Université Bordeaux 1

Licence Semestre 3  - Algorithmes et structures de données 1

Dernière mise à jour effectuée le 23 Juin 2014


Introduction


  1. Complexité
  2. Définition 1.1. L'efficacité d'un algorithme est mesuré par son coût (complexité)en temps et en mémoire.
    Une problème NP-complet est un problème pour lequel on ne connait pas d'algorithme correct efficace c'est à dire réalisable en temps et en mémoire. Le problème le plus célèbre est le problème du voyageur de commerce. L'ensemble des problèmes NP-complets ont les propriétés suivantes : La complexité d'un algorithme se mesure en calculant pour traiter une donnée de taille n.
    Dans ce qui suit, nous considèrerons que la complexité des instructions élémentaires les plus courantes sur un ordinateur ont un temps d'exécution que l'on considèrera dans ce cours comme constant égal à 1.
    Ce qui intéresse fondamentalement l'algorithmique c'est l'ordre de grandeur (au voisinage de l'infini) de la fonction qui exprime le nombre d'instructions ou la taille de la mémoire.
    Définition 1.2. On définit les trois complexités suivantes :
    • Complexité dans le pire des cas
      C>A(n)=max{CA(d),d donnée de taille n}
    • Complexité dans le meilleur des cas
      C<A(n)=min{CA(d),d donnée de taille n}
    • Complexité en moyenne

      où Pr(d) est la probabilité d'avoir en entrée une instance d parmi toutes les données de taille n.


    Soit Dn l'ensemble des instances de taille n. Si toutes les instances sont équiprobables, on a

  3. Pointeur
  4. Définition 1.3. Un pointeur est une variable qui contient une adresse mémoire directe ou relative.
    On écrit pour déclarer un pointeur
    nom_pointeur=^type_predefini;
    
    Par convention un pointeur qui ne donne accès à aucune adresse contient la valeur NIL.
    Pour accéder à l'emplacement mémoire désigné par le pointeur on écrit le pointeur suivi de ^. La primitive new permet d'allouer dynamiquement de la mémoire au cours d'une exécution. On écrira
    new(nom_pointeur);
    
    Lorsque la mémoire n'est plus utilisée par le pointeur il faut impérativement la libérer. La primitive delete permet de libérer la mémoire allouée par l'intermédiaire d'un pointeur, on écrira
    delete(nom_pointeur);
    

  5. Récursivité
  6. Définition 1.4. Lorsqu'un algorithme contient un appel à lui-même, on dit qu'il est récursif. Lorsque deux algorithmes s'appelent l'un l'autre on dit que la récursivité est croisée

    Visibilité d'une variable

    Une variable V locale est visible à l'intérieur du bloc où elle est déclarée. Une variable globale est visible de partout

    Exemple

    Soit la fonction P suivante
    fonction f():vide
      var  i:entier;
      début
      i = 5;
      afficher(i);
      fin
    finfonction
    
    fonction appel()
      début
        i = 3;
        afficher(i);
        f();
        début
          var j:entier;
          i = 4;
          afficher(i);
        fin
      fin
    finfonction
    

    Complexité

    Un algorithme récursif nécessite de conserver les contextes récursifs des appels. Par suite, la récursivité peut conduire à une complexité mémoire plus grande qu'un algorithme itératif.

    Exemple

    Soit les deux fonctions calculant la factorielle :
    fonction facRecur(val n:entier):entier;
      début
        si n==0 alors 
          retourner(1)
        sinon
          retourner(n*facRec(n-1))
        finsi
      fin
    finfonction
    
    fonction facIter(val n:entier):entier;
      début
        var i,p:entier;
        p=1:
        pour i=2 à n faire
          p=p*i;
        finpour
        retourner(p)
      fin
    finfonction
    
    La fonction factIter est meilleure en temps et mémoire (voir).
    Définition 1.5. Un algorithme récursif présente une récursivité terminale si et seulement si la valeur retourné par cet algorithme est une valeur fixe, ou une valeur calculée par cet algorithme.
    L'algorithme facRecur ne présente pas de récursivité terminale.

    Exemple

    fonction facRecurTerm(val n:entier;val res:entier):entier;
      début
        si n==0 alors 
          retourner(res)
        sinon
          retourner(facRecurTerm(n-1,n*res))
        finsi
      fin
    finfonction
    
    L'algorithme facRecurTerm présente une récursivité terminale. La factorielle se calcule par l'appel facRecurTerm(n,1)
    L'intérêt d'une récursion terminale est que les compilateurs détectent cette propriété et optimisent le stockage de l'environnement de la fonction. Ainsi facRecurTerm aura une complexité identique à facIter.
    ATTENTION. Dans le cas d'un algorithme présentant deux appels récursifs, rendre la récursivité terminale ne permet pas obligatoirement au compilateur d'obtenir une complexité inférieure.

