– множество задач
распознавания, для которых существует полиномиальный детерминированный алгоритм решения. Класс NP (недетерминировано полиномиальных задач распознавания) – множество задач распознавания, для которых существует полиномиальный недетерминированный алгоритм решения.
Очевидно включение P Í NP, поскольку детерминированный алгоритм по определению является недетерминированным. Но есть много причин считать это включение строгим. Полиномиальные недетерминированные алгоритмы определенно оказываются более мощными, чем полиномиальные детерминированные, и не известны общие методы их превращения в детерминированные полиномиальные.
Если P не совпадает с NP, то различие между P и NP-P очень существенно. Все задачи из P могут быть решены (детерминированными) полиномиальными алгоритмами, а все задачи из NP-P труднорешаемы, и математическим уточнением понятия переборная задача распознавания служит задача из NP-P.
В исследованиях проблемы P ¹ NP важное положение занимает понятие полиномиальная сводимость, используя ранее введенное понятие (и обозначение) сводимости - задача A полиномиально сводима к задаче B, если A μp(n)B для некоторого полинома p(n). Задача A называется C025A>_____ NP-полной, если A Î NP и для любой другой задачи B Î NP имеет место полиномиальная сводимость B к A. Честь быть «первой» NP-полной задачей выпала на долю задачи распознавания выполнимости формул булевой логики. Кук С.А. показал как формулами булевой логики можно описать работу любой программы недетерминированного вычислителя и на этой основе доказал полиномиальную сводимость любой NP-задачи к задаче о выполнимости. Методом (полиномиального) сведения на сегодняшний день доказана NP-полнота обширнейшего семейства задач в различных областях: в булевой логике, в теории графов, в арифметике, при разработке сетей, в теории множеств и разбиений, при хранении поиске информации, при планировании вычислительных процессов, в математическом программировании, в алгебре и теории чисел, при создании игр и головоломок, в теории автоматов и языков, при оптимизации программ, в биологии, в химии, физике и т.п.
Оригинальные идеи Кука оказались удивительно плодотворными. Они позволили свести много разнообразных вопросов о сложности в единый вопрос: «Верно ли, что NP- полные задачи труднорешаемы?»
15.Абстрактные типы данных: последовательность, множество, отображение
Абстрактным принято называть тип данных, в явном виде не имеющийся в языке программирования, в этом смысле это понятие относительное - тип данных, отсутствующий в одном языке программирования, может присутствовать в другом. Абстрактный тип данных (АТД) определяется независимо от способа его реализации:
§ множеством возможных значений этого типа,
§ и набором операций со значениями этого типа.
Использование АТД может быть ограничено этапом разработки программного обеспечения, но для его явного использования в программе надо иметь его реализацию на основе уже имеющихся (и ранее реализованных) типов данных в языке программирования. Для определения АТД необходимо задать:
§ способ представления значений этого типа,
§ и реализацию операций со значениями этого типа.
АТД не является предопределенным в языке программирования, и даже более того – операции конструирования таких типов, предопределенные в языке, перекладывают на разработчика программиста вопрос о способе представления значений такого типа и реализации операций со значениями этого типа. А потому, для таких типов данных вопрос о выборе определений и способов реализации операций вида конструктор (значений и хранилищ данных) такого типа, селектор и модификатор компонентов (значений и хранилищ данных) такого типа возлагается на разработчика-программиста.
В концепции АТД особый статус имеют понятия интерфейс, открытый пользователю, и реализация, скрытая от него. Особая роль этих понятий в концепции АТД связана с основополагающим положениемо независимости понятия АТД от способа его реализации.
В современных «практических языках программирования» для конструирования АТД обычно используется предопределенная операция конструирования типов class, которая дает разработчику программисту не только средства группировки данных и операций (с этими данными) в единое целое, но и средства инкапсуляции, наследования и полиморфизма для управления способами конструирования и доступа к таким данным.
Отметим, что класс описывает одну возможную реализацию АТД, отображение класса в АТД выражается функцией абстракции, но обратное отношение, обычно, не является функциональным, реализаций одного и того же АТД может быть несколько.
