mise à jour 2022

slides/cours_8.md

+---
+title: "Backtracking et piles"
+date: "2021-11-23"
+---
+
+# Tri à bulle (1/4)
+
+## Algorithme
+
+* Parcours du tableau et comparaison des éléments consécutifs:
+    - Si deux éléments consécutifs ne sont pas dans l'ordre, ils sont échangés.
+* On recommence depuis le début du tableau jusqu'à avoir plus d'échanges à
+  faire.
+
+## Que peut-on dire sur le dernier élément du tableau après un parcours?
+
+. . .
+
+* Le plus grand élément est **à la fin** du tableau.
+    * Plus besoin de le traiter.
+* A chaque parcours on s'arrête un élément plus tôt.
+
+# Tri à bulle (2/4)
+
+## Exemple
+
+![Tri à bulles d'un tableau d'entiers](figs/tri_bulles.svg)
+
+
+# Tri à bulle (3/4)
+
+## Exercice: écrire l'algorithme (poster le résultat sur matrix)
+
+. . .
+
+```C
+rien tri_a_bulles(entier tableau[])
+    pour i de longueur(tableau)-1 à 1:
+        trié = vrai
+        pour j de 0 à i-1:
+            si (tableau[j] > tableau[j+1])
+                échanger(array[j], array[j+1])
+                trié = faux
+        
+        si trié
+            retourner
+```
+
+# Tri à bulle (4/4)
+
+## Quelle est la complexité du tri à bulles?
+
+. . .
+
+* Dans le meilleurs des cas:
+    * Le tableau est déjà trié: $\mathcal{O}(N)$ comparaisons.
+* Dans le pire des cas, $N\cdot (N-1)/2\sim\mathcal{O}(N^2)$:
+$$
+\sum_{i=1}^{N-1}i\mbox{ comparaison et }3\sum_{i=1}^{N-1}i \mbox{ affectations
+(swap)}\Rightarrow \mathcal{O}(N^2).
+$$
+* En moyenne, $\mathcal{O}(N^2)$ ($N^2/2$ comparaisons).
+
+# L'algorithme à la main
+
+## Exercice *sur papier*
+
+* Trier par tri à bulles le tableau `[5, -2, 1, 3, 10, 15, 7, 4]`
+
+```C
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+```
+
+
+# Problème des 8-reines
+
+* Placer 8 reines sur un échiquier de $8 \times 8$.
+* Sans que les reines ne puissent se menacer mutuellement (92 solutions). 
+
+## Conséquence
+
+* Deux reines ne partagent pas la même rangée, colonne, ou diagonale.
+* Donc chaque solution a **une** reine **par colonne** ou **ligne**.
+
+## Généralisation
+
+* Placer $N$ reines sur un échiquier de $N \times
+  N$. 
+- Exemple de **backtracking** (retour en arrière) $\Rightarrow$ récursivité.
+
+![Problème des 8-reines. Source:
+[wikipedia](https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_des_huit_dames)](./figs/fig_recursivite_8_reines.png){width=35%}
+
+# Problème des 2-reines
+
+![Le problème des 2 reines n'a pas de solution.](figs/2reines.svg){width=50%}
+
+# Comment trouver les solutions?
+
+* On pose la première reine sur la première case disponible.
+* On rend inaccessibles toutes les cases menacées.
+* On pose la reine suivante sur la prochaine case non-menacée.
+* Jusqu'à ce qu'on puisse plus poser de reine.
+* On revient alors en arrière jusqu'au dernier coup où il y avait plus qu'une
+  possibilité de poser une reine.
+* On recommence depuis là.
+
+. . .
+
+* Le jeu prend fin quand on a énuméré *toutes* les possibilités de poser les
+  reines.
+
+# Problème des 3-reines
+
+![Le problème des 3 reines n'a pas de solution non plus.](figs/3reines.svg)
+
+# Problème des 4-reines
+
+![Le problème des 4 reines a une solution.](figs/4reines.svg)
+
+# Problème des 4-reines, symétrie
+
+![Le problème des 4 reines a une autre solution (symétrie
+horizontale).](figs/4reines_sym.svg)
+
+# Problème des 5 reines
+
+## Exercice: Trouver une solution au problème des 5 reines
+
+* Faire une capture d'écran / une photo de votre solution et la poster sur
+  matrix.
+
+```C
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+```
+
+# Quelques observations sur le problème
+
+* Une reine par colonne au plus.
+* On place les reines sur des colonnes successives.
+* On a pas besoin de "regarder en arrière" (on place "devant" uniquement).
+* Trois étapes:
+    * On place une reine dans une case libre.
+    * On met à jour le tableau.
+    * Quand on a plus de cases libres on "revient dans le temps" ou c'est qu'on
+      a réussi.
+
+# Le code du problème des 8 reines (1/N)
+
+## Quelle structure de données?
+
+. . .
+
+Une matrice de booléens fera l'affaire:
+
+```C
+bool board[n][n];
+```
+
+## Quelles fonctionnalités?
+
+. . .
+
+```C
+// Pour chaque ligne placer la reine sur toutes les colonnes
+//    et compter les solutions
+void nbr_solutions(board, column, counter);
+// Copier un tableau dans un autre
+void copy(board_in, board_out);
+// Placer la reine à li, co et rendre inaccessible devant
+void placer_devant(board, li, co);
+```
+
+# Le code du problème des 8 reines (2/N)
+
+## Le calcul du nombre de solutions
+
+```C
+// Calcule le nombre de solutions au problème des <n> reines
+nbr_solutions(board, column, count)
+   // pour chaque ligne 
