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\begin{document}
\author{Jim Martens}
\title{Zusammenfassung AD}
\maketitle

\section*{Disclaimer}

	Diese Zusammenfassung setzt ein Belegen der AD-Veranstaltung voraus. Es kann den Besuch der Vorlesungen und Übungen durch das Semester hinweg nicht ersetzen und erhebt auch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Diese Zusammenfassung bezieht sich auf den Stoff der AD-Veranstaltung im Wintersemester 2013/2014 von Frau Luxburg.

\tableofcontents

\clearpage

\section{Landau--Notation}

	Es gibt fünf verschiedene Abschätzungen für die asymptotische Laufzeit eines Algorithmus.
	
	\[
		\mathcal{O}, o, \omega, \theta, \Omega
	\]
	
	$\mathcal{O}$ gibt die obere Schranke der Laufzeit an. Ein Algorithmus, der in $\mathcal{O}(n)$ liegt, hat demnach eine asymptotische Laufzeit von höchstens $n$. $\mathcal{O}$ wird am häufigsten benutzt, weswegen die gesamte Notation häufig auch O-Notation genannt wird.
	
	$o$ verhält sich ähnlich, weist aber einen kleinen Unterschied auf. Ein Algorithmus in $o(n)$ wächst asymptotisch echt langsamer als $n$.
	
	$\theta$ gibt eine genaue Laufzeit an. Ein Algorithmus in $\theta(n)$ wächst asymptotisch genauso schnell wie $n$.
	
	$\omega$ ist das Gegenstück zu $o$ für die untere Schranke. Ein Algorithmus in $\omega(n)$ wächst echt schneller als $n$.
	
	$\Omega$ schließlich ist das Gegenstück zu $\mathcal{O}$ für die untere Schranke. Ein Algorithmus in $\Omega(n)$ wächst mindestens so schnell wie $n$.
	
	Bei der Landau--Notation fallen Konstanten und niedrigere Potenzen weg. Ein Algorithmus mit der konkreten Laufzeit von $45n^{2} + 100n$ liegt demnach in $\mathcal{O}(n^{2})$.
	
	Geht es um den Vergleich zweier Algorithmen und ist die Laufzeit nicht eindeutig feststellbar, dann hilft es den Limes zu bilden. Dabei gelten folgende Regeln.
	
	\begin{alignat*}{2}
		f \in \mathcal{O}(g):& \limsup_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} &<& \infty \\
		f \in o(g):& \lim_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} &=& 0 \\
		f \in \Omega(g) :& \liminf_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} &>& 0 \\
		f \in \omega(g) :& \liminf_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} &=& \infty \\
		f \in \theta(g) :& 0 < \liminf_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} \leq  \limsup_{n \rightarrow \infty} \abs{\frac{f(n)}{g(n)}} &<& \infty
	\end{alignat*}
	
\section{Mastertheorem}

	Das Mastertheorem gehört ebenso wie die Landau--Notation zur Komplexitätstheorie und wird benutzt, um Algorithmen in Komplexität einzuteilen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass es nur auf ganz bestimmte Algorithmen anwendbar ist. So kann es nur für divide-and-conquer Algorithmen benutzt werden, bei denen sich die Größe der Subprobleme in jedem Rekursionsschritt um einen festen Faktor verkleinert.
	
	Das Mastertheorem behandelt Rekurrenzgleichungen dieser Form:
	
	\[
		T(n) = a \cdot T\left(\ceil*{\frac{n}{b}} \right) + \mathcal{O}(n^{d})
	\]
	
	In dieser Formel steht $a$ für die Anzahl der Subprobleme pro Rekursionsschritt, $b$ für den Faktor, um den sich die Subprobleme pro Schritt verkleinern, $\mathcal{O}(n^{d})$ für die Kosten des Algorithmus, die nicht in der Rekursion liegen und $n$ für die Größe des Gesamtproblems. Dabei gelten diese formalen Bedingungen für die Variablen: 
	
	\[
		a \geq 1, b > 1
	\]
	
	Hat man solch eine Rekurrenzgleichung gefunden, so kann man daraus die Komplexität berechnen.
	
	\[
		T(n) = \begin{cases}
					\mathcal{O}(n^{d}) &, \text{wenn}\, d > \log_{b}(a) \\
					\mathcal{O}(n^{d} \cdot \log(n)) &, \text{wenn}\, d = \log_{b}(a) \\
					\mathcal{O}(n^{\log_{b}(a)}) &, \text{wenn}\, d < \log_{b}(a)
				\end{cases}
	\]
	
	Die Komplexität der rekursiven Berechnung der Fibonacci-Zahlen beispielsweise lässt sich nicht mit dem Mastertheorem berechnen, da sich die Größe der Subprobleme pro Rekursionsschritt nicht um einen festen Faktor verkleinern.
	
\section{Datenstrukturen}

	\subsection{Listen}
	
		Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Listen. Zum Einen gibt es Single-Linked-Lists, die nur in eine Richtung verbunden sind. Will man das letzte Element der Liste finden, muss man demnach vom Kopfelement die gesamte Liste durchgehen, um das letzte Element zu finden. Zum Anderen gibt es die Double-Linked-Lists, die in beide Richtungen verbunden sind. Dort kann man sich in beide Richtungen bewegen und spart damit Suchzeit, wenn man ein Element am Ende der Liste sucht.
		