В исследованиях по абстрактным типам данных уже на раннем этапе была осознана важная роль понятия «параметризация типа». Действительно, например АТД «Стек» не зависит от типа элементов стека, но реализовать этот АТД указанием на «элементы какого-то одинакового типа» невозможно. В язык программирования Ada соответствующие средства конструирования параметризованных типов данных были включены изначально, а в современных «практических языках программирования» какие средства появились только со времен появления разработки по STL-библиотеке [9]. На сегодня понятие «обобщенное программирование» занимает значимое положение в практическом программировании благодаря включению в «практические языки программирования» средств конструирования параметризованных типов данных (шаблоны, template, generic). 37
Всё вышесказанное означает, что с методологической и теоретической точки зрения необходимо более детальное точное определение понятия «абстрактный тип данных». В теории понятие «абстрактный _____・8тип данных» обычно определяется как многосортная (многоосновная) алгебраическая система, в которой дополнительно к множеству возможных значений (носителю) и набору операций над такими значениями выделены понятия:
§ Сорт и сигнатура – эти понятия позволяют расклассифицировать и элементы носителя и операции с ними по их типам (для операций - по типам их аргументов и возвращаемого значения).
§ Предикаты – отношения на элементах носителя. Это позволяет определять область возможных значений наложением ограничений (требований) на допустимые значения, а также в естественной трактовке работать с произвольными логическими выражениями, не принуждая интерпретировать их как функции принадлежности для множеств или как многозначные операции. На такой основе можно рассматривать абстрактные типы данных с единой целостной логико-алгебраической точки зрения, включая вопросы о конструкторах (типов и значений), селекторах и модификаторах свойств для объектов такого типа [10; 11; 12].
Понятия «структура данных» и «абстрактный тип данных» в чем-то очень близкие. Можно конечно считать, что эти понятия - просто два взгляда на одно и то же. Способ представления значений АТД всегда основан на некоторой структуре данных, менее или более сложной, и реализация операций с такими значениями естественно зависит от этой выбранной структуры данных. С другой стороны, заинтересовавшую нас структуру данных при большом желании мы всегда можем оформить как АТД. Но все же мы будем различать эти два понятия, учитывая:
§ Абстрактный тип данных - подразумевает определенный уровень абстрагирования с целью фиксации прикладного (предметно-ориентированного) типа данных безотносительно к способам его реализации, и возможно включения этого типа данных в прикладную библиотеку, ну хотя бы для конкретной разработки конкретной программной системы. АТД может иметь несколько альтернативных реализаций, основанных на различных структурах данных.
§ Структура данных - скорее некоторая схема организации данных и управления ими, которая предполагает соответствующие конкретизации при ее использовании в конкретных ситуациях при решении конкретных задач. К абстрактным типам данных прежде всего естественно относятся математические базовые алгебраические системы – последовательности, множества, отношения и отображения (функциональные отношения, функции) [11; 12]. Но в программировании на переднем плане не исследование общих свойств этих математических понятий, а возможности их использования в разработке моделей решения задач предметной области, алгоритмов решения этих задач и эффективной реализации разработанных алгоритмов. А потому в программировании в виде АТД обычно оформляются с одной стороны ограниченные варианты этих базовых алгебраических систем, а с другой стороны – расширенные варианты, использующие специализированные наборы операций, представляющие прагматический интерес с точки зрения области применения. 38
2.1. Последовательность (Sequence). [13 гл.4,5,11.1; 7 п.2.1-4; 3 гл.3-4; 4п.10.1-3.]
Множество возможных значений – конечные последовательности элементов
одинакового типа.
Набор операций:
§ Вставить элемент в последовательность.
§ Удалить элемент из последовательности.
