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Lecture/course - german - Winter 2003/2004

Ziel der Komplexitätstheorie ist die Quantifizierung von Computerressourcen (Rechenzeit, Speicherplatz, Hardwareaufwand, Kommunikationsaufwand, ...), die zur algorithmischen Lösung konkreter Probleme bzw. von Problemklassen benötigt werden. Die Vorlesung, die sich an Studenten des Informatik- bzw. Mathematikhauptstudiums wendet und Kernvorlesung für den Bereich theoretischen Informatik ist, bietet eine fundierte Einführung in die Komplexitätstheorie. Schwerpunktmäßig wird die Bedeutung komplexitätstheoretischer Aussagen für den Algorithmenentwurf herausgearbeitet.

Authors

Prof. Dr. Christoph Meinel

Additional contacts

Dipl. Inform. Volker Schillings

Duration

32:57 hours

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0 Einführung

Komplexitätstheorie-0

00:53:34 hours | play >

1 Konzepte der Komplexitätstheorie

1 Probleme und Algorithmen

Komplexitätstheorie-1

(1) Einführung
(2) Reachability
(3) Einscheidungsprobleme
(4) Algorithmus für Grapherreichbarkeit
(5) O-Notation
(6) Polynomialzeit - Alg.
(7) Speicherplatzbedarf
(8) Max Flow
(9) Reduktionstechnik
(10) TSP

01:29:36 hours | play >

2 Turing Maschinen

Komplexitätstheorie-2

(1) Einführung
(2) Erweiterte Church'sche These
(3) Grundidee
(4) Def. einer k-Band TM
(5) Arbeitsweise einer k-Band TM
(6) Laufzeit einer k-Band TM
(7) Zeitkomplexität
(8) Vergleich k-Band und 1-Band TM

01:16:47 hours | play >

3 Lineares Beschleunigen

Komplexitätstheorie-3

(1) Vergleich k-Band und 1-Band TM
(2) Speed Up Theorem
(3) Beweisidee des Speed-Up Theorems
(4) Diskussion des Speed-Up Theorem
(5) Definition von P

01:18:36 hours | play >

4 Raumkomplexität und Platzsparen

Komplexitätstheorie-4

(1) Einführung
(2) Begriffsbestimmung
(3) Beispiel
(4) TM mit Ein- und Ausgabe
(5) Raumkomplexität
(6) Raumkomplexitätsklassen
(7) Platzsparen

01:15:42 hours | play >

5 Nichtdeterministische Turing Maschinen

Komplexitätstheorie-5

(1) Einführung
(2) Definition
(3) Nichtdeterministische Berechungen
(4) Rundreiseproblem
(5) NTM und probabilistische TM
(6) NTM und deterministische TM

01:34:48 hours | play >

6 Komplexitätsklassen

Komplexitätstheorie-6

(1) Einführung
(2) Schrankenfunktionen
(3) Präzise Turing Maschinen
(4) Wichtige Komplexitätsklassen
(5) Komplementäre Komplexitätsklassen

00:55:36 hours | play >

7 Hierarchie-Theoreme

Komplexitätstheorie-6

(6) Hierarchie-Theoreme

00:34:22 hours | play >

8 Erreichbarkeitsmethode

Komplexitätstheorie-7

(1) Einführung
(2) Determinismus vs. Nichtdeterminismus
(3) NTIME vs. SPACE
(4) NSPACE vs. TIME
(5) Erreichbarkeitsmethode
(6) Zwischenbilanz
(7) Satz von Savitch

01:17:47 hours | play >

8 Erreichbarkeitsmethode (2)

Komplexitätstheorie-4

(1) Wiederholung
(2) Satz von Immerman-Szelepcsenyi
(3) Beweis des Immerman-Szelepcsenyi Theorems
(4) Analyse des Algorithmus
(5) NSPACE vs. coNSPACE

01:02:46 hours | play >

9 Reduktion und Vollständigkeit

Komplexitätstheorie-1

(1) Einführung
(2) Grundidee
(3) Logspace Reduktion
(4) HAMILTON PATH <= SAT

01:08:19 hours | play >

9 Reduktion und Vollständigkeit (2)

Komplexitätstheorie-2

(1) Grundidee
(2) Logspace Reduktion
(3) Reachability
(4) Reduktion durch Verallgemeinerung
(5) Circuit SAT
(6) Komposition von Reduktionen

01:21:48 hours | play >

9 Reduktion und Vollständigkeit (3)

Komplexitätstheorie-8

(1) Einführung
(2) K-Vollständigkeit
(3) Berechnungstabellen-Methode
(4) P-Vollständigkeit von CIRCUIT VALUE
(5) P-Vollständigkeit von MONOTONE CIRCUIT VALUE