		Neben diesen zwei grundsätzlichen Arten von Listen gibt es noch unterschiedliche Ausführungsvarianten. In der Praxis trifft man meistens auf Listen, die ein dediziertes Kopf- und Schlusselement haben, welches keinen eigentlichen Wert enthält. Diese "`Wächterknoten"' verhindern eine Reihe von Problemen (siehe SE 1). Desweiteren gibt es noch für Double-Linked-Lists die Variante mit einem und nicht zwei solcher Wächterknoten. Dabei zeigt das letzte Element der Liste wieder auf den Wächterknoten, wodurch ein Ring entsteht.
		
	\subsection{Bäume}
	
		Bäume sind eine besondere Art von Graphen, die keine Zyklen enthalten und ungerichtet sind. Bäume haben einen Wurzelknoten und ein oder mehrere Blätter (Knoten ohne Kindknoten). Jeder Knoten hat entweder Kindknoten oder ist ein Blatt. Bei einem Baum mit einem einzigen Knoten ist dieser sowohl Wurzel als auch Blatt.
		
		Es gibt für t-näre Bäume eine Sprachregelung, die festlegt wie ein solcher Baum heißt. Bei einem vollen (engl.: full) Baum hat jeder Knoten bis auf die Blätter t Kindknoten. Auf der untersten Ebene finden sich also $t^{h}$ Knoten, wobei $h$ die Höhe des Baumes bezeichnet. Die Wurzelebene ist mit Höhe $0$ versehen. Ein vollständiger Baum (engl.: complete) ist bis auf die unterste Ebene wie ein voller Baum. Auf der untersten Ebene befinden sich $1$ bis $t^{h}$ Blätter, die von links nach rechts angeordnet sind.
		
		Die Gesamtanzahl an Knoten entspricht bei einem vollen Baum $t^{h+1}-1$ und bei einem vollständigen Baum $t^{h} - 1 + c : 1 \leq c \leq t^{h}$. Die Höhe des Baumes wiederum lässt sich aus der gesamten Anzahl der Knoten berechnen. Bei einem vollen Baum entspricht die Höhe des Baumes, wenn $n$ die Anzahl der Knoten symbolisiert, $\log_{t}(n+1) - 1$. Für einen vollständigen Baum entspricht es $\ceil*{\log_{t}(n+1)-1}$.
		
	\subsection{Stack}
	
		Ein Stack ist nach dem LIFO--Prinzip organisiert und unterstützt zwei Operationen, die je nach Literatur anders heißen. Die erste Operation erlaubt das Einfügen eines Elementes in den Stack (\texttt{Insert(e)} bzw. \texttt{Push(e)}) und die zweite Operation erlaubt das Entnehmen des zuletzt eingefügten Elementes (\texttt{Delete()} bzw. \texttt{Pop()}).
		
		Ein Stack könnte sinnvoll mit einem Array implementiert werden.
		
	\subsection{Queue}
	
		Eine Queue arbeitet nach dem FIFO--Prinzip und unterstützt ebenso zwei Operationen. Die erste fügt ein Element in die Queue ein (\texttt{Insert(e)} bzw. \texttt{Enqueue(e)}) und die zweite Operation entfernt das vorderste Element in der Queue (\texttt{Delete()} bzw. \texttt{Dequeue()}).
		
		Queues können sinnvoll als Double--Linked--Lists implementiert werden. Alternativ könnte man ein Array nehmen, bei dem man sich immer merkt welche Position gerade vorne und welche hinten ist.
		
		Es gibt Abwandlungen der Queue, die das FIFO--Prinzip verletzen. Dies sind sogenannte Priority Queues, die das vorderste Element nach einer Sortierung bestimmen. Beispielsweise sorgt eine Min-Priority-Queue dafür, dass immer das Element mit dem geringsten Wert ganz vorne steht.
		
	\subsection{Heap}
	
		Ein Heap ist ein besonderer Baum, der nach bestimmten Kriterien sortiert ist. Bei einem Max--Heap befindet sich an der Wurzel der Knoten mit dem höchsten Wert und alle Kindknoten haben kleinere Werte. Dies gilt aber nicht nur für die Wurzel, sondern die Kindknoten jedes Knotens haben kleinere Werte als der Knoten, von dem sie Kinder sind.
		
		Für einen Heap sind fünf Operationen definiert. Die Operation \texttt{Heapify} geht vom gewählten Knoten zu den Blättern und tauscht den Knoten so lange herunter, bis die Heapeigenschaft für den gesamten Heap unter dem Knoten wieder gilt. Die Operation erfordert gültige Heaps unter dem Knoten. Das bedeutet, dass die Subbäume für sich (mit den Kindern des Knotens als Wurzelknoten) gültige Heaps sind. Die worst case Laufzeit ist $\mathcal{O}(\log n)$.
		
