Prerekwizyty:

• rekursja strukturalna
• dowodzenie przez indukcję
• listy
• teoria relacji

Zapoznaliśmy się już z rekursją strukturalną, dzięki której możemy definiować proste funkcje, oraz z techniką dowodzenia przez indukcję, dzięki której możemy stwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że nasze funkcje robią to, czego od nich wymagamy. Skoro tak, to czas zapoznać się z kolejnym istotnym elementem układanki, jakim jest złożoność obliczeniowa. W tym rozdziale nauczysz się analizować proste algorytmy pod względem czasu ich działania. Poznasz też technikę, która pozwala napisać niektóre funkcje rekurencyjne w dużo wydajniejszy sposób.

Czas działania programu

Cel naszych rozważań w tym rozdziale jest prosty: chcemy zbadać, jak długo będą wykonywać się nasze programy. Jest to z pozoru proste zadanie: wystarczy włączyć zegar, odpalić program i wyłączyć zegar, gdy program się wykona. Takie podejście ma jednak spore wady, gdyż zmierzony w ten sposób czas:

• Zależy od sprzętu. Im lepszy sprzęt, tym krótszy czas.
• Jest w pewnym sensie losowy. Za każdym wykonaniem programu czas jego działania będzie nieco inny. Wobec tego musielibyśmy puszczać nasz program wielokrotnie, co spowolniłoby mierzenie czasu jego wykonania. Musielibyśmy też, zamiast "zwykłego" czasu działania, posługiwać się średnim czasem działania, co rodzi obawy natury statystycznej.
• Jest trudny do zmierzenia. Co, jeżeli wykonanie programu jest dłuższe, niż przewidywany czas istnienia wszechświata?

Wobec powyższego mierzenie czasu za pomocą zegarka należy odrzucić. Innym z pozoru dobrym pomysłem jest zastępienie pojęcia "czasu" pojęciem "ilości taktów procesora". Jednak i ono ma swoje wady:

• Zależy od sprzętu. Niektóre procesory mogą np. wykonywać wiele operacji na raz (wektoryzacja), inne zaś mają po kilka rdzeni i być może zechcą wykonać nasz kod współbieżnie na kilku z nich.
• Zależy od implementacji języka, którym się posługujemy. W Coqu jest możliwość ekstrakcji kodu do kilku innych języków (Haskell, Ocaml, Scheme), a kod wyekstraktowany do Haskella najpewniej miałby inny czas działania, niż kod wyekstraktowany do Ocamla.
• Również jest trudny do zmierzenia.

Jak widać, mierzenie czasu za pomocą taktów procesora też nie jest zbyt dobrym pomysłem. Prawdę mówiąc, wszelkie podejścia oparte na mierzeniu czegokolwiek będą się wiązały z takimi nieprzyjemnościami, jak błędy pomiaru, problemy z mierzeniem, czy potencjalna konieczność posługiwania się uśrednieniami.

Złożoność obliczeniowa

Zdecydujemy się zatem na podejście bardziej abstrakcyjne: będziemy liczyć, ile operacji wykonuje nasz program w zależności od rozmiaru danych wejściowych. Niech cię nie zmyli słowo "rozmiar": nie ma ono nic wspólnego z mierzeniem. Żeby za dużo nie gdakać, rzućmy okiem na przykład.

Tak powinna wyglądać definicja funkcji head, której napisanie było w poprzednim rozdziale jednym z twoich zadań. Pierwszym krokiem naszej analizy jest ustalenie, czym są dane wejściowe. Dane wejściowe to po prostu argumenty funkcji head, czyli A : Type oraz l : list A. Drugim krokiem jest ustalanie, które argumenty mają wpływ na czas działania funkcji i jaki jest ich rozmiar. Z pewnością wpływu na wynik nie może mieć typ A, gdyż dla każdego typu robi ona to samo — zmienia się tylko typ danych, na których operuje. Wobec tego jedynym argumentem, którego rozmiar może mieć znaczenie, jest l : list A. Kolejnym krokiem jest ustalenie, jaki jest rozmiar listy l, ale zanim będzie to w ogóle możliwe, musimy zadać sobie bardziej fundamentalne pytanie: czym właściwie jest rozmiar? Przez rozmiar rozumieć będziemy zawsze pewną liczbę naturalną, która intuicyjnie mówi nam, jak duży i skomplikowany jest dany obiekt. W przypadku typów induktywnych powinno to być dość jasne. Jako że funkcje na obiektach takich typów definiujemy przez rekursję, która stopniowo "pożera" swój argument, spodziewamy się, że obliczenie funkcji na "większym" obiekcie będzie wymagało wykonania większej ilości wywołań rekurencyjnych, co oznacza dłuższy "czas" wykonania ("czas" jest w cudzysłowie, gdyż tak naprawdę nie badamy już dosłownie czasu działania programu, a jedynie ilość wykonywanych przez niego operacji). Czymże może być rozmiar listy? Cóż, potencjalnych miar rozmiaru list jest zapewne nieskończenie wiele, ale najsensowniejszym pomysłem, który powinien od razu przyjść ci na myśl, jest jej długość (ta sama, którą obliczamy za pomocą funkcji length). W ostatnim kroku pozostaje nam policzyć na palcach, ile operacji wykonuje nasza funkcja. Pierwszą jest dopasowanie do wzorca. Druga to zwrócenie wyniku. Hmmm, czyżby nasza funkcja wykonywała tylko dwie operacje? Przypomnij sobie, że wzorce są dopasowywane w kolejności od góry do dołu. Wobec tego jeżeli lista nie jest pusta, to wykonujemy dwa dopasowania, a nie jedno. Wobec dla pustej listy wykonujemy dwie operacje, a dla niepustej trzy. Ale czy aby na pewno? A może zwrócenie wyniku nie jest operacją? A może jego koszt jest inny niż koszt wykonania dopasowania? Być może nie podoba ci się forma naszego wyniku: "jeżeli pusta to 2, jeżeli nie to 3". Powyższe wątpliwości wynikają w znacznej mierze z tego, że wynik naszej analizy jest zbyt szczegółowy. Nasze podejście wymaga jeszcze jednego, ostatniego już ulepszenia: zamiast analizy dokładnej posłużymy się analizą asymptotyczną.

