maj cours 17 2023

slides/cours_17.md

+---
+title: "Tri par tas et arbres AVL"
+date: "2024-03-24"
+---
+
+# Questions sur les notions du dernier cours (1/2)
+
+* Comment représenter un tableau sous forme d'arbre binaire?
+
+. . .
+
+* Qu'est-ce qu'un tas?
+
+. . .
+
+```
+        | 1 | 16 | 5 | 12 | 4 | 2 | 8 | 10 | 6 | 7 |
+```
+
+* Quel est l'arbre que cela représente?
+
+
+# Questions sur les notions du dernier cours (2/2)
+
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((1))-->id1((16));
+    id0-->id2((5));
+    id1-->id3((12));
+    id1-->id4((4));
+    id2-->id5((2));
+    id2-->id6((8));
+    id3-->id7((10));
+    id3-->id8((6));
+    id4-->id9((7));
+    id4-->id10(( ));    
+    style id10 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+# Exercice
+
+* Trier par tas le tableau
+
+```
+        | 1 | 2 | 4 | 5 | 6 | 8 | 10 | 12 | 16
+```
+
+* Mettez autant de détails que possible.
+* Que constatez-vous?
+* Postez le résultat sur matrix.
+
+# L'algorithme du tri par tas (1/2)
+
+\footnotesize
+
+## Deux étapes
+
+1. Entassement (tamisage): transformer l'arbre en tas.
+2. Échanger la racine avec le dernier élément et entasser la racine.
+
+## Pseudo-code d'entassement de l'arbre (15 min, matrix)
+
+. . .
+
+```python
+rien tri_par_tas(tab)
+    entassement(tab)
+    échanger(tab[0], tab[size(tab)-1])
+    pour i de size(tab)-1 à 2 
+        promotion(tab, 0)
+        échanger(tab[0], tab[i-1])
+
+rien entassement(tab)
+    pour i de size(tab)/2-1 à 0
+        promotion(tab, i)
+
+rien promotion(tab, i)
+    ind_max = ind_max(tab, i, gauche(i), droite(i))
+    si i != ind_max
+        échanger(tab[i], tab[ind_max])
+        promotion(tab, ind_max)
+```
+
+# L'algorithme du tri par tas (2/2)
+
+* Fonctions utilitaires
+
+    ```python
+    entier ind_max(tab, i, g, d)
+        ind_max = i
+        si tab[ind_max] < tab[l]
+            ind_max = l
+        si tab[ind_mx] < tab[r]
+            ind_max = r
+        retourne ind_max
+
+    entier gauche(i)
+        retourne 2 * i + 1
+    
+    entier droite(i)
+        retourne 2 * i + 2
+    ```
+
+
+<!-- # L'algorithme du tri par tas (3/4)
+
+\footnotesize
+
+## Implémenter en C l'algorithme du tri par tas (matrix, 20min)
+
+. . .
+
+```C 
+void heapsort(int size, int tab[size]) {
+    heapify(size, tab);
+    swap(tab, tab + size - 1);
+    for (int s = size - 1; s > 1; s--) {
+        sift_up(s, tab, 0);
+        swap(tab, tab + s - 1);
+    }
+}
+void heapify(int size, int tab[size]) {
+    for (int i = size / 2 - 1; i >= 0; i--) {
+        sift_up(size, tab, i);
+    }
+}
+void sift_up(int size, int tab[size], int i) {
+    int ind_max = ind_max3(size, tab, i, left(i), right(i));
+    if (i != ind_max) {
+        swap(tab + i, tab + ind_max);
+        sift_up(size, tab, ind_max);
+    }
+}
+```
+
+# L'algorithme du tri par tas (4/4)
+
+\footnotesize
+
+## Fonctions utilitaires
+
+. . .