		Die zweite Operation \texttt{BuildMaxHeap} geht von den Blättern zum Wurzelknoten und stellt die Heapeigenschaft her. Dabei wird \texttt{Heapify} auf jeden Knoten ausgeführt. In jeder Ebene wird von rechts nach links vorgegangen, angefangen bei dem am weitesten unten rechts stehenden Knoten. Effektiv passiert auf Blattebene jedoch nichts, da diese keine Kindknoten haben, mit denen sie vertauscht werden könnten. Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(n)$.
		
		Die dritte Operation ist \texttt{ExtractMax}. Die Operation entfernt den Wurzelknoten und zieht den am weitesten rechts unten stehenden Knoten zur Wurzelposition und wendet \texttt{Heapify} auf diesen Knoten an. Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(\log n)$.
	
		Die vierte Operation heißt \texttt{DecreaseKey} und setzt den betreffenden Knoten auf den gewählten geringeren Wert und wendet \texttt{Heapify} auf diesen Knoten an. Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(\log n)$.
		
		Das Gegenstück dazu ist \texttt{IncreaseKey}, welches nach dem Verändern des Wertes die Operation \texttt{BuildMaxHeap} ausführt. Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(\log n)$.
		
\section{Hashing}

	Hashing hat das Ziel eine große Menge an Werten auf eine kleinere Menge abzubilden. Eine der einfachsten Hashfunktionen ist die modulo-Funktion für ganze Zahlen. 
	
	Die Zielmenge wird durch ein Array repräsentiert, wobei die Indizes für die Werte stehen, auf die abgebildet wird. Wenn auf eine kleinere Menge abgebildet wird, sind Kollisionen natürlich unvermeidlich. Dies wird dadurch gehandhabt, dass jedes Arrayelement eine Liste ist, in die alle Werte eingetragen werden, die auf den zugehörigen Index gehasht werden.
	
	Das Ziel ist natürlich die Anzahl an Kollisionen pro Index möglichst klein zu halten und möglichst gleichmäßig zu hashen. Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass es bessere und schlechtere Hashfunktionen gibt. Allerdings gibt es keine perfekte Hashfunktion, sondern je nach Anwendungsgebiet kommen andere Funktionen in Betracht.
	
	Eine mögliche Strategie der Kollisionsvermeidung ist das Weiterlaufen bis zum nächsten freien Index. Kommt man am Ende des Arrays an, wird wieder von vorne begonnen.
	
\section{Sortierverfahren}

	\subsection{Selection Sort}
	
		Selection Sort kann man sich gut mit Karten veranschaulichen. Man hat eine Menge an Karten offen vor sich liegen und nimmt nacheinander die Karten in die Hand, beginnend mit der niedrigsten Karte, und reiht sie dort von links nach rechts auf. Die Laufzeit beträgt im worst case $\mathcal{O}(n^{2})$.
		
	\subsection{Insertion Sort}
	
		Insertion Sort wendet man zum Beispiel bei Skat meist intuitiv an. Man hat eine Menge an verdeckten Karten, zieht nacheinander die jeweils höchste Karte und reiht sie entsprechend in die Hand ein, wobei die niedrigste Karte links und die höchstwertige Karte rechts ist. Die worst case Laufzeit beträgt hier ebenfalls $\mathcal{O}(n^{2})$.
		
	\subsection{Bubble Sort}
	
		Bubble Sort ist trotz gleicher worst case Laufzeit deutlich arbeitsaufwendiger für Menschen. Denn bereits bei 4 Werten ergeben sich 16 Durchgänge, um die Werte korrekt zu sortieren.
		
		Die beste Erklärung des Sortierverfahrens bietet der Pseudocode.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Procedure{Bubblesort}{A}
				\For{i $\gets$ 1 to A.length - 1}
					\For{j $\gets$ A.length downto i + 1}
						\If{A[j] < A[j - 1]}
							\State exchange A[j] with A[j - 1]
						\EndIf
					\EndFor
				\EndFor
			\EndProcedure
		\end{algorithmic}
		
	\subsection{Merge Sort}
	
		Merge Sort ist mit einer worst case Laufzeit von $\mathcal{O}(n \cdot \log n)$ eines der besten vergleichsbasierten Sortierverfahren. Man nehme eine Reihe von Werten und sehe sie als einzelne Elemente an. Nun verbindet man immer zwei Elemente miteinander und bringt sie gleich in die richtige Reihenfolge. Dabei geht man rigoros von links nach rechts. Man verbindet demnach das erste und zweite Element, das dritte und vierte Element usw. Ist man damit fertig, verbindet man jeweils zwei dieser Zweierpärchen und sortiert alle enthaltenen Elemente in die richtige Reihenfolge. Auch dies wiederholt man für alle Pärchen. Diesen Vorgang wiederholt man nun solange bis am Ende nur noch eine korrekt sortierte Liste herauskommt. 
		
		Merge Sort kann man auch als Divide--and--conquer Verfahren bezeichnen. Es ergibt sich die folgende Rekurrenzgleichung.
		
		\[
			T(n) = 2 \cdot T\left(\frac{n}{2}\right) + \mathcal{O}(n)
		\]
		
	\subsection{Heap Sort}
	
		Heap Sort macht sich die Heapeigenschaft zunutze und speichert alle Elemente in einem Heap. Somit lässt sich der höchste Wert (Max--Heap) einfach auslesen.
		