01:20:41 hours | play >

2 Die Klassen P und NP

1 NP - Vollständigkeit

Komplexitätstheorie-4

(1) Erinnerung
(2) Cook'sches Theorem

00:47:42 hours | play >

2 Weitere Charakterisierungen von NP

Komplexitätstheorie-7

(1) Polynomial entscheidbare Relation
(2) Polynomial balancierte Relation
(3) Charakterisierung von NP mittels Relationen
(4) Polynomiale Zeugnisse

00:35:17 hours | play >

3 Weitere NP-vollständige Probleme

Komplexitätstheorie-9

(1) Einführung
(2) Erinnerung
(3) Cook'sches Theorem
(4) Erinnerung
(5) NP-vollständige SAT-Varianten
(6) 2-SAT gehört zu P
(7) 2-SAT gehört zu NL
(8) MAX-2-SAT ist NP-vollständig
(9) NAE-SAT ist NP-vollständig

01:27:25 hours | play >

3 Weitere NP-vollständige Probleme (2)

Komplexitätstheorie-10

(1) Erinnerung
(2) Independent Set Problem
(3) Clique und Node Cover
(4) Schnitt-Probleme

01:10:46 hours | play >

3 Weitere NP-vollständige Probleme (3)

Komplexitätstheorie-4

(1) Erinnerung
(2) Pfad Probleme
(3) Färbungsprobleme
(4) Matching

01:14:07 hours | play >

3 Weitere NP-vollständige Probleme (4)

Komplexitätstheorie-3

(1) Erinnerung
(2) SET COVER
(3) INTEGER PROGRAMMING
(4) KNAPSACK
(5) BIN PACKING

01:35:26 hours | play >

4 NP und coNP

Komplexitätstheorie-2

(1) Einführung
(2) coNP-vollständige Probleme
(3) NP = coNP ?
(4) Durchschnitt von NP und coNP
(5) Pratt's Theorem
(6) Sensation 2002: PRIMES gehört zu P

01:21:10 hours | play >

5 Randomisierte Berechnungen

Komplexitätstheorie-7

(1) Erinnerung
(2) Symbolische Determinanten
(3) Gauß'sche Elimination
(4) Determinante gleich 0?
(5) Abschätzung der Zahl der Nullstellen
(6) Randomisierter Algorithmus PERFECT MATCHING
(7) Random Walks
(8) Fermat Test

01:23:13 hours | play >

5 Randomisierte Berechnungen (2)

Komplexitätstheorie-6

(1) Erinnerung
(2) Fehlersituation
(3) Probabilistische Turing Maschinen
(4) Klasse PP
(5) Klasse BPP
(6) Klasse RP
(7) Klasse ZPP
(8) Landkarte der probabilistischen Komplexitätsklasse

01:16:38 hours | play >

6 Polynomialzeithierarchie

Komplexitätstheorie-5

(1) Erinnerung
(2) Orakel Turing Maschinen
(3) Einige Relativierungen
(4) Aufbau der Polynomialzeithierarchie
(5) Charakterisierungen mit polynomial balancierten Relationen
(6) Logische Charakterisierung

01:21:06 hours | play >

6 Polynomialzeithierarchie (2)

Komplexitätstheorie-4

(1) Erinnerung
(2) Kollabiert Polynomialzeithierarchie?
(3) MINIMUM CIRCUIT
(4) Vollständige Probleme
(5) Verhältnis zu PSPACE
(6) Verhältnis zu BPP
(7) Landkarte der Polynomialzeithierarchie

01:15:07 hours | play >

7 Approximation

Komplexitätstheorie-1

(1) Erinnerung
(2) e-Approximation
(3) NODE-COVER
(4) MAXIMUM SATISFIABILITY
(5) Traveling Salesman Problem
(6) Knapsack
(7) Polynomiale Approximation
(8) Approximationskomplextitätsklassen

01:21:32 hours | play >

8 Polynomiale Schaltkreise

Komplexitätstheorie-2

(1) Erinnerung
(2) Definition
(3) Schaltkreiskomplexität
(4) Typische Schaltkreisgröße
(5) Schaltkreisfamilien
(6) Polynomiale Schaltkreisfamilie
(7) Uniforme Polynomiale Schaltkreise
(8) Nichtuniforme Turing Maschinen
(9) Polynomiale Schaltkreise für BPP

01:24:24 hours | play >

9 P versus NP

Komplexitätstheorie-8

(1) Landkarte von NP
(2) NP-vollständige unäre Sprachen
(3) Dünnbesetzte Sprachen
(4) Einige abschließende Bemerkungen

01:13:33 hours | play >