+
+```C
+int ind_max3(int size, int tab[size], int i, int l, int r) {
+    int ind_max = i;
+    if (l < size && tab[ind_max] < tab[l]) {
+        ind_max = l;
+    }
+    if (r < size && tab[ind_max] < tab[r]) {
+        ind_max = r;
+    }
+    return ind_max;
+}
+void swap(int *a, int *b) {
+    int tmp = *a;
+    *a      = *b;
+    *b      = tmp;
+}
+int left(int i) {
+    return 2 * i + 1;
+}
+int right(int i) {
+    return 2 * i + 2;
+}
+``` -->
+
+
+# Complexités
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## Complexité de la recherche
+
+1. En moyenne?
+2. Dans le pire des cas?
+
+. . .
+
+1. $O(\log_2(N))$
+2. $O(N)$
+
+::::
+
+:::: column
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((10))-->id1((9));
+    id0-->id8((  ));
+    id1-->id2((7));
+    id1-->id9((  ));
+    id2-->id3((6));
+    id2-->id10((  ));
+    id3-->id4((5));
+    id3-->id11((  ));
+    style id8 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id9 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id10 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id11 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::
+
+# Un meilleur arbre
+
+* Quelle propriété doit satisfaire un arbre pour être $O(\log_2(N))$?
+
+. . .
+
+* Si on a environ le même nombre de nœuds dans les sous-arbres.
+
+## Définition
+
+Un arbre binaire est parfaitement équilibré si, pour chaque
+nœud, la différence entre les nombres de nœuds des sous-
+arbres gauche et droit vaut au plus 1.
+
+* Si l'arbre est **parfaitement équilibré**, alors tout ira bien.
+* Quelle est la hauteur (profondeur) d'un arbre parfaitement équilibré?
+
+. . .
+
+* $O(\log_2(N))$.
+
+
+# Équilibre parfait ou pas?
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((W))-->id1((B));
+    id0-->id8((Y));
+    id1-->id2((A));
+    id1-->id9((  ));
+    id8-->id10((X));
+    id8-->id11((  ));
+    style id9 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id11 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+```
+É
+Q
+U
+I
+L
+I
+B
+R
+É
+```
+
+::::
+
+:::
+
+# Équilibre parfait ou pas?
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((16))-->id1((10));
+    id0-->id2((19));
+    id1-->id3((8));
+    id1-->id4((12));
+    id4-->id5((11));
+    id4-->id6((  ));
+    id2-->id7((17));
+    id2-->id8((  ));
+    id7-->id9((  ));
+    id7-->id10((18));
+    style id6 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id8 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id9 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+```
+P 
+A
+S 
+
+É
+Q
+U
+I
+L
+I
+B
+R
+É
+```
+
+::::
+
+:::
+
+# Arbres AVL
+
+* Quand est-ce qu'on équilibre un arbre?
+
+. . .
+
+* A l'insertion/suppression.
+* Maintenir un arbre en état d'équilibre parfait: cher (insertion, suppression).
+* On peut "relaxer" la condition d'équilibre: profondeur (hauteur) au lieu du
+  nombre de nœuds:
+    * La hauteur $\sim\log_2(N)$.
+
+## Définition
+
+Un arbre AVL (Adelson-Velskii et Landis) est un arbre binaire de recherche dans
+lequel, pour chaque nœud, la différence de hauteur entre le sous-arbre gauche et droit vaut au plus 1.
+
+* Relation entre nœuds et hauteur:
+$$
+\log_2(1+N)\leq 1+H\leq 1.44\cdot\log_2(2+N),\quad N=10^5,\ 17\leq H \leq 25.
+$$
+* Permet l'équilibrage en temps constant: insertion/suppression $O(\log_2(N))$.
+
+# Notation
+
+* `hg`: hauteur du sous-arbre gauche.
+* `hd`: hauteur du sous-arbre droit.
+* `facteur d'équilibre = fe = hd - hg`
+* Que vaut `fe` si l'arbre est AVL?
+
+. . .
+
+* `fe = {-1, 0, 1}`
+
+
+# AVL ou pas?
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((10));
+    id0-->id2((19));
+    id2-->id3((17));
+    id2-->id4((97));
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+```
+A
+V
+L
+```
+
+::::
+
+:::
+
+# AVL ou pas?