		Der Pseudocode liest sich folgendermaßen:
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Function{HeapSort}{A}
				\State n $\gets$ \Call{length}{A}
				\State B $\gets$ empty array of length n
				\State H $\gets$ \Call{BuildMaxHeap}{A}
				\For{i $\gets$ 1 to n}
					\State B(n - i) $\gets$ \Call{ExtractMax}{H}
				\EndFor
				\State \Return B
			\EndFunction
		\end{algorithmic}
		
		Das Verfahren hat eine Laufzeit von $\mathcal{O}(n \cdot \log n)$, die sowohl die sowohl worst case als auch best case Laufzeit ist.
		
	\subsection{Quick Sort}
	
		Quick Sort funktioniert ähnlich wie Merge Sort, nur dass es mit einer kompletten Liste anfängt und dann immer weiter aufteilt und am Ende nur noch zusammenfügen muss. Dies funktioniert durch die Wahl eines Pivotelementes. Im Idealfall teilt es die Liste in zwei gleichgroße Teillisten. Die worst case Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(n^{2})$. In den meisten Fällen benötigt Quick Sort jedoch nur $\mathcal{O}(n \cdot \log n)$.
		
		Trotz der vermeintlich schlechten Laufzeit wird Quick Sort in der Praxis viel eingesetzt, da es in der Praxis auch auf die Konstanten ankommt, die in der Landau--Notation weggelassen werden. Quick Sort hat vergleichsweise kleine Konstanten wohingegen andere Verfahren mit einer besseren worst case Laufzeit meist größere Konstanten haben.
	
	\subsection{Counting Sort}
	
		Counting Sort ist ein Sortierverfahren, welches nicht vergleichsbasiert ist. Es gibt zwei prominente Implementationsmöglichkeiten. Die erste Möglichkeit ist ein Array mit Countern. Die zweite Möglichkeit ist ein Array mit Listen. Im Folgenden bezeichne K den höchsten Wert in der zu sortierenden Liste (nicht unbedingt die Datenstruktur in der diese Liste an Werten gespeichert ist).
		
		Zunächst der Pseudocode für die erste Variante.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Function{CountingSort}{A}
				\State n $\gets$ \Call{length}{A}
				\State Allocate array B with length K, initialize each cell with 0
				\For{i $\gets$ 1 to n}
					\State B[A[i]] $\gets$ B[A[i]] + 1
				\EndFor
				\State C $\gets$ empty list
				\For{key, count in B}
					\While{count > 0}
						\State C.append(key)
						\State count $\gets$ count - 1
					\EndWhile
				\EndFor
				\State \Return C
			\EndFunction
		\end{algorithmic}
		
		Die zweite For-Schleife ist nur zum Erstellen der sortierten Liste. Die Laufzeit beträgt K für das Initialisieren des Arrays B, n für die erste For-Schleife, K für die zweite For-Schleife und maximal n für die While-Schleife. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die While-Schleife insgesamt über alle Iterationen der For-Schleife nur n--mal aufgerufen wird, denn die Summe aller Counts entspricht der Länge der zu sortierenden Liste an Zahlen. Die Gesamtlaufzeit ist demnach $\mathcal{O}(K + n + n)$ bzw. $\mathcal{O}(K + 2n)$. Die Laufzeit K der zweiten For-Schleife ist hier nicht berücksichtigt, da die While-Schleife insgesamt nur n--mal aufgerufen wird und in den übrigen Fällen in der For-Schleife nichts ausgeführt wird. Nach den Regeln der Landau--Notation entfällt hier das zweite n bzw. die Konstante, da es nichts an der asymptotischen Laufzeit verändert. Die Gesamtlaufzeit ist damit $\mathcal{O}(K + n)$.
		
		Die zweite Variante mit Listen im Array wird etwas anders implementiert, hat aber die gleiche Laufzeit.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Function{CountingSort}{A}
				\State n $\gets$ \Call{length}{A}
				\State Allocate array B with length K, initialize each cell with an empty list
				\For{i $\gets$ 1 to n}
					\State B[A[i]].append(A[i])
				\EndFor
				\State \Return concatenation of B[1], B[2], ..., B[K]
			\EndFunction
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit beträgt hier K für das Initialisieren von B und n für die For-Schleife. Insgesamt ergibt sich somit $\mathcal{O}(n + K)$.
		
	\subsection{Radix Sort}
	
		Radix Sort ist im Prinzip Counting Sort mit ein paar Veränderungen. Die obere Grenze der Zahlen kann riesig sein ($K = \omega(n)$). Um dem beizukommen stellt man sich jede Zahl als ein String vor. Zunächst werden die Zahlen nach der letzten Ziffer sortiert, dann nach der zweitletzten und so weiter. Dieses Verfahren setzt Counting Sort in der zweiten Variante voraus.
		
		Da stets nur nach Ziffern sortiert wird, kann man die Arraylänge auf 10 begrenzen, denn es gibt nur 10 Ziffern. Demzufolge braucht man auch bei einem K von einer Million nur ein Array von 10, um alle Zahlen nach der letzten Ziffer dort einzusortieren in Listen.
		
