Algoritmy a grafy 1

Vztahy:

Předmět BI-AG1.21 nesmí být zapsán, je-li v témže semestru zapsán anebo již dříve absolvován předmět BIE-AX1.24 (vztah je symetrický)

Předmět je ekvivalentní s BI-AG1,BIE-AG1,BIE-AG1.21,BIK-AG1,BIK-AG1.21 .

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra teoretické informatiky

Anotace:

Předmět pokrývá to nejzákladnější z efektivních algoritmů, datových struktur a teorie grafů, které by měl znát každý informatik.

Navazuje a částečně dále rozvíjí znalosti z předmětu BI-DML.21, ve kterém studenti získají znalosti a dovednosti z kombinatoriky nezbytné pro vyhodnocování časové a paměťové složitosti algoritmů. Dále předmět navazuje na BI-MA1.21, ve kterém ze zavádějí asymptotické odhady funkcí a zejména pak asymptotické značení.

Požadavky:

Předpokládá se schopnost aktivního algoritmického řešení základních typů úloh, znalost programovacího jazyka C++ (zhruba na úrovni vyučované v předmětech BI-PA1.21 a BI-PA2.21) a znalost základních pojmů z matematické analýzy a kombinatoriky (absolvování BI-DML.21 a BI-MA1.21 je doporučeno). Doporučujeme, aby student souběžně studoval BI-AAG.21 a BI-MA2.21.

Osnova přednášek:

1. Motivace a úvod do teorie grafů.

2. Základní definice a pojmy teorie grafů I.

3. Základní definice a pojmy teorie grafů II. Řadící algoritmy O(n^2).

4. Binární haldy. Nafukovací pole, amortizovaná složitost.

5. Binomiální haldy.

6. Operace a vlastnosti binárních vyhledávacích stromů, způsoby jejich vyvažování, podrobnější diskuze AVL stromů.

7. Randomizované algoritmy, základy pravděpodobnosti, hešování a strategie řešení kolizí.

8. Rekurzivní algoritmy a metoda Rozděl a panuj.

9. QuickSort. Dolní mez složitosti řazení v porovnávacím modelu. Speciální algoritmy řazení.

10. Dynamické programování.

11. Minimální kostra ohodnoceného grafu. Jarníkův a Kruskalův algoritmus a jejich implementace.

12. Algoritmy hledání nejkratších cest v ohodnoceném grafu.

Osnova cvičení:

1. Motivace a úvod do teorie grafů.

2. Základní definice a pojmy teorie grafů I.

3. Základní definice a pojmy teorie grafů II. Řadící algoritmy O(n^2).

4. Binární haldy. Nafukovací pole, amortizovaná složitost.

5. Binomiální haldy.

6. Vyhledávací stromy a jejich vyvažování.

7. Pravděpodobnostní algoritmy a jejich složitost. QuickSort.

8. Rozptylování (hešování) a vyhledávací tabulky.

9. Rekurzivní algoritmy a metoda Rozděl a panuj.

10. Semestrální písemka.

11. Dynamické programování.

12. Minimální kostry a nejkratší cesty v grafech.

Cíle studia:

Studenti se naučí techniky důkazů korektnosti jednotlivých základních algoritmů a techniky asymptotické matematiky pro určování jejich složitostí v nejlepším, nejhorším, či průměrném případě. Student rozumí prezentovaným algoritmům a datovým strukturám a je schopný je upravit a aplikovat pro příbuzné problémy.

Studijní materiály:

Česká literatura:

1. J. Matoušek, J. Nešetřil: Kapitoly z diskrétní matematiky, Karolinum, Praha, 2010.

2. M. Mareš, T. Valla: Průvodce labyrintem algoritmů (2. vydání), CZ.NIC, Praha, 2022. https://knihy.nic.cz/

3. J. Demel: Grafy a jejich aplikace, vlastním nákladem, 2015. (dostupné v PDF z https://kix.fsv.cvut.cz/~demel/grafy/)

4. P. Hliněný: Základy teorie grafů pro (nejen) informatiky, skripta FI MUNI ke stažení z webu (https://is.muni.cz/do/rect/el/estud/fi/js10/grafy/Grafy-text10.pdf).

5. P. Kovář: Diskrétní matematika a úvod do teorie grafů - Řešené příklady k procvičeni, dostupné ke stažení (zadání https://homel.vsb.cz/~kov16/files/dim_priklady.pdf a řešení https://homel.vsb.cz/~kov16/files/dim_priklady_resene.pdf)

Anglicky psaná literatura

1. T. H. Cormen, C.E. Leiserson, R. L. Rivest, C. Stein: Introduction to Algorithms. Fourth edition, MIT Press, 2022.

2. K. Mehlhorn, P. Sanders: Algorithms and Data Structures: The Basic Toolbox. Springer 2008.

Poznámka:

Informace o předmětu a výukové materiály naleznete na https://courses.fit.cvut.cz/BI-AG1/

Další informace:

https://courses.fit.cvut.cz/BI-AG1

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bc. specializace Informační bezpečnost, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Manažerská informatika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačová grafika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. program, pro fázi studia bez specializace, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Webové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Umělá inteligence, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Teoretická informatika, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové systémy a virtualizace, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové sítě a Internet, 2021 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Informační bezpečnost, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. program, pro fázi studia bez specializace, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Manažerská informatika, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačová grafika, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Softwarové inženýrství, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Webové inženýrství, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové sítě a Internet, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové inženýrství, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačové systémy a virtualizace, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Umělá inteligence, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Teoretická informatika, 2024 (povinný předmět programu)
• Bc. specializace Počítačová grafika s vynecháním BI-SVZ (povinný předmět programu)