Giải thuật và lập trình - C: I. Từ bài toán đến chương trình


I. TỪ BÀI TOÁN ĐẾN CHƯƠNG TRÌNH

1. Mô hình hóa bài toán thực tế

Để giải một bài toán trong thực tế bằng máy tính ta phải bắt đầu từ việc xác định bài toán. Nhiều thời gian và công sức bỏ ra để xác định bài toán cần giải quyết, tức là phải trả lời rõ ràng câu hỏi "phải làm gì?" sau đó là "làm như thế nào?". Thông thường, khi khởi đầu, hầu hết các bài toán là không đơn giản, không rõ ràng. Để giảm bớt sự phức tạp của bài toán thực tế, ta phải hình thức hóa nó, nghĩa là phát biểu lại bài toán thực tế thành một bài toán hình thức (hay còn gọi là mô hình toán). Có thể có rất nhiều bài toán thực tế có cùng một  mô hình toán.

Ví dụ 1: Tô màu bản đồ thế giới.

Ta cần phải tô màu cho các nước trên bản đồ thế giới. Trong đó mỗi nước đều được tô một màu và hai nước láng giềng (cùng biên giới) thì phải được tô bằng hai màu khác nhau. Hãy tìm một phương án tô màu sao cho số màu sử dụng là ít nhất.

Ta có thể xem mỗi nước trên bản đồ thế giới là một đỉnh của đồ thị, hai nước láng giềng của nhau thì hai đỉnh ứng với nó được nối với nhau bằng một cạnh. Bài toán lúc này trở thành bài toán tô màu cho đồ thị như sau: Mỗi đỉnh đều phải được tô màu, hai đỉnh có cạnh nối thì phải tô bằng hai màu khác nhau và ta cần tìm một phương án tô màu sao cho số màu được sử dụng là ít nhất.

Ví dụ 2: Đèn giao thông

Cho một ngã năm như hình I.1, trong đó C và E là các đường một chiều theo chiều mũi tên, các đường khác là hai chiều. Hãy thiết kế một bảng đèn hiệu điều khiển giao thông tại ngã năm này một cách hợp lý, nghĩa là: phân chia các lối đi tại ngã năm này thành các nhóm, mỗi nhóm gồm các lối đi có thể cùng đi đồng thời nhưng không xảy ra tai nạn giao thông (các hướng đi không cắt nhau), và số lượng nhóm là ít nhất có thể được.

Ta có thể xem đầu vào (input) của bài toán là tất cả các lối đi tại ngã năm này, đầu ra (output) của bài toán là các nhóm lối đi có thể đi đồng thời mà không xảy ra tai nạn giao thông, mỗi nhóm sẽ tương ứng với một pha điều khiển của đèn hiệu, vì vậy ta phải tìm kiếm lời giải với số nhóm là ít nhất để giao thông không bị tắc nghẽn vì phải chờ đợi quá lâu.

Đèn giao thông

Trước hết ta nhận thấy rằng tại ngã năm này có 13 lối đi: AB, AC, AD, BA, BC, BD, DA, DB, DC, EA, EB, EC, ED. Tất nhiên, để có thể giải được bài toán ta phải tìm một cách nào đó để thể hiện mối liên quan giữa các lối đi này. Lối nào với lối nào không thể đi đồng thời, lối nào và lối nào có thể đi đồng thời. Ví dụ cặp AB và EC có thể đi đồng thời, nhưng AD và EB thì không, vì các hướng giao thông cắt nhau. Ở đây ta sẽ dùng một sơ đồ trực quan như sau: tên của 13 lối đi được viết lên mặt phẳng, hai lối đi nào nếu đi đồng thời sẽ xảy ra đụng nhau (tức là hai hướng đi cắt qua nhau) ta nối lại bằng một đoạn thẳng, hoặc cong, hoặc ngoằn ngoèo tuỳ thích. Ta sẽ có một sơ đồ như hình I.2. Như vậy, trên sơ đồ này, hai lối đi có cạnh nối lại với nhau là hai lối đi không thể cho đi đồng thời.

Với cách biểu diễn như vậy ta đã có một đồ thị (Graph), tức là ta đã mô hình hoá bài toán giao thông ở trên theo mô hình toán là đồ thị; trong đó mỗi lối đi trở thành một đỉnh của đồ thị, hai lối đi không thể cùng đi đồng thời được nối nhau bằng một đoạn ta gọi là cạnh của đồ thị. Bây giờ ta phải xác định các nhóm, với số nhóm ít nhất, mỗi nhóm gồm các lối đi có thể đi đồng thời, nó ứng với một pha của đèn hiệu điều khiển giao thông. Giả sử rằng, ta dùng màu để tô lên các đỉnh của đồ thị này sao cho:

  • Các lối đi cho phép cùng đi đồng thời sẽ có cùng một màu: Dễ dàng nhận thấy rằng hai đỉnh có cạnh nối nhau sẽ không được tô cùng màu.
  • Số nhóm là ít nhất: ta phải tính toán sao cho số màu được dùng là ít nhất.