		Als Beispiel nehme man die Zahlen 10, 3, 5, 15, 20, 7 , 11 und 13. Diese werden in der Reihenfolge ihres Erscheinens sortiert und ergeben folgendes Bild im Array B.
		
		\begin{alignat*}{1}
			B[0]:& 10 \rightarrow 20 \\
			B[1]:& 11 \\
			B[2]:& \\
			B[3]:& 3 \rightarrow 13 \\
			B[4]:& \\
			B[5]:& 5 \rightarrow 15 \\
			B[6]:& \\
			B[7]:& 7 \\
			B[8]:& \\
			B[9]:&
		\end{alignat*}
		
		Im zweiten Schritt wird nun das Array und in jeder Zelle die Liste von vorne bis hinten durchgegangen und die jeweils aktuelle Zahl wird dann nach der zweitletzten Ziffer in ein Array C einsortiert. Zahlen mit weniger Ziffern (in diesem Fall die einstelligen Zahlen) werden bei der 0 einsortiert. Am Ende ergibt sich die richtige Reihenfolge und es müssen nur noch alle Zahlen konkateniert werden, um das Ergebnis zu erhalten.
		
		Allerdings kann Radix Sort auch auf andere Zahlensysteme angewendet werden. Dann ist die Menge an möglichen Ziffern nicht gleich 10. Daher wird die Anzahl an möglichen Ziffern mit k bezeichnet und die Laufzeit zum Sortieren nach einer Ziffernposition ist dementsprechend $\theta(n + k)$. Counting Sort muss n--mal ausgeführt werden und das Array mit den Listen muss k lang sein und initialisiert werden. Dies ist jedoch nur ein Durchgang. Für die insgesamte Laufzeit von Radix Sort wird eine weitere Variable namens d benötigt, die die maximal mögliche Anzahl an Ziffern in einer Zahl bezeichnet (nicht zu verwechseln mit der Menge der möglichen Ziffern). Die Laufzeit beträgt sodann auch $\theta(d(n + k))$.
		
		In unserem Beispiel oben ist k konstant und d ebenso. Demnach fallen beide Weg und es bleibt $\mathcal{O}(n)$ übrig. Wenn k konstant bleibt, aber d in logarithmische Abhängigkeit zu n gestellt wird, dann ergibt sich eine Laufzeit von $\mathcal{O}(n \cdot \log n)$. Ist d sogar gleich n, dann benötigt Radix Sort $\mathcal{O}(n^{2})$.
		
		Warum wird Radix Sort dann überhaupt benutzt? Mithilfe von einigen Modifikationen kann man eine lineare Laufzeit erreichen und zwar als worst case. Dies ist möglich mit dem Block-based Radix Sort. Allerdings muss man vorher wissen in welchen Bereich die zu sortierenden Zahlen fallen. Genaueres siehe AD-Folienskript.
		
	\subsection{Bucket Sort}
	
		Bucket Sort wird zur Sortierung von reellen Zahlen verwendet, die gleichmäßig im Intervall [0,1] vorkommen. Angenommen man bekommt ein Eingabearray der Länge n, dann kann man das Intervall in n Buckets gleicher Länge zerteilen, wobei Bucket i alle Schlüsselwerte des Intervalls $\left[\frac{i}{n}, \frac{(i + 1)}{n}\right[$ enthält.
		
		Die durchschnittliche Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(n)$ und die worst case Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(n \cdot \log n)$.
		
	\subsection{Stabilität von Sortierverfahren}
		
		Die Angabe "`wie in AD"' bedeutet, dass die in AD verwendete Variante gemeint ist und es andere Varianten gibt, bei denen das Gegenteilige gilt.
		
		\begin{tabular}{c|c}
			Verfahren & stabil \\
			\hline
			Merge Sort & ja \\
			Quick Sort & ja, wie in AD \\
			Insertion Sort & nein, wie in AD \\
			Selection Sort & nein, wie in AD \\
			Heap Sort & nein \\
			Bubble Sort & ja \\
			Counting Sort & ja, in der zweiten Variante
		\end{tabular}
		
	\subsection{Lower bound}
	
		Für alle vergleichsbasierten Sortierverfahren gilt, dass sie eine worst case Laufzeit von $\Omega(n \cdot \log n)$ haben.
		
\section{Binäre Suchbäume}

	Binäre Suchbäume haben eine besondere Struktur, die das Suchen erleichtert. Alle linken Kindknoten sind kleiner oder gleich des Elternknoten und alle rechten Kindknoten sind größer oder gleich des Elternknoten. Diese Bedingung gilt für alle Knoten mit Kindern.
	
	Aufgrund dessen ist das Einfügen in solch einen Baum relativ deterministisch. Das Löschen gestaltet sich da schon etwas komplizierter.
	
	Zunächst werden jedoch die Operationen der Reihe nach durchgegangen. Die erste Operation ist \texttt{Tree-Search} mit folgendem Pseudocode.
	
	\begin{algorithmic}[1]
		\Function{Tree-Search}{x, k}
			\If{x == NIL or k == x.key}
				\State \Return x
			\EndIf
			\If {k < x.key}
				\State \Return \Call{Tree-Search}{x.left, k}
			\Else
				\State \Return \Call{Tree-Search}{x.right, k}			
			\EndIf
		\EndFunction
	\end{algorithmic}
	
	Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(h)$, wobei h die Höhe des Baumes angibt.
	
