungsvorschrift formuliert.
[[Bild:S3anbrem_Tvh.PNG]]
<code>procedure turm(ap,zp,hp,n:byte);
begin
if n=1 then
writeln(' Scheibe von Platz ',ap,' auf Platz ',zp)
else begin
turm(ap,hp,zp,n-1);
writeln(' Scheibe von Platz ',ap,' auf Platz ',zp);
turm(hp,zp,ap,n-1);
end;
end;</code>
<popup name = "Bedeutung der Variablen:">
Bedeutung der Variablen: <br>
ap - Anfangsplatz <br>
zp - Zielplatz <br>
hp - Hilfsplatz <br>
n - Anzahl der Scheiben <br>
Die Übergabe des Hilfsplatzes als Parameter kann auch entfallen, wenn man als Berechnung einsetzt: <br>
hp := 6 - ap - zp. <br>
</popup>
<br>
Spiele:
http://www.gf-webdesign.de/tuerme-von-hanoi/tuerme-von-hanoi.htm
=== Instanzen ===
* Mergesort <br>
* Quicksort <br>
* Intervallhalbierung (Binärbäumen)<br><br>
== Quicksort ==
== Mergesort ==
<div style= "background-color:#D6D6C2; padding:10px">
Teile n-elementige Folge in zwei Teilfolgen der Groeße n / 2 ( + 1 ). Sortiere die beiden Teilfolgen rekursiv. Füge die nunmehr sortierten Teilfolgen zusammen durch Reißverschlussverfahren.
</div>
ein schnelleres (und rekursives) '''Sortierverfahren'''.
<br>
<ul>
<li> Analogie: Sortieren eines Kartenstapels<br>
<li> Karten sind mit Zahlen beschriftet<br>
</ul>
[[Bild:S3anbrem_Ms.PNG]]
<br>
'''Schritt 1 :''' Teile den Stapel in zwei gleich grosse Stapel.
<br>
[[Bild:S3anbrem_Ms2.png]]
<br>
'''Schritt 2 :''' Sortiere beide Stapel getrennt.
<br>
[[Bild:S3anbrem_Ms3.PNG]]
<br>
'''Schritt 3 :''' Mische die beiden sortieren Stapel zu einem sortieren Stapel : lege dazu jeweils die kleinere der beiden oberen Karten <i> umgedreht </i> auf einen neuen Stapel. <br>
[[Bild:S3anbrem_Ms4.png]]
<br>
Sortieren durch Mischen ( merge sort )<br>
Teile n-elementige Folge in zwei Teilfolgen der Groeße n / 2 ( + 1 ).
Sortiere die beiden Teilfolgen rekursiv. Füge die nunmehr sortierten Teilfolgen zusammen durch Reißverschlussverfahren.
=== Analyse von Merge-Sort ===
Sei '''T(n)''' die Laufzeit von Merge-Sort.<br>
Das '''Aufteilen''' braucht O(1) Schritte.<br>
Die '''rekursiven Aufrufe''' brauchen 2 T(n/2) Schritte.<br>
Das '''Mischen''' braucht O(n) Schritte. <br>
Also: T(n) = 2 T(n/2) + O(n), wenn n > 1 NB T(1) ist irgendein fester Wert.<br>
=== Ubung 1===
* Sortierverfahren <br>
[[Bild:S3anbrem_B1a1.PNG]]
<popup name="1. Aufteilen der Eingabe">
[[Bild:S3anbrem_B1a.png]]
</popup>
<popup name="2. Rekursiv Sortieren">
[[Bild:S3anbrem_B1b.png]]
</popup>
<popup name="3. Zusammenfügen">
[[Bild:S3anbrem_B1c.png]]
</popup>
==== Ubung 2 ====
n - Anzahl Elemente <br>
1. Implementieren Sie eine Klasse „MergeSort". <br>
2. Implementieren Sie in der Klasse eine Methode „sort“ mit den Parameter:
<br>
- eindimensionales Array -> a
<br>
- low <br>
- high <br>
3. Deklarieren Sie Variable N und initialisieren als die Unterschied zwischen high und low . <br>
4. Implementieren Sie die Schleifen : <br>
* für N kleiner gleich 1 <br>
*
<br>
1. Implementieren Sie eine Klasse „main". <br>
2. Importieren Sie Scanner.
3. Deklarieren Sie zwei Variablen n und i. <br>
4. Fragen Sie den Nutzer nach Anzahl die Elemente. <br>
5. Initialisieren Sie diese Zahl als Variable n. <br>
6. Erstellen Sie eindimensionales Array , welche beträgt new int[n]. <br>
7. Fragen Sie den Nutzer nach den Wert diese Elemente. <br>
8. Implementieren Sie die Schleife , welche ruft diese Werte ab. <br>
9. Benutzen Sie Mathode sort für arr,0,n. <br>
10. Drucken Sie diese Elemente. <br>
== Binäres Suchen ==
== Zusammenfassung ==
<ul>
<li>'''Teile und Herrsche''' - Zerlegung größerer Aufgaben oder Probleme in kleinere Aufgaben oder Probleme, die einfacher zu bewältigen oder leichter gelöst werden können.
</ul>
== Quellen ==
Wagenknecht, 2003, Algorithmen und Komplexität <br>
http://www.inf-schule.de/ <br>
http://www.awb1.ch/ <br>
http://www.ki.informatik.uni-frankfurt.de/ <br>
http://ddi.cs.uni-potsdam.de/ <br>
http://thm.de/ <br>