Tóm lại, ta phải giải quyết bài toán sau:

Thuật toán

"Tô màu cho đồ thị ở hình I.2 sao cho:

  • Hai đỉnh có cạnh nối với nhau (hai còn gọi là hai đỉnh kề nhau) không cùng màu.
  • Số màu được dùng là ít nhất."

Hai bài toán thực tế “tô màu bản đồ thế giới” và “đèn giao thông” xem ra rất khác biệt nhau nhưng sau khi mô hình hóa, chúng thực chất chỉ là một, đó là bài toán “tô màu đồ thị”.

Đối với một bài toán đã được hình thức hoá, chúng ta có thể tìm kiếm cách giải trong thuật ngữ của mô hình đó và xác định có hay không một chương trình có sẵn để giải. Nếu không có một chương trình như vậy thì ít nhất chúng ta cũng có thể tìm được những gì đã biết về mô hình và dùng các tính chất của mô hình để xây dựng một giải thuật tốt.

2. Giải thuật (algorithms)

Khi đã có mô hình thích hợp cho một bài toán ta cần cố gắng tìm cách giải quyết bài toán trong mô hình đó. Khởi đầu là tìm một giải thuật, đó là một chuỗi hữu hạn các chỉ thị (instruction) mà mỗi chỉ thị có một ý nghĩa rõ ràng và thực hiện được trong một lượng thời gian hữu hạn.

Knuth (1973) định nghĩa giải thuật là một chuỗi hữu hạn các thao tác để giải một bài toán nào đó. Các tính chất quan trọng của giải thuật là:

  • Hữu hạn (finiteness): giải thuật phải luôn luôn kết thúc sau một số hữu hạn bước.
  • Xác định (definiteness): mỗi bước của giải thuật phải được xác định rõ ràng và phải được thực hiện chính xác, nhất quán.
  • Hiệu quả (effectiveness): các thao tác trong giải thuật phải được thực hiện trong một lượng thời gian hữu hạn.

Ngoài ra một giải thuật còn phải có đầu vào (input) và đầu ra (output).

Nói tóm lại, một giải thuật phải giải quyết xong công việc khi ta cho dữ liệu vào. Có nhiều cách để thể hiện giải thuật: dùng lời, dùng lưu đồ, ... Và một lối dùng rất phổ biến là dùng ngôn ngữ giả, đó là sự kết hợp của ngôn ngữ tự nhiên và các cấu trúc của ngôn ngữ lập trình.

Ví dụ: Thiết kế giải thuật để giải bài toán “ tô màu đồ thị” trên

Bài toán tô màu cho đồ thị không có giải thuật tốt để tìm lời giải tối ưu, tức là, không có giải thuật nào khác hơn là "thử tất cả các khả năng" hay "vét cạn" tất cả các trường hợp có thể có, để xác định cách tô màu cho các đỉnh của đồ thị sao cho số màu dùng là ít nhất. Thực tế, ta chỉ có thể "vét cạn" trong trường hợp đồ thị có số đỉnh nhỏ, trong trường hợp ngược lại ta không thể "vét cạn" tất cả các khả năng trong một lượng thời gian hợp lý, do vậy ta phải suy nghĩ cách khác để giải quyết vấn đề:

    Thêm thông tin vào bài toán để đồ thị có một số tính chất đặc biệt và dùng các tính chất đặc biệt này ta có thể dễ dàng tìm lời giải, hoặc

    Thay đổi yêu cầu bài toán một ít cho dễ giải quyết, nhưng lời giải tìm được chưa chắc là lời giải tối ưu. Một cách làm như thế đối với bài toán trên là "Cố gắng tô màu cho đồ thị bằng ít màu nhất một cách nhanh chóng". Ít màu nhất ở đây có nghĩa là số màu mà ta tìm được không phải luôn luôn là số màu của lời giải tối ưu (ít nhất) nhưng trong đa số trường hợp thì nó sẽ trùng với đáp số của lời giải tối ưu và nếu có chênh lệch thì nó "không chênh lệch nhiều" so với lời giải tối ưu, bù lại ta không phải "vét cạn" mọi khả năng có thể! Nói khác đi, ta không dùng giải thuật "vét cạn" mọi khả năng để tìm lời giải tối ưu mà tìm một giải pháp để đưa ra lời giải hợp lý một cách khả thi về thời gian. Một giải pháp như thế gọi là một HEURISTIC.