	Das Minimum des Baumes kann gefunden werden, indem immer das linke Kind genommen wird bis ein Blatt erreicht wird. Dieses Blatt ist das minimale Element des Baumes. Die Laufzeit beträgt ebenso $\mathcal{O}(h)$. Das Maximum findet man analog, nur dass man dort immer das rechte Kind benutzt.
	
	Die zweite Operation ist \texttt{Inorder-Tree-Walk} mit diesem Pseudocode.
	
	\begin{algorithmic}[1]
		\Procedure{Inorder-Tree-Walk}{x}
			\If{x $\neq$ NIL}
				\State \Call{Inorder-Tree-Walk}{x.left}
				\State \Call{print}{x.key}
				\State \Call{Inorder-Tree-Walk}{x.right}
			\EndIf
		\EndProcedure
	\end{algorithmic}
	
	Sie hat eine Laufzeit von $\theta(n)$.
	
	Nun kommen wir zum Einfügen von Elementen. Für das Einfügen wird der Baum einfach heruntergegangen und das neue Element an der richtigen Stelle eingefügt. Die Laufzeit beträgt hier ebenso $\mathcal{O}(h)$.
	
	Für das Entfernen eines Blattes ist es vergleichsweise einfach. Das Blatt kann einfach entfernt werden. Wenn ein Knoten nur einen linken oder nur einen rechten Kindknoten hat, dann können diese einfach an die Position des zu löschenden Knoten rücken. Hat der zu löschende Knoten jedoch sowohl einen linken als auch einen rechten Kindknoten, dann muss dessen Nachfolger gefunden werden. Dafür wird der am weitesten links stehende Knoten im rechten Teilbaum (mit dem rechten Kind des zu löschenden Knoten als Wurzel) herangezogen. Dieser wird dann an die Stelle des zu löschenden Knoten gesetzt und dessen rechtes Kind (falls vorhanden) wird an die Stelle von dem Nachfolger gesetzt.
	
	Den Nachfolger zu finden dauert $\mathcal{O}(h)$. Der Rest passiert in konstanter Zeit, sodass die insgesamte Dauer ebenfalls $\mathcal{O}(h)$ ist. Da alle Operationen nur $\mathcal{O}(h)$ benötigen, wäre es natürlich von Interesse das h so klein wie möglich zu haben. Da kommen balancierte Bäume ins Spiel. Bei balancierten Bäumen unterscheidet sich die Höhe der beiden Teilbäume unter einem Knoten um maximal 1 (Bedingung gilt für alle Knoten).
	
	\subsection{AVL Bäume}

		AVL Bäume unterstützen Operationen, um die Balanciertheit wiederherzustellen. Allerdings ist dies nicht klausurrelevant, da Frau Luxburg diesen Bereich selber nicht sonderlich versteht.
	
		Dennoch wird hier eine kurze Information zu den Operationen gegeben. Die Operationen heißen \texttt{RightRotate} und \texttt{LeftRotate} und benötigen jeweils nur konstante Zeit. Wird die Balanciertheit eines Baumes durch eine Einfüge- oder Löschoperation verletzt, dann müssen maximal Balancieroperationen ausgeführt werden, um die Balanciertheit wiederherzustellen.
	
		Die Laufzeit vom Einfügen in einen solchen balancierten Baum beträgt $\mathcal{O}(\log n)$. Das Standardeinfügen benötigt $\mathcal{O}(\log n)$, das checken der Balanciertheit dauert ebenfalls $\mathcal{O}(\log n)$ und für die Wiederherstellung der Balanciertheit werden maximal zwei Rotationen in je konstanter Zeit ausgeführt.
	
	\subsection{Red-black tree}
	
		Ein Red-black tree hat folgende Eigenschaften.
		
		\begin{itemize}
			\item jeder Knoten ist gefärbt (schwarz/rot)
			\item Wurzel und Blätter sind schwarz
			\item roter Knoten hat zwei schwarze Kinder
			\item von jedem Knoten aus haben alle Pfade zu den Blättern die gleiche Anzahl schwarze Knoten
			\item ein schwarzer Knoten kann sowohl schwarze als auch rote Kinder haben
		\end{itemize}
		
\section{Binäre Suche}

	Bei der binären Suche hat man ein sortiertes Array gegeben. Nun schaut man sich immer das mittlere Element an und wenn dies kleiner dem gesuchten Element ist, dann wird die binäre Suche auf den rechten Teilbereich des Arrays angewendet. Ist das mittlere Element größer, so wird die binäre Suche auf den linken Teil angewendet und wenn das mittlere Element dem gesuchten Element entspricht, dann wird die Indexposition zurückgegeben. Wird das gesuchte Element nicht gefunden, dann wird \texttt{not\_found} zurückgegeben.
	