+       // si la case libre
+          // si column < n - 1
+              // copier board dans un "new" board, 
+              //   y poser une reine
+              //   et mettre à jour ce "new" board
+              // nbr_solutions(new_board, column+1, count)
+          // sinon
+              // on a posé la n-ème et on a gagné
+              // count += 1
+```
+
+# Le code du problème des 8 reines (3/N)
+
+## Le calcul du nombre de solutions
+
+```C
+// Placer une reine et mettre à jour
+placer_devant(board, ligne, colonne)
+    // board est occupé à ligne/colonne
+        // toutes les cases des colonnes
+        //    suivantes sont mises à jour
+```
+
+# Le code du problème des 8 reines (4/N)
+
+## Compris? Alors écrivez le code et postez le!
+
+. . .
+
+## Le nombre de solutions
+
+\footnotesize
+
+```C
+// Calcule le nombre de solutions au problème des <n> reines
+void nb_sol(int n, bool board[n][n], int co, int *ptr_cpt) {
+    for (int li = 0; li < n; li++) {
+        if (board[li][co]) {
+            if (co < n-1) {
+                bool new_board[n][n]; // alloué à chaque nouvelle tentative
+                copy(n, board, new_board);         
+                prises_devant(n, new_board, li, co);
+                nb_sol(n, new_board, co+1, ptr_cpt);
+            } else {
+                *ptr_cpt = (*ptr_cpt)+1;
+            }
+        }
+    }
+}
+```
+
+
+# Le code du problème des 8 reines (5/N)
+
+\footnotesize
+
+## Placer devant
+
+```C
+// Retourne une copie du tableau <board> complété avec les positions
+// prises sur la droite droite par une reine placée en <board(li,co)>
+void prises_devant(int n, bool board[n][n], int li, int co) {
+    board[li][co] = false; // position de la reine
+    for (int j = 1; j < n-co; j++) {
+        // horizontale et diagonales à droite de la reine
+        if (j <= li) {
+            board[li-j][co+j] = false;
+        }
+        board[li][co+j] = false;
+        if (li+j < n) {
+            board[li+j][co+j] = false;
+        }
+    }
+}
+```
+
+# Les piles (1/N)
+
+## Qu'est-ce donc?
+
+* Structure de données abstraite...
+
+. . .
+
+* de type `LIFO` (*Last in first out*).
+
+![Une pile où on ajoute A, puis B avant de les retirer. Source:
+[Wikipedia](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e1/Stack_%28data_structure%29_LIFO.svg)](figs/Stack.svg){width=70%}
+
+## Des exemples de la vraie vie
+
+. . .
+
+* Pile d'assiettes, de livres, ...
+* Adresses visitées par un navigateur web.
+* Les calculatrices du passé (en polonaise inverse).
+* Les boutons *undo* de vos éditeurs de texte (aka *u* dans vim).
+
+# Les piles (2/N)
+
+## Fonctionnalités
+
+. . .
+
+1. Empiler (push): ajouter un élément sur la pile.
+2. Dépiler (pop): retirer l'élément du sommet de la pile et le retrouver.
+3. Liste vide? (is_empty?).
+
+. . .
+
+4. Jeter un œil (peek): retourner l'élément du sommet de la pile (sans le dépiler).
+5. Nombre d'éléments (length).
+
+## Comment faire les 4,5 à partir de 1 à 3?
+
+. . .
+
+4. Dépiler l'élément, le copier, puis l'empiler à nouveau.
+5. Dépiler jusqu'à ce que la pile soit vide, puis empiler à nouveau.
+
+. . .
+
+## Existe en deux gouts
+
+* Pile avec ou sans limite de capacité (à concurrence de la taille de la
+mémoire).
+
+# Les piles (3/N)
+
+## Implémentation
+
+* Jusqu'ici on n'a pas du tout parlé d'implémentation (d'où le nom de structure
+  abstraite).
+* Pas de choix unique d'implémentation.
+
+## Quelle structure de données allons nous utiliser?
+
+. . .
+
+Et oui vous avez deviné: un tableau!
+
+## La structure: de quoi avons-nous besoin (pile de taille fixe)?
+
+. . .
+
+```C
+#define MAX_CAPACITY 500
+typedef struct _stack {
+    int data[MAX_CAPACITY]; // les données
+    int top;                // indice du sommet
+} stack;
+```
+
+# Les piles (4/N)
+
+## Initialisation
+
+. . .
+
+```C
+void stack_init(stack *s) {
+    s->top = -1;
+}
+```
+
+## Est vide?
+
+. . .
+
+```C
+bool stack_is_empty(stack s) {
+    return s.top == -1;
+} 
+```
+
+## Empiler (ajouter un élément au sommet)
+
+. . .
+
+```C
+void stack_push(stack *s, int val) {
+    s->top += 1;
+    s->data[s->top] = val;
+}
+```
+
+# Les piles (5/N)
+
+## Dépiler (enlever l'élément du sommet)
+
+. . .
+
+```C
+int stack_pop(stack *s) {
+    s->top -= 1;
+    return s->data[s->top+1];
+}
+```
+
+## Jeter un œil (regarder le sommet)
+
+. . .
+
+```C
+int stack_peek(stack *s) {
+    return s->data[s->top];
+}
+```
+
+## Voyez-vous des problèmes potentiels avec cette implémentation?
+
+. . .
+
+* Empiler avec une pile pleine.
+* Dépiler avec une pile vide.
+* Jeter un œil au sommet d'une pile vide.
+
+

slides/figs/2reines.svg

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