    HEURISTIC cho bài toán tô màu đồ thị, thường gọi là giải thuật "háu ăn" (GREEDY) là:

  • Chọn một đỉnh chưa tô màu và tô nó bằng một màu mới C nào đó.
  • Duyệt danh sách các đỉnh chưa tô màu. Đối với một đỉnh chưa tô màu, xác định xem nó có kề với một đỉnh nào được tô bằng màu C đó không. Nếu không có, tô nó bằng màu C đó.

    Ý tưởng của Heuristic này là hết sức đơn giản: dùng một màu để tô cho nhiều đỉnh nhất có thể được (các đỉnh được xét theo một thứ tự nào đó), khi không thể tô được nữa với màu đang dùng thì dùng một màu khác. Như vậy ta có thể "hi vọng" là số màu cần dùng sẽ ít nhất.

Ví dụ: Đồ thị hình I.3 và cách tô màu cho nó:

Tô màu 3

Tô theo GREEDY

(xét lần lượt theo số thứ tự các

đỉnh)

Tối ưu

(thử tất cả các khả năng)

1: đỏ; 2: đỏ

1,3,4 : đỏ

3: xanh;4: xanh

2,5 : xanh

5: vàng

 

Rõ ràng cách tô màu trong giải thuật "háu ăn" không luôn luôn cho lời giải tối ưu nhưng nó được thực hiện một cách nhanh chóng.

Trở lại bài toán giao thông ở trên và áp dụng HEURISTIC Greedy cho đồ thị trong hình (theo thứ tự các đỉnh đã liệt kê ở trên), ta có kết quả:

    Tô màu xanh cho các đỉnh: AB,AC,AD,BA,DC,ED

    Tô màu đỏ cho các đỉnh: BC,BD,EA

    Tô màu tím cho các đỉnh: DA,DB

    Tô màu vàng cho các đỉnh: EB,EC

Như vậy ta đã tìm ra một lời giải là dùng 4 màu để tô cho đồ thị hình I.2. Như đã nói, lời giải này không chắc là lời giải tối ưu. Vậy liệu có thể dùng 3 màu hoặc ít hơn 3 màu không? Ta có thể trở lại mô hình của bài toán và dùng tính chất của đồ thị để kiểm tra kết quả. Nhận xét rằng:

Một đồ thị có k đỉnh và mỗi cặp đỉnh bất kỳ đều được nối nhau thì phải dùng k màu để tô. Hình I.4 chỉ ra hai ví dụ với k=3 và k=4.

Tô màu đồ thị 3

Hình I.4

Một đồ thị trong đó có k đỉnh mà mỗi cặp đỉnh bất kỳ trong k đỉnh này đều được nối nhau thì không thể dùng ít hơn k màu để tô cho đồ thị.

Đồ thị trong hình I.2 có 4 đỉnh: AC,DA,BD,EB mà mỗi cặp đỉnh bất kỳ đều được nối nhau vậy đồ thị hình I.2 không thể tô với ít hơn 4 màu. Điều này khẳng định rằng lời giải vừa tìm được ở trên trùng với lời giải tối ưu.

Như vậy ta đã giải được bài toán giao thông đã cho. Lời giải cho bài toán là 4 nhóm, mỗi nhóm gồm các lối có thể đi đồng thời, nó ứng với một pha điều khiển của đèn hiệu. Ở đây cần nhấn mạnh rằng, sở dĩ ta có lời giải một cách rõ ràng chặt chẽ như vậy là vì chúng ta đã giải bài toán thực tế này bằng cách mô hình hoá nó theo một mô hình thích hợp (mô hình đồ thị) và nhờ các kiến thức trên mô hình này (bài toán tô màu và heuristic để giải) ta đã giải quyết được bài toán. Điều này khẳng định vai trò của việc mô hình hoá bài toán.

3. Ngôn ngữ giả và tinh chế từng bước (Pseudo-language and stepwise refinement)

Một khi đã có mô hình thích hợp cho bài toán, ta cần hình thức hoá một giải thuật trong thuật ngữ của mô hình đó. Khởi đầu là viết những mệnh đề tổng quát rồi tinh chế dần thành những chuỗi mệnh đề cụ thể hơn, cuối cùng là các chỉ thị thích hợp trong một ngôn ngữ lập trình. Chẳng hạn với heuristic GREEDY, giả sử đồ thị là G, heuristic sẽ xác định một tập hợp Newclr các đỉnh của G được tô cùng một màu, mà ta gọi là màu mới C ở trên. Để tiến hành tô màu hoàn tất cho đồ thị G thì Heuristic này phải được gọi lặp lại cho đến khi toàn thể các đỉnh đều được tô màu.

void GREEDY ( GRAPH *G, SET *Newclr )

{

/*1*/  Newclr = ∅;

/*2*/  for (mỗi đỉnh v chưa tô màu của G)

