Журнал Компьютерра - Журнал «Компьютерра» №31 от 30 августа 2005 года

Что же это такое - сложность алгоритма (в рамках статьи речь пойдет лишь о временно,й сложности [time complexity] классических детерминированных алгоритмов, а о сложности по объему требуемой памяти, вероятностных алгоритмах, протоколах для бесед вездесущих Боба и Алисы, параллельных и квантовых вычислениях мы, возможно, расскажем в следующих сериях)? Интуитивно это понятие довольно простое. У алгоритма есть вход (input) - описание задачи, которую нужно решить. На ее решение алгоритм тратит какое-то время (то есть количество операций). Сложность - это функция от длины входа, значение которой равно максимальному (по всевозможным входам данной длины) количеству операций, требуемых алгоритму для получения ответа.

Пример. Пусть дана последовательность из нулей и единиц, и нам нужно выяснить, есть ли там хоть одна единица. Алгоритм будет последовательно проверять, нет ли единицы в текущем бите, а затем двигаться дальше, пока вход не кончится. Поскольку единица действительно может быть только одна, для получения точного ответа на этот вопрос в худшем случае придется проверить все n символов входа. В результате получаем сложность порядка cn, где c - количество шагов, потребное для проверки текущего символа и перехода к следующему. Поскольку такого рода константы сильно зависят от конкретной реализации, математического смысла они не имеют, и их обычно прячут за символом O: в данном случае специалист по теории сложности сказал бы, что алгоритм имеет сложность O(n); иными словами, он линейный. Говорят, что алгоритм полиномиальный, если его сложность оценивается сверху некоторым многочленом p(n); алгоритм экспоненциальный, если его сложность имеет порядок 2cn. В реальных, тем более промышленных, задачах редко используются алгоритмы со сложностью больше экспоненты: уже экспоненциальная сложность стала во многих (но не во всех, как мы увидим ниже) случаях синонимом практической неразрешимости и ужасной немасштабируемости. В этой статье мы более никакими теоретико-сложностными концепциями, кроме полиномиального и экспоненциального алгоритма, пользоваться не будем.

Математически есть смысл рассматривать лишь бесконечные последовательности задач: если размер входа ограничен, всякий алгоритм можно заменить большущей, но все же константного размера таблицей, в которой будет записано соответствие между входами и выходами, и алгоритм будет иметь константную сложность (и совершенно не важно, что константа эта может оказаться больше числа атомов во Вселенной).

Мы собирались поговорить о том, насколько теоретические успехи в теории сложности связаны с практикой. В журнальной статье, конечно, невозможно дать обзор всех успехов и неудач теории сложности, так что мы остановимся лишь на трех примерах. Первый из них - биоинформатика - позитивный; в этой области любые теоретические продвижения весьма желательны с практической точки зрения (и продвижения постоянно происходят). Другой пример - линейное программирование - напротив, негативен: здесь один из крупнейших прорывов в теории сложности оказался абсолютно неприменим на практике. Ну а третий пример - решение задачи пропозициональной выполнимости - на мой взгляд, достаточно точно отражает современный баланс между теорией и практикой. Итак, вперед.

Об успехах современной генетики наслышаны многие. Вряд ли сейчас нужно пересказывать истории об овечке Долли, а также - что куда ближе к теме этой статьи - о расшифровке генома человека. Подчеркнем лишь, что расшифровка генома вряд ли могла быть возможной без активного участия теоретической информатики.

Правила, по которым последовательность нуклеотидов гена транслируется в последовательность аминокислот соответствующего протеина (эти правила, собственно, и называются генетическим кодом), были известны еще в 1960-х годах. Каждая тройка нуклеотидов - так называемый кодон - переходит в одну аминокислоту. Нуклеотидов бывает всего четыре, поэтому возможных вариантов кодонов 64; но так как аминокислот около 20, то разные кодоны могут кодировать одну и ту же аминокислоту; есть специальный выделенный кодон, означающий «начало передачи данных», а любой из других трех выделенных кодонов (стоп-кодонов) означает «конец передачи».

Конечный (совсем небольшой) алфавит, дискретные объекты, четкие правила - ситуация идеально укладывается в общую концепцию computer science. Осталось лишь понять, что нужно сделать. Вот типичная задача (так называемая sequence alignment problem): предположим, что даны две последовательности нуклеотидов и набор возможных операций (мутаций) - например, удаление одного нуклеотида или замена одного нуклеотида на другой. Требуется определить минимальную (относительно весов, отражающих вероятности появления тех или иных мутаций) последовательность таких операций, которые первую последовательность переведут во вторую. Иным словами, нужно найти наиболее вероятную цепочку мутаций, которые привели к появлению слона из мухи или человека из обезьяны.