    Exemple

    fonction fiboIter(val n:entier):entier;
      var i,f1,f2:entier;
      début
        si n==0  alors 
          retourner(0);
        sinon
          f1=0;f2=1;
          pour i=2 à n faire
            tmp=f1+f2;
            f1=f2;
            f2=tmp;
          finpour
          retourner(f2)
        finsi
      fin
    finfonction
    
    fonction fiboRecTerm(val n:entier;val res:entier):entier;
      début
        casou
          n == 0 : retourner(res)
          n == 1 : retourner(res+1)
          autrement : retourner(fiboRecTerm(n-1, fiboRecTerm (n-2, res)));
        fincasou
      fin
    finfonction
    
    l'appel s'effectue par fiboRecTerm(n,0).

    Quelle que soit la fonction, les paramètres peuvent être passés par valeur (mot clé val) ou par référence (mot clé ref).
    Voir un exemple ici.

  7. Type abstrait
  8. Définition 1.6. Un type abstrait est un triplet composé :
    • d'un nom,
    • d'un ensemble de valeurs,
    • d'un ensemble d'opérations (souvent appelé primitives) définies sur ces valeurs.
    D'un point de vue complexité, on considère que les primitives (à part celle d'initialisation si elle existe) ont une complexité de temps et de mémoire en O(1). Pour désigner un type abstrait on utilise une chaine de caractères.
    Exemple
    Les nombres complexes ne sont pas des types de bases. On peut les définir comme un type abstrait :
    • nom : nombreComplexe
    • ensemble de valeur : réel X réél
    • primitives :
      • multiplication : (nombreComplexe X nombreComplexe) → nombreComplexe
      • addition : (nombreComplexe X nombreComplexe) → nombreComplexe
      • module : nombreComplexe → réel

  9. Containeur
  10. Définition 1.7. Une containeur est un type abstrait permettant de représenter des collections d'objets ainsi que les opérations sur ces objets.
    Les collections que l'on veut représenter peuvent être ordonnés ou non ordonnés, numériques ou non. L'ordre est parfois fournit par un évènement extérieur. Les collections d'objets peuvent parfois contenir des éléments identiques.

    Accès

    valeur : containeur → objet

    Modification

    creerContaineur: containeur → vide
    ajouter : containeur X objet → vide
    supprimer : containeur X objet → vide
    detruireContaineur : containeur → vide
    Exemple
    Un ensemble de nombres complexes peut être défini par un containeur dont les objets sont des nombreComplexe.

  11. Implémentation
  12. Définition 1.8. L'implémentation consiste à choisir une structure de donnée et les algorithmes associés pour réaliser un type abstrait.
    La structure de donnée utilisée pour l'implémentation peut elle-même être un type abstrait. L'implémentation doit respecter la complexité des primitives à part celle d'initialisation (celle-ci ne s'exécutera qu'une fois).
    Exemple
    Le type abstrait nombreComplexe peut être implémenté de la manière suivante :
    type nombreComplexe=structure
                                r:réél;
    		            i:réel;
                    	finstructure
    fonction op::*(val a,b:nombreComplexe):nombreComplexe;
      var c:nombreComplexe;
      début
        c.r=a.r*b.r-a.i*b.i;
        c.i=a.r*b.i+a.i*b.r;
        retourner(c)
      fin
    fonction op::+(val a,b:nombreComplexe):nombreComplexe;
      var c:nombreComplexe;
      début
        c.r=a.r+b.r;
        c.i=a.i+b.i;
        retourner(c)
      fin
    fonction module(val a:nombreComplexe):réel;
      début
        retourner(sqrt(a.r*a.r+a.i*a.i))
      fin
    
    Exemple
    Un containeur de nombreComplexe peut être implémenté par un tableau de nombreComplexe.
    containeur d'objet=tableau[1..N]de 
                 structure
                   v:objet;
    	       b:booleen;
                 finstructure
    

    Modification

    fonction creerContaineur(ref T:containeur de nombreComplexe):vide;
      var i:entier;
      début
        pour i allant de 1 à N faire
          T[i].b=faux;
        finPour;
      fin
    fonction ajouter(ref C: containeur de nombreComplexe;
                     val x:nombreComplexe):vide
      var i:entier;
      début
        i=1;
        tant que i<n et C[i].b faire
          i=i+1;
        fintantque
        si i<=n alors
          C[i].v=x;
          C[i].b=vrai
        finsi
      fin
    fonction supprimer(ref C: containeur de nombreComplexe;
                       val x:nombreComplexe):vide
      var i:entier;
      début
        i=1;
        tant que i<=n et C[i].v!=x faire
          i=i+1;
        fintantque
        si i<=n alors
          C[i].b=faux
        finsi
      fin
    fonction detruireContaineur(ref C : containeur de nombreComplexe):vide
      début
        pour i allant de 1 à N faire
          C[i].b=faux;
        finPour;
      fin
    

    Accès

    fonction valeur(ref C : containeur de nombreComplexe):nombreComplexe;
    /* retourne le premier nombre complexe /*
      var i:entier;
      début
        i=1;
        tant que i<n et !C[i].b faire
          i=i+1;
        fintantque
        si i<=n alors
          retourner(C[i].v)
        sinon
          retourner(NULL)
        finsi
      fin