/*3*/  if (v không được nối với một đỉnh nào trong Newclr)

         {

/*4*/            đánh dấu v đã được tô màu;

/*5*/            thêm v vào Newclr;

        }

}

Trong thủ tục bằng ngôn ngữ giả này chúng ta đã dùng một số từ khoá của ngôn ngữ C xen lẫn các mệnh đề tiếng Việt. Điều đặc biệt nữa là ta dùng các kiểu GRAPH, SET có vẻ xa lạ, chúng là các "kiểu dữ liệu trừu tượng" mà sau này chúng ta sẽ viết bằng các khai báo thích hợp trong ngôn ngữ lập trình cụ thể. Dĩ nhiên, để cài đặt thủ tục này ta phải cụ thể hoá dần những mệnh đề bằng tiếng Việt ở trên cho đến khi mỗi mệnh đề tương ứng với một đoạn mã thích hợp của ngôn ngữ lập trình. Chẳng hạn mệnh đề if ở /*3*/ có thể chi tiết hoá hơn nữa như sau:

void GREEDY ( GRAPH *G, SET *Newclr )

{

/*1*/  Newclr= ;

/*2*/  for (mỗi đỉnh v chưa tô màu của G)

    {

/*3.1*/     int found=0;

/*3.2*/     for (mỗi đỉnh w trong Newclr)

/*3.3*/          if (có cạnh nối giữa v và w)

/*3.4*/              found=1;

/*3.5*/     if found==0

        {

/*4*/            đánh dấu v đã được tô màu;

/*5*/            thêm v vào Newclr;

        }

    }

}

Tô màu 5

Hình I.5: Biểu diễn tập hợp các đỉnh như là một danh sách (LIST)

GRAPH và SET ta coi như tập hợp. Có nhiều cách để biểu diễn tập hợp trong ngôn ngữ lập trình, để đơn giản ta xem các tập hợp như là một danh sách (LIST) các số nguyên biểu diễn chỉ số của các đỉnh và kết thúc bằng một giá trị đặc biệt NULL (hình I.5). Với những qui ước như vậy ta có thể tinh chế giải thuật GREEDY một bước nữa như sau:

void GREEDY ( GRAPH *G, LIST  *Newclr )

{

    int found; int v,w ;

    Newclr= ;

    v= đỉnh đầu tiên chưa được tô màu trong G;

    while (v<>null) {

        found=0;

        w=đỉnh đầu tiên trong newclr;

        while( w<>null) && (found=0) {

            if có cạnh nối giữa v và w

                found=1;

            else w= đỉnh kế tiếp trong newclr;

        }

        if found==0 {

            Đánh dấu v đã được tô màu;

            Thêm v vào Newclr;

        }

        v= đỉnh chưa tô màu kế tiếp trong G;

    }

}

4. Tóm tắt

Từ những thảo luận trên chúng ta có thể tóm tắt các bước tiếp cận với một bài toán bao gồm:

    1) Mô hình hoá bài toán bằng một mô hình toán học thích hợp.

    2) Tìm giải thuật trên mô hình này. Giải thuật có thể mô tả một cách không hình thức, tức là nó chỉ nêu phương hướng giải hoặc các bước giải một cách tổng quát.

    3) Phải hình thức hoá giải thuật bằng cách viết một thủ tục bằng ngôn ngữ giả, rồi chi tiết hoá dần ("mịn hoá") các bước giải tổng quát ở trên, kết hợp với việc dùng các kiểu dữ liệu trừu tượng và các cấu trúc điều khiển trong ngôn ngữ lập trình để mô tả giải thuật. Ở bước này, nói chung, ta có một giải thuật tương đối rõ ràng, nó gần giống như một chương trình được viết trong ngôn ngữ lập trình, nhưng nó không phải là một chương trình chạy được vì trong khi viết giải thuật ta không chú trọng nặng đến cú pháp của ngôn ngữ và các kiểu dữ liệu còn ở mức trừu tượng chứ không phải là các khai báo cài đặt kiểu trong ngôn ngữ lập trình.

    4) Cài đặt giải thuật trong một ngôn ngữ lập trình cụ thể (Pascal,C,...). Ở bước này ta dùng các cấu trúc dữ liệu được cung cấp trong ngôn ngữ, ví dụ Array, Record,... để thể hiện các kiểu dữ liệu trừu tượng, các bước của giải thuật được thể hiện bằng các lệnh và các cấu trúc điều khiển trong ngôn ngữ lập trình được dùng để cài đặt giải thuật.

Tóm tắt các bước như sau:

Mô hình toán học

Kiểu dữ liệu trừu tượng

Cấu trúc dữ liệu

Giải thuật không hình thức

Chương trình ngôn ngữ giả

Chương trình C, Java, ...

Next »
Copied !!!