§ Посмотреть – функция, возвращающая значение элемента последовательности. Разновидности этого вида АТД различаются способом доступа к элементам последовательности и ограничениями на место вставки и удаления элементов. Для АТД этого вида стек (stack), очередь (queue) и дек (deque от Double Ended Queue - двусторонняя очередь ) характерно разрушающее чтение, т.к. доступ к элементам (для всех трех операций) ограничен одним из концов последовательности и операцию «посмотреть другой элемент» можно выполнить, только удалив мешающие этому элементы. Для АТД файл (file) и линейный список (linear list) ограничения на доступ обеспечивают неразрушающее чтение, поэтому особое значение имеет (производная) операция просмотра последовательности. Ограничения на доступ к элементам последовательности естественно отражаются на семантике основных операций. Последовательный доступ основан на понятии текущая позиция и допускает перемещение (навигацию) к одному (или к обоим) из концов последовательности и к соседней позиции (слева, справа или к обеим) относительно текущей. Место применения основных операций в этом случае обычно привязывается к текущей позиции. Прямой (позиционный, произвольный) доступ основанна глобальном Понятии позиция элемента в последовательности и обеспечивает непосредственный доступ к элементу, если известна его позиция. Например, в АТД динамический вектор (dynamic array, vector), позиция – это индекс элемента. Но в других реализациях других видов последовательностей идентификатор позиции может быть реализован иначе.
Понятия «номер» и «позиция» элемента – близкие, но могут не совпадать:
§ Номер - это собственно порядковый номер элемента в последовательности. Но
порядковый номер элемента изменяется в результате выполнения операций вставки и удаления предшествующих элементов, это создает ряд неудобств в идентификации элементов последовательности.
§ Позиция - аналогична порядковому номеру в том смысле, что для элемента в заданной позиции позволяет говорить о предшествующем и следующем элементе последовательности (и их позиции). Но значение позиции элемента не изменяется в результате выполнения операций вставки и удаления предшествующих элементов, поэтому значение позиции элемента можно сохранить и использовать для доступа к этому элементу в будущем. Например, в реализации последовательности связным списком понятие «позиция» может быть представлено указателем на элемент, а в других реализациях может быть представлено идентификатором другого вида, специально поддерживаемым реализацией.
Для АТД «Последовательность» представляют интерес дополнительные операции вида:
сцепить две последовательности, расцепить на две последовательности. Например, в АТД строка (string) такого вида операции фактически являются основными. Для различных видов АТД «Последовательность» достижима различающаяся эффективность реализации различных операций. Например, если реализация предлагает эффективный прямой доступ к элементам последовательности, то скорее всего – время 39 выполнения операции вставки в середине последовательности оставляет желать лучшего.
Различные виды (и реализации) АТД «Последовательность» выдвигают программисту различные предложения и по составу операций и по эффективности их реализации. А потому в практике программирования обычно больший интерес представляют не столько универсальные варианты этого (как и других) АТД, а скорее специализированные, и программист должен проводить соответствующий выбор с учетом их использования в решении задач предметной области.
2.2. Множество (Set). [7 гл.4.1-4; 13 п.10.2; 2 гл.4.]
¨ Множество возможных значений – конечные множества элементов одинакового типа.
¨ Набор операций:
§ Вставить элемент во множество.
§ Удалить элемент из множества.
§ Принадлежать – функция, возвращающая значение true, если элемент
принадлежит множеству.
Для такого фундаментального понятия классической математики представляется естественным расширить набор операций до типового классического. Но по ряду причин прагматического характера в программировании такое АТД общего (универсального) вида представляет ограниченный интерес. Но с другой стороны, фундаментальное значение этого понятия, конечно, проявляется наличием богатого набора специализированных расширений этого базового АТД «Множество», которые широко используются в практике программирования, как благодаря мощной выразительной силе этого инструментария в разработке модели задач и алгоритмов их решения, так и благодаря наличию эффективных методов реализации этих АТД.
2.3. Словарь (Dictionary, Map), другое название – ассоциативный массив
[7 п.4.5-8; 3 гл.12; 2 п.4.10; 13 гл.8.].
¨ Множество возможных значений – конечные множества элементов одинакового типа, вида [Key, Value], где Key – уникальный ключ элемента, Value - собственно значение.
¨ Набор операций:
§ Вставить элемент (с ключом) во множество.
§ Удалить элемент (заданный ключом) из множества.
§ Найти элемент – функция, возвращающая по ключу значение элемента или «пустое» значение, если элемента с таким ключом нет во множестве. АТД «Словарь» - это специализированный вариант понятия (хранимое) отображение (ключей в значения), широко используемый в практическом программировании. Но для некоторых предметных областей возможно более удобным окажется оформление АТД «Отображение» (Mapping), более близкое классическому математическому определению