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id2-->id3((17));
+    id2-->id4((97));
+    id4-->id5((37));
+    id4-->id6((  ));
+    style id6 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+```
+P
+A
+S
+
+A
+V
+L
+```
+
+::::
+
+:::
+
+# Insertion dans un arbre AVL (1/N)
+
+1. On part d'un arbre AVL.
+2. On insère un nouvel élément.
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+* `hd ? hg`.
+* Insertion de `4`?
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+* `hd = hg`
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id1-->id4((  ));
+    id1-->id5((4));
+    style id4 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+* `fe = -1`
+
+::::
+
+:::
+
+# Insertion dans un arbre AVL (2/N)
+
+1. On part d'un arbre AVL.
+2. On insère un nouvel élément.
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+* `hd ? hg`.
+* Insertion de `4`?
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id2-->id3((18));
+    id2-->id4((  ));
+    style id4 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+* `hd < hg`
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id2-->id3((18));
+    id2-->id4((  ));
+    id1-->id5((  ));
+    id1-->id6((4));
+    style id4 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id5 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+* `fe = 0`
+
+::::
+
+:::
+
+# Insertion dans un arbre AVL (3/N)
+
+\footnotesize
+
+1. On part d'un arbre AVL.
+2. On insère un nouvel élément.
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+* `hd ? hg`.
+* Insertion de `4`?
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id1-->id3((  ));
+    id1-->id4((6));
+    id2-->id5((  ));
+    id2-->id6((  ));
+    style id3 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id5 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id6 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::: column
+
+. . .
+
+* `hd > hg`
+
+```{.mermaid format=pdf width=400 loc=figs/}
+graph TD;
+    id0((12))-->id1((1));
+    id0-->id2((19));
+    id1-->id3((  ));
+    id1-->id4((6));
+    id4-->id5((4));
+    id4-->id6((  ));
+    id2-->id7((  ));
+    id2-->id8((  ));
+    style id3 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id6 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id7 fill:#fff,stroke:#fff
+    style id8 fill:#fff,stroke:#fff
+```
+
+::::
+
+:::
+
+**Déséquilibre!** Que vaut `fe`?
+
+. . .
+
+* `fe = 2`
+
+# Les cas de déséquilibre
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## Cas 1a
+
+* `u`, `v`, `w` même hauteur.
+* déséquilibre en `B` après insertion dans `u`
+
+![Après insertion](figs/cas1a_gauche.png)
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Cas 1a
+
+* Comment rééquilibrer?
+
+. . .
+
+* ramène `u`, `v` `w` à la même hauteur.
+* `v` à droite de `A` (gauche de `B`)
+
+![Après équilibrage](figs/cas1a_droite.png)
+
+::::
+
+:::
+
+# Les cas de déséquilibre
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## Cas 1b (symétrique 1a)
+
+![Après insertion](figs/cas1b_gauche.png)
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Cas 1b (symétrique 1a)
+
+* Comment rééquilibrer?
+
+. . .
+
+![Après équilibrage](figs/cas1b_droite.png)
+
+::::
+
+:::
+
+# Les cas de déséquilibre
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## Cas 2a
+
+* `v1`, `v2`, `u`, `w` même hauteur.
+* déséquilibre en `C` après insertion dans `v2`
+
+![Après insertion](figs/cas2a_gauche.png)
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Cas 2a
+
+* Comment rééquilibrer?
+
+. . .
+
+* ramène `u`, `v1`,  `v2`, `w` à la même hauteur.
+* `v2` à droite de `B` (gauche de `C`)
+* `B` à droite de `A` (gauche de `C`)
+* `v1` à droite de `A` (gauche de `B`)
+
+![Après équilibrage](figs/cas2a_droite.png)
+
+::::
+
+:::
+
+
+# Les cas de déséquilibre
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## Cas 2b (symétrique 2a)
+
+![Après insertion](figs/cas2b_gauche.png)
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Cas 2b (symétrique 2a)
+
+* Comment rééquilibrer?
+
+. . .
+
+![Après équilibrage](figs/cas2b_droite.png)
+
+::::
+
+:::
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