	Der Pseudocode sieht folgendermaßen aus.
	
	\begin{algorithmic}[1]
		\Function{BinarySearch}{A, value}
			\State low $\gets$ 0
			\State high $\gets$ N - 1
			\While{low $\leq$ high}
				\State mid $\gets$ (low + high) / 2
				\If{A[mid] > value}
					\State high $\gets$ mid - 1
				\ElsIf{A[mid] < value}
					 \State low $\gets$ mid + 1
				\Else
					\State \Return mid
				\EndIf
			\EndWhile
		\EndFunction
	\end{algorithmic}
	
	Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(\log n)$.
	
	Es gibt jedoch auch noch andere Varianten der binären Suche, wie eine rekursive Variante und eine Variante, bei der, wenn das gesuchte Element nicht vorhanden ist, die Position zurückgegeben wird, bei der das gesuchte Element eingefügt werden kann, sodass das Array weiterhin sortiert ist.
	
\section{Graphen}

	Bei dem Abschnitt über Bäume wurden Graphen kurz angeschnitten. Hier wird sich jetzt ausführlicher mit ihnen beschäftigt. Es gibt verschiedene Arten von Graphen.
	
	Graphen können ungerichtet oder gerichtet sein und sie können gewichtet oder ungewichtet sein. Allerdings ist ein ungewichteter Graph äquivalent mit einem gewichteten Graphen, bei dem alle Kanten das Gewicht 1 haben. Ein ungerichteter Graph kann in einen gleichwertigen gerichteten Graphen überführt werden, indem jede Kante durch eine Hin- und Rückkante ersetzt wird.
	
	Der Grad eines Knotens kann in einem ungerichteten Graphen durch folgende Formel errechnet werden.
	
	\[
		Grad(u) = \sum\limits_{v \in V} w(u, v)
	\]
	
	Bei einem gerichteten Graphen gibt es zwei Grade bei einem Knoten. Der Eingangsgrad und der Ausgangsgrad. Beide können folgendermaßen berechnet werden.
	
	\begin{alignat*}{1}
		Grad-in(u) =& \sum\limits_{v \in V} w(v, u) \\
		Grad-out(u) =& \sum\limits_{v \in V} w(u, v)
	\end{alignat*}
	
	Pfade sind eine beliebige Abfolge von Kanten. Ein Pfad ist ein Zyklus, wenn ein Knoten sowohl Anfangs- als auch Endknoten ist. Ein Pfad ist einfach (engl.: simple), wenn jeder Knoten nur einmal vorkommt.
	
	Man kann Graphen in zusammenhängende und nicht zusammenhängende Graphen unterteilen. Dabei wird ein Graph als zusammenhängend bezeichnet, wenn von jedem Knoten zu jedem anderen Knoten ein Pfad gefunden werden kann (ungerichteter Graph). Ein gerichteter Graph heißt stark zusammenhängend, wenn von jedem Knoten zu jedem anderen ein gerichteter Pfad gefunden werden kann. Ein gerichteter Graph ist schwach zusammenhängend, wenn der zugehörige ungerichtete Graph zusammenhängend ist.
	
	Eine Zusammenhangskomponente ist ein Teilgraph des Graphen und ist zusammenhängend. In einem zusammenhängenden Graphen gibt es nur eine Zusammenhangskomponente. In einem gerichteten Graphen sind die starken Zusammenhangskomponenten interessant. Dies sind Teilgraphen des Graphen, die stark zusammenhängend sind. Ein Graph kann schwach zusammenhängend sein und dennoch mehrere starke Zusammenhangskomponenten haben.
	
	In einem vollständigen Graph ist jeder Knoten mit jedem anderen Knoten durch eine Kante verbunden.
	
	Die Kanten eines Graphen können mithilfe von Adjazenzlisten oder einer Adjazenzmatrix dargestellt werden.
	
	Desweiteren kann ein Graph dicht sein (engl.: dense). Dies bedeutet, dass der Graph sehr viele Kanten hat (ungefähr $|V|^{2}$). Außerdem kann ein Graph dünn sein (engl.: sparse). Dies bedeutet, dass der Graph sehr wenige Kanten hat.
	
\section{Graphalgorithmen}

	\subsection{Bellman--Ford}
	
		Der Bellman-Ford Algorithmus hat folgenden Pseudocode, der bereits eindrücklich zeigen sollte, wie der Algorithmus funktioniert.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Function{BellmanFord}{G, s}
				\State \Call{InitializeSingleSource}{G, s}
				\For{i $\gets$ 1 to |V| - 1}
					\ForAll{edges (u, v) $\in$ E}
						\State \Call{Relax}{u, v}
					\EndFor
				\EndFor
				\ForAll{edges (u, v) $\in$ E}
					\If{v.dist > u.dist + w(u, v)} \Comment{auf negativen Zyklus prüfen}
						\State \Return false
					\EndIf
				\EndFor
			\EndFunction
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit ist wenig verwunderlich: $\mathcal{O}(|V| \cdot |E|)$.
		
		Der Algorithmus wird benutzt, um kürzeste Wege zu berechnen. Genauer wird er für das Single--Source--Shortest--Path--Problem verwendet.
		
