Detail předmětu

Složitost

FIT-SLOAk. rok: 2015/2016

Turingovy stroje jako základní výpočetní model pro analýzu výpočetní složitosti, časová a prostorová složitost výpočtů na Turingových strojích. Alternativní modely výpočtů, skeletový jazyk, stroje RAM a RASP a jejich vztah k Turingovým strojům z hlediska výpočetní složitosti. Asymptotické odhady složitosti, pojem tříd složitosti založených na časově a prostorově zkonstruovatelných funkcích, typické příklady tříd složitosti. Vlastnosti tříd složitosti: význam determinismu a nedeterminismu v oblasti výpočetní složitosti, Savitchův teorém, vztah prostoru a času, uzavřenost tříd složitosti vůči doplňku, ostrost vztahů mezi třídami. Některé pokročilé vlastnosti tříd složitosti: Blumův teorém, gap theorem (a jeho vztah k definici tříd složitosti na základě časově a prostorově zkonstruovatelných funkcí). Redukovatelnost a pojem úplnosti tříd složitosti. Příklady problémů úplných pro různé třídy složitosti. Hlubší diskuse tříd P a NP s důrazem na NP-úplné problémy (problém splnitelnosti apod.). Vztah rozhodovacích a optimalizačních problémů. Metody řešení výpočetně složitých optimalizačních problémů: deterministické přístupy, aproximace, pravděpodobnostní algoritmy. Vztah výpočetní složitosti a kryptografie. Hlubší diskuse PSPACE-úplných problémů, výpočetní složitost typických problémů z oblasti formální verifikace.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav inteligentních systémů (UITS)

Výsledky učení předmětu

Znalost teoretických i praktických mezí použitelnosti výpočetních systémů. Schopnost použít vybrané přístupy k řešení výpočetně složitých problémů.

Prerekvizity

Teorie formálních jazyků a rozhodnutelnosti na magisterské úrovni.

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocení studia je založeno na bodovacím systému. Pro úspěšné absolvování předmětu je nutno dosáhnout 50 bodů.

Celkový zisk minimálně 15 bodů z domácích úloh.

Osnovy výuky

Osnova přednášek:
  1. Úvod, Turingovy stroje, složitost časová a prostorová.
  2. Alternativní modely výpočtů, skeletový jazyk, stroje typu RAM, RASP a jejich vztah k Turingovým strojům.
  3. Asymptotické odhady složitosti, třídy složitosti, determinismus a nedeterminismus z pohledu složitosti.
  4. Souvislosti prostoru a času z pohledu složitosti, uzavřenost tříd složitosti vůči doplňku, ostrost inkluzí mezi třídami složitosti.
  5. Blumův teorém. Gap theorem.
  6. Redukovatelnost, pojem úplnosti tříd složitosti, nejběžnější případy úplnosti.
  7. Třídy P a NP a jejich vlastnosti. NP-úplné problémy, problém splnitelnosti a jeho varianty.
  8. Problém obchodního cestujícího, problém batohu a další významné NP-úplné problémy.
  9. NP optimalizační problémy a jejich deterministické řešení: pseudo-polynomiální algoritmy, parametrizovaná složitost.
  10. Aproximační algoritmy, neaproximovatelnost.
  11. Pravděpodobnostní algoritmy a pravděpodobnostní třídy složitosti.
  12. Složitost a kryptografie.
  13. PSPACE-úplné problémy. Složitost a formální verifikace.

Osnova ostatní - projekty, práce:
Čtyři dílčí domácí úlohy zaměřené na různé aspekty probírané látky.

Učební cíle

Seznámit studenty s teorií výpočetní složitosti, nutnou k pochopení praktických možností algoritmického řešení problémů na fyzikálně realizovatelných výpočetních systémech. Seznámit studenty s vybranými přístupy k řešení výpočetně složitých problémů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

  • Čtyři projekty - každý za 8 bodů.
  • Závěrečná zkouška: 68 bodů.

Základní literatura

  • Gruska, J.: Foundations of Computing, International Thomson Computer Press, 1997, ISBN 1-85032-243-0
  • Bovet, D.P., Crescenzi, P.: Introduction to the Theory of Complexity, Prentice Hall International Series in Computer Science, 1994, ISBN 0-13915-380-2
  • Hopcroft, J.E. et al: Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation, Addison Wesley, 2001, ISBN 0-201-44124-1

Doporučená literatura

  • Gruska, J.: Foundations of Computing, International Thomson Computer Press, 1997, ISBN 1-85032-243-0
  • Bovet, D.P., Crescenzi, P.: Introduction to the Theory of Complexity, Prentice Hall International Series in Computer Science, 1994, ISBN 0-13915-380-2
  • Hopcroft, J.E. et al: Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation, Addison Wesley, 2001, ISBN 0-201-44124-1
  • Goldreich, O.: Computational Complexity: A Conceptual Perspective, Cambridge University Press, 2008, ISBN 0-521-88473-X
  • Kozen, D.C.: Theory of Computation, Springer, 2006, ISBN 1-846-28297-7

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBS , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    obor MBI , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    obor MIN , libovolný ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MMM , libovolný ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MGM , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    obor MPV , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    obor MSK , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    obor MIS , 1. ročník, letní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Osnova

  1. Úvod, Turingovy stroje, složitost časová a prostorová.
  2. Alternativní modely výpočtů, skeletový jazyk, stroje typu RAM, RASP a jejich vztah k Turingovým strojům.
  3. Asymptotické odhady složitosti, třídy složitosti, determinismus a nedeterminismus z pohledu složitosti.
  4. Souvislosti prostoru a času z pohledu složitosti, uzavřenost tříd složitosti vůči doplňku, ostrost inkluzí mezi třídami složitosti.
  5. Blumův teorém. Gap theorem.
  6. Redukovatelnost, pojem úplnosti tříd složitosti, nejběžnější případy úplnosti.
  7. Třídy P a NP a jejich vlastnosti. NP-úplné problémy, problém splnitelnosti a jeho varianty.
  8. Problém obchodního cestujícího, problém batohu a další významné NP-úplné problémy.
  9. NP optimalizační problémy a jejich deterministické řešení: pseudo-polynomiální algoritmy, parametrizovaná složitost.
  10. Aproximační algoritmy, neaproximovatelnost.
  11. Pravděpodobnostní algoritmy a pravděpodobnostní třídy složitosti.
  12. Složitost a kryptografie.
  13. PSPACE-úplné problémy. Složitost a formální verifikace.

Projekt

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.