78.Трудоемкость алгоритмов. Классификация алгоритмов по виду функции трудоёмкости

Тео́рия алгори́тмов — наука, изучающая общие свойства и закономерности алгоритмов и разнообразные формальные модели их представления. К задачам теории алгоритмов относятся формальное доказательство алгоритмической неразрешимости задач, асимптотический анализ сложности алгоритмов, классификация алгоритмов в соответствии с классами сложности, разработка критериев сравнительной оценки качества алгоритмов.

Целью анализа трудоёмкости алгоритмов является нахождение оптимального алгоритма для решения данной задачи. В качестве критерия оптимальности алгоритма выбирается трудоемкость алгоритма, понимаемая как количество элементарных операций, которые необходимо выполнить для решения задачи с помощью данного алгоритма. Функцией трудоемкости называется отношение, связывающие входные данные алгоритма с количеством элементарных операций.

Трудоёмкость алгоритмов по-разному зависит от входных данных. Для некоторых алгоритмов трудоемкость зависит только от объема данных, для других алгоритмов — от значений, данных, в некоторых случаях порядок поступления данных может влиять на трудоемкость. Трудоёмкость многих алгоритмов может в той или иной мере зависеть от всех перечисленных выше факторов.

85. Автономные автоматы.

86. Класс множеств, представимых конечными автоматами.

Конечным автоматом называется система M ={А, S, B, , }, в которой А = {а1, ..., am}, S ={s1, ..., sn}, B ={b1, ..., bk} — конечные множества (алфавиты), а : А  S  S и : А  S  B — функции, определенные на этих множествах. А называется входным алфавитом, B — выходным алфавитом, S — алфавитом состояний,  — функцией переходов,  — функцией выходов. Если, кроме того, в автомате M выделено одно состояние, называемое начальным (обычно будет считаться, что это s1), то полученный автомат называется инициальным и обозначается (M, s1). Способы задания автоматов: таблица переходов автомата, или просто автоматная таблица, ориентированный мультиграф, называемый графом переходов или диаграммой переходов. Для любого графа переходов в каждой вершине si выполнены следующие условия, которые называются условиями корректности: 1) для любой входной буквы aj имеется дуга, выходящая из si, на которой написано aj (условие полноты); 2) любая буква aj, встречается только на одном ребре, выходящем из si (условие непротиворечивости или детерминированности).

87. Регулярные события. Алгебра регулярных событий. Регулярные выражения.

89. Автоматы и теория алгоритмов.

91. Автоматы и языки.

90. Проблемы, алгоритмически разрешимые для автоматов и неразрешимые для произвольных алгоритмов.

1. Язык логики высказываний. Простые высказывания, сложные высказывания, логические связки. Роль связок в естественном языке.

2. Синтаксис языка логики высказываний: алфавит и правила построения формул. Семантика языка логики высказываний, интерпретация формул.

3. Свойства формул: общезначимость, выполнимость, противоречивость, опровержимость.

4. Основные схемы логически правильных рассуждений.

5. Основные тавтологии, выражающие свойства логических операций (закон исключенного третьего, закон отрицания противоречия; закон двойного отрицания; закон тождества; закон контрапозиции; закон силлогизма (правило цепного заключения); закон противоположности; правило добавления антецедента («истина из чего угодно»); правило «из ложного что угодно»; правило «модус поненс» (modus ponens); правило «модус толленс» (modus tollens); правило перестановки посылок; правило объединения (и разъединения) посылок; правило разбора случаев; правило приведения к абсурду; свойства дизъюнкции и конъюнкции; свойства импликации и эквивалентности; выражение одних логических операций через другие).

6. Основные правила получения тавтологий.

7. Логическая равносильность формул. Алгоритм проверки логической равносильности формул. Свойства отношения равносильности на множестве формул. Равносильные преобразования.

8. Логическое следование формул. Логические следствия и посылки. Алгоритм проверки формул на логическое следование. Признаки логического следствия. Два свойства логического следования.

9. Следование и равносильность формул.

10. Нахождение следствия для данных посылок.

11. Нахождение посылок для данного следствия.

12. Алгебра логики. Функции алгебры логики. k-значные логики.

13. Способы задания функций алгебры логики. Единичные и нулевые наборы функций алгебры логики. Фиктивные (несущественные) переменные.

14. Бинарные функции алгебры логики.

15. Суперпозиции и формулы. Глубина формулы. Способы записи формул.

16. Эквивалентные формулы. Способы установления эквивалентности формул.

17. Полнота и замкнутость системы функций. Функционально полные базисы. Классы Поста. Теорема Поста о полноте системы булевых функций.

18. Булева алгебра логических операций. Основные эквивалентные соотношения (законы) в булевой алгебре.

19. Разложение функций по переменным. Совершенная дизъюнктивная нормальная форма.

20. ДНФ, СДНФ, КНФ, СКНФ. Процедуры приведения к ДНФ и КНФ.

21. Двойственность.

22. Алгебра Вебба, алгебра Шеффера, импликативная алгебра, коимпликативная алгебра, алгебра Жегалкина.

23. Полиномы Жегалкина. Процедуры приведения к ПНФ.

24. Конечно-значные логики: алгебра Вебба, алгебра Поста, алгебра Россера–Тьюкетта.

25. Исчисление высказываний как формальная система, множественность аксиоматизаций. Проблема выводимости. Прямой вывод.

26. Теорема дедукции. Связь выводимости и истинности формул в логике высказываний. Выполнимые и общезначимые формулы.