	\subsection{Dijkstra}
	
		Dijkstra gibt es in zwei Variationen. Beide verhalten sich gleich, haben aber Unterschiede in der Laufzeit. Die naive Variante hat diesen Pseudocode.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Procedure{DijkstraNaive}{G, w, s}
				\State S $\gets$ {s}
				\State d(s) $\gets$ 0
				\While{S $\neq$ V}
					\State U $\gets$ {u $\not\in$ S | u neighbour of a vertex $\in$ S}
					\ForAll{u $\in$ U}
						\ForAll{\Call{pre}{u} $\in$ S that are predecessors of u}
							\State d'(u, \Call{pre}{u}) $\gets$ d(\Call{pre}{u}) + w(\Call{pre}{u}, u)
						\EndFor
					\EndFor
					\State $u^{*} \gets$ argmin\{d'(u, \Call{pre}{u}) | u $\in$ U, \Call{pre}{u} $\in$ S\}
					\State d($u^{*}$) $\gets$ d'($u^{*}$)
					\State S $\gets$ S $\cup$ \{$u^{*}$\}
				\EndWhile
			\EndProcedure
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit der naiven Variante beträgt $\mathcal{O}(|V| \cdot |E|)$.
		
		Die zweite Variante ist die Implementation mit der Min--Priority--Queue. Der Pseudocode dieser Variante folgt.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Procedure{Dijkstra}{G, w, s}
				\State Q $\gets$ (V, V.dist)
				\While{Q $\neq \empty$}
					\State u $\gets$ \Call{Extract}{Q}
					\ForAll{v adjacent to u}
						\State \Call{Relax}{u, v} and update the keys in Q accordingly
					\EndFor
				\EndWhile
			\EndProcedure
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit mit der Min--Priority--Queue hängt von der Implementation der Queue ab. Bei einem naiven Array beträgt die Laufzeit $\mathcal{O}(n^{2})$. Bei der Implementation mit einem binären Heap sind es nur noch $\mathcal{O}((V + E)\log V)$. Bei der Implementation mit einem t-nären Heap sind es $\mathcal{O}\left((|V| \cdot t + |E|)\frac{\log V}{\log t}\right)$. Die beste Laufzeit kann mit einem Fibonacci Heap erreicht werden: $\mathcal{O}(V \log V + E)$.
		
		Wenn der Graph dicht ist, dann sollte die Arrayimplementation genommen werden. Wenn der Graph dünn ist, dann sollte die Heapimplementation bevorzugt werden. Wenn der Graph sehr dünn ist (|E| = $\Omega(|V|)$) bekommen wir die Laufzeit $\mathcal{O}(|V| \log |V|)$.
		
		Auch dieser Algorithmus gehört zum Single--Source--Shortest--Path--Problem.
	
	\subsection{Floyd--Warshall}
	
		Floyd--Warshall ist ein Graphalgorithmus, mit dem man die kürzesten Pfade von jedem Knoten zu jedem Knoten herausfinden kann (All--Pairs--Shortest--Path--Problem). Der Pseudocode ist folgender.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Function{FloydWarshall}{}
				\State n $\gets$ |V|
				\State $D^{(0)} \gets$ new $n \times n$ matrix with all values being $\infty$
				\ForAll{v $\in$ V}
					 \State $d_{0}(v,v) \gets$ 0
				\EndFor
				\ForAll{(u,v) $\in$ E}
					\State $d_{0}(u,v) \gets$ w(u,v)
				\EndFor
				\For{k $\gets$ 1 to n}
					\State $D^{k} \gets$ new $n \times n$ matrix
					\For{s $\gets$ 1 to n}
						\For{t $\gets$ 1 to n}
							\State $d_{k}(s, t) \gets$ min\{$d_{k-1}(s, t)$, $d_{k-1}(s, k) + d_{k-1}(k, t)$\}
						\EndFor
					\EndFor
				\EndFor
				\State \Return $D^{(n)}$
			\EndFunction
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit beträgt $\mathcal{O}(|V|^{3})$.
		
	\subsection{SCC--Algorithmus}
	
		Der SCC--Algorithmus wird zum Bestimmen von starken Zusammenhangskomponenten beynutzt. Der Algorithmus kann in Worten wie folgt beschrieben werden.
		
		\begin{algorithmic}[1]
			\Procedure{SCC}{G}
				\State Call \Call{DFS}{G} to compute the finishing times \Call{f}{u}
				\State Compute the reverse graph $G^{t}$
				\State Call \Call{DFS}{$G^{t}$}, where the vertices in the main loop are considered in order of decreasing \Call{f}{u}
				\State Output the subsets that have been discovered by the individual calls of DFS--Visit
			\EndProcedure
		\end{algorithmic}
		
		Die Laufzeit beträgt insgesamt $\mathcal{O}(|V| + |E|)$.
		
	\subsection{Kruskal Algorithmus}
	
		%TODO
		
	\subsection{Prims Algorithmus}
	
		%TODO
		
	\subsection{Bidirektionaler Dijkstra}
	
		%TODO
	
	\subsection{A*--Suche}
	
		%TODO
		
\section{Dynamisches Programmieren}

	%TODO
	
\section{Edit distance}

	%TODO
	
	\[
		E(i, j) = min\begin{cases}
			E(i - 1, j) + 1 \\
			E(i, j - 1) + 1 \\
			E(i - 1, j - 1) + \mathrm{1}_{x[i] \neq y[j]}
		\end{cases}
	\]
\end{document}
