Комбинаторные алгоритмы предназначены для выполнения вычис-
лений на различного рода объектах, возникающих в прикладных ком-
бинаторных задачах и при исследовании дискретных математических
структур. Необходимость разработки эффективных, быстрых комби-
наторных алгоритмов уже давно не вызывает сомнений. На практике
нужны не алгоритмы, а хорошие алгоритмы в широком смыс-
ле. Одним из основных критериев качества алгоритма является время,
необходимое для его выполнения.
Разработке и анализу вычислительной сложности комбинаторных
алгоритмов над классическими комбинаторными объектами посвящено
настоящее учебное пособие. Наряду с теоретическими знаниями даётся
описание таких важнейших алгоритмов, приводится их строгое обосно-
вание и детально изучается асимптотическая сложность рассматривае-
мых алгоритмов. Мы познакомим читателя с широким кругом понятий
и сведений из дискретной математики, необходимых практикующему
программисту. Пополним запас примеров нетривиальных алгоритмов
над объектами дискретной математики существенно обо-
гатить навыки самостоятельного конструирования алгоритмов и сфор-
мировать мышление, позволяющее использовать методы дискретного
анализа при разработке эффективных алгоритмов для решения прак-
тических задач и оценке их сложности.
Для понимания материала учебного пособия требуется знание ос-
новных понятий и фактов из дискретной математики и математической
логики. Читатель должен обладать минимальным опытом программи-
рования, каждый изучаемый алгоритм снабжен понятным псевдокодом,
позволяющим реализовать рассматриваемый алгоритм на доступном
языке программирования. При изучении отдельных тем используются
основы математического анализа и теории вероятностей.
Моделирование представляет собой один из основных методов познания, является формой отражения действительности и заключается в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов и явлений с других объектов, процессов, явлений, либо с абстрактного описания в виде изображения, плана, карты, совокупности уравнений, алгоритмов и программ [4].
Возможности моделирования, то есть перенос результатов, полученных в ходе построена исследования модели, на оригинал, основаны на том, что модель в определенном смысле отображает (воспроизводит, моделирует, описывает, имитирует) некоторые интересующие исследователя черты объекта. Моделирование как форма отражения действительности широко распространено, и достаточно полная классификация возможных видов моделирования крайне затруднительна, хотя бы в силу многозначности понятия «модель», широко используемого не только в науке и технике, но искусстве, и в повседневной жизни. Тем не менее, применительно к естественным и техническим наукам принято различать следующие виды моделирования:
- концептуальное моделирование, при котором совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или естественного или искусственного языков;
- физическое (натурное) моделирование, при котором модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и в модели выполняются некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений;
- структурно-функциональное моделирование, при котором моделями являются схемы (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования;
- математическое (логико-математическое) моделирование, при котором моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики;
- имитационное (компьютерное) моделирование, при котором логико-математическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера.
Разумеется, перечисленные выше виды моделирования не являются взаимоисключающими и могут применяться при исследовании сложных объектов либо одновременно, либо в некоторой комбинации. Кроме того, в некотором смысле концептуальное и, скажем, структурно-функциональное моделирование неразличимы между собой, так как блок-схемы, конечно же, являются специальными знаками с установленными операциями над ними.
Традиционно под моделированием на ЭВМ понималось лишь имитационное моделирование. Можно, однако, увидеть, что и при других видах моделирования компьютер может быть весьма полезен. Например, при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов — построение математических моделей по экспериментальным данным — в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы, благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов, широкое развитие получило компьютерное структурно-функциональное моделирование, о котором подробно поговорим ниже. Положено начало привлечения компьютера даже к концептуальному моделированию, где он используется, например, при построении систем искусственного интеллекта.
Таким образом, мы видим, что понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении, учитывающем сегодняшние реалии.
Начнем с термина «компьютерная модель». В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают:
условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекста и т. д. и отображающий структуру элементов объекта и взаимосвязи между ними. Компьютерные модели такого вида мы будем называть структурно-функциональными;
программу или программный комплекс, позволяющий с последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило, случайных, факторов. Такие модели мы будем далее называть имитационными.
Компьютерное моделирование — метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения значений переменных, характеризирующих систему.