27. Понятие логического следования, принцип дедукции. Правило резолюций, метод резолюций. Стратегии метода резолюций.

28. Методы анализа выполнимости и общезначимости формул: семантическое дерево, тривиальный алгоритм, алгоритм Квайна, алгоритм редукции, алгебраический подход, метод Девиса-Патнема, метод резолюций, фразы Хорна.

29. Алгоритм построения резолюций для множества фраз Хорна.

30. Свойства формализованного счисления высказываний.

31. Предикат. Предикаты и отношения. Предикаты и функции. Предикаты и высказывания.

32. Синтаксис языка логики предикатов: алфавит, термы, атомы, правила построения формул.

33. Кванторные операции. Свободные и связанные вхождения переменных. Логический квадрат.

34. Численные кванторы. Ограниченные кванторы.

35. Множество истинности предикатов. Равносильность и следование предикатов.

36. Семантика языка логики предикатов, интерпретация формул. Три ситуации при логической интерпретации формул логики предикатов. Проблемы получения истинных формул и проверки формулы на истинность. Эквивалентные соотношения логики предикатов.

37. Приведенная нормальная форма. Процедура получения приведенной нормальной формы.

38. Предваренная нормальная форма. Процедура получения предваренной нормальной формы.

39. Проблема разрешимости для общезначимости и выполнимости формул логики предикатов. Теорема Черча. Частные случаи.

40. Методы доказательства в логике предикатов.

41. Исчисление предикатов как формальная система. Формальный вывод в исчислении предикатов. Правило переименования свободных переменных. Правило переименования связанных переменных.

42. Выводимость и истинность в логике предикатов. Эквивалентные преобразования.

43. Предваренная, сколемовская и клаузальная формы. Алгоритм получения клаузальной формы.

44. Метод резолюций в логике предикатов. Унификация. Условия унификации. Множество рассогласований. Алгоритм унификации для нахождения наиболее общего унификатора. Алгоритм метода резолюций применительно к логике предикатов.

45. Принцип логического программирования.

46. Применение логики предикатов в логико-математической практике.

47. Классификация высказываний по Аристотелю.

48. Методы рассуждений. Аристотелева силлогистика. Теоретико-множественная интерпретация аристотелевой силлогистики

49. Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме

50. Метод (полной) математической индукции

51. Необходимые и достаточные условия

52. Понятия формальной системы и формального вывода. Аксиоматическая (формальная) теория и принципы ее построения.

53. Вывод и выводимость в формальной теории. Разрешимые и неразрешимые формулы. Доказательство и доказуемость. Теорема формальной теории.

54. Основные свойства формальных систем: непротиворечивость, полнота, разрешимость. Полнота и непротиворечивость исчисления высказываний. Полнота и непротиворечивость исчисления предикатов.

55. Прикладные исчисления предикатов. Формальная арифметика. Теорема Генцена о непротиворечивости формальной арифметики.

56. Теоремы о неполноте формальных систем, смысл и значение теорем Геделя для практической информатики.

57. Неклассические логики.

58. Интуиционистская логика.

59. Нечеткая логика.

60. Модальные логики. Типы модальностей.

61. Временные логики. Приложение временных логик к программированию.

62. Алгоритмические логики. Принципы построения алгоритмической логики. Алгоритмическая логика Хоара.

63. Многозначные логики. Трёхзначная логика Я. Лукасевича. m-значная логика Э. Поста.

64. Предпосылки возникновения теории алгоритмов. Основные требования к алгоритмам. Подходы к уточнению понятия «алгоритм». Три основных типа универсальных алгоритмических моделей.

65. Машина Тьюринга. Конфигурация машины Тьюринга. Функция, правильно вычислимая по Тьюрингу. Эквивалентные машины Тьюринга. Композиция машин Тьюринга.

66. Вычисление предикатов на машине Тьюринга.

67. Универсальная машина Тьюринга. План построения универсальной машины Тьюринга.

68. Тезис Тьюринга.

69. Проблема остановки как пример алгоритмически неразрешимых проблем.

70. Машина Поста.

71. Рекурсивные функции. Примитивно-рекурсивные функции. Примитивно-рекурсивные операторы. Частично-рекурсивные функции. Тезис Черча.

72. Нормальные алгорифмы Маркова. Нормально вычислимые функции и принцип нормализации Маркова.

73. Вычислимость и разрешимость. Нумерация алгоритмов. Алгоритмически разрешимые и неразрешимые задачи. Проблема остановки, проблема самоприменимости, проблема пустой ленты.

74. Требование результативности и теория алгоритмов.

75. Разрешимые и перечислимые множества. Связь между разрешимостью и перечислимостью множеств. Теорема Райса.

76. Сложность алгоритмов. Меры сложности алгоритмов. Сложность задачи. Массовые и индивидуальные задачи.

77. Асимптотическая сложность, порядок сложности. Сложность в среднем и в худшем случае.

78. Трудоемкость алгоритмов. Классификация алгоритмов по виду функции трудоёмкости

79. Методики перехода к временным оценкам трудоёмкости алгоритмов. Пооперационный анализ. Метод Гиббсона. Метод прямого определения среднего времени.

80. Сложность и кодирование. Сложность и архитектура машины.

81. Полиномиальный алгоритм. Легко- и трудноразрешимые задачи, классы задач P и NP.

82. Полиномиальная сводимость и NP-полнота. NP-полные задачи. Примеры NP-полных задач. Теорема Кука. Примеры практически значимых NP-полных задач.