Złożoność asymptotyczna

Za określeniem "złożoność asymptotyczna" kryje się prosta idea: nie interesuje nas dokładna ilość operacji, jakie program wykonuje, a tylko w jaki sposób zwiększa się ona w zależności od rozmiaru danych. Jeżeli przełożymy naszą odpowiedź na język złożoności asymptotycznej, zabrzmi ona: funkcja head działa w czasie stałym (co nieformalnie będziemy oznaczać przez O(1)). Co znaczy określenie "czas stały"? Przede wszystkim nie odnosi się ono do czasu, lecz do ilości operacji. Przywyknij do tej konwencji — gdy chodzi o złożoność, "czas" znaczy "ilość operacji". Odpowiadając na pytanie: jeżeli funkcja "działa w czasie stałym" to znaczy, że wykonuje ona taką samą ilość operacji niezależnie od rozmiaru danych. Uzyskana odpowiedź nie powinna nas dziwić — ustaliliśmy wszakże, że funkcja head oblicza wynik za pomocą góra dwóch dopasowań do wzorca. Nawet jeżeli przekażemy do niej listę o długości milion, to nie dotyka ona jej ogona o długości 999999. Co dokładnie oznacza stwierdzenie "taką samą ilość operacji"? Mówiąc wprost: ile konkretnie? O tym informuje nas nasze nieformalne oznaczenie O(1), które niedługo stanie się dla nas jasne. Przedtem jednak należy zauważyć, że istnieją trzy podstawowe sposoby analizowania złożoności asymptotycznej:

• optymistyczny, polegający na obliczeniu najkrótszego możliwego czasu działania programu
• średni, który polega na oszacowaniu przeciętnego czasu działania algorytmu, czyli czasu działania dla "typowych" danych wejściowych
• pesymistyczny, polegający na obliczeniu najgorszego możliwego czasu działania algorytmu.

Analizy optymistyczna i pesymistyczna są w miarę łatwe, a średnia — dość trudna. Jest tak dlatego, że przy dwóch pierwszych sposobach interesuje nas dokładnie jeden przypadek (najbardziej lub najmniej korzystny), a przy trzecim — przypdek "średni", a do uporania się z nim musimy przeanalizować wszystkie przypadki. Analizy średnia i pesymistyczna są w miarę przydatne, a optymistyczna — raczej nie. Optymizm należy odrzucić choćby ze względu na prawa Murphy'ego, które głoszą, że "jeżeli coś może się nie udać, to na pewno się nie uda". Wobec powyższych rozważań skupimy się na analizie pesymistycznej, gdyż ona jako jedyna z trzech możliwości jest zarówno użyteczna, jak i w miarę łatwa.

Duże O

Definicja i intuicja

Nadszedł wreszcie czas, aby formalnie zdefiniować "notację" duże O. Wziąłem słowo "notacja" w cudzysłów, gdyż w ten właśnie sposób byt ten jest nazywany w literaturze; w Coqu jednak słowo "notacja" ma zupełnie inne znaczenie, nijak niezwiązane z dużym O. Zauważmy też, że zbieżność nazwy O z identyczną nazwą konstruktora O : nat jest jedynie smutnym przypadkiem.

Zdanie O f g można odczytać jako "f rośnie nie szybciej niż g" lub "f jest asymptotycznie mniejsze od g", gdyż O jest pewną formą porządku. Jest to jednak porządek specyficzny:

• Po pierwsze, funkcje f i g porównujemy porównując wyniki zwracane przez nie dla danego argumentu.
• Po drugie, nie porównujemy ich na wszystkich argumentach, lecz jedynie na wszystkich argumentach większych od pewnego n : nat. Oznacza to, że f może być "większe" od g na skończonej ilości argumentów od 0 do n, a mimo tego i tak być od g asymptotycznie mniejsze.
• Po trzecie, nie porównujemy f n' bezpośrednio do g n', lecz do c * g n'. Można to intuicyjnie rozumieć tak, że nie interesują nas konkretne postaci funkcji f i g lecz jedynie ich komponenty najbardziej znaczące, czyli najbardziej wpływające na wynik. Przykład: jeżeli f(n) = 4n^2, a g(n) = 42n^42, to nie interesują nas stałe 4 i 42. Najbardziej znaczącym komponentem f jest n^2, zaś g — n^42.

Poszukaj w Internecie wizualizacji tej idei — ja niestety mam bardzo ograniczone możliwości osadzania multimediów w niniejszej książce (TODO: postaram się coś na to poradzić).

Złożoność formalna i nieformalna

Ostatecznie nasze nieformalne stwierdzenie, że złożoność funkcji head to O(1) możemy rozumieć tak: "ilość operacji wykonywanych przez funkcję head jest stała i nie zależy w żaden sposób od długości listy, która jest jej argumentem". Nie musimy przy tym zastanawiać się, ile dokładnie operacji wykonuje head: może 2, może 3, a może nawet 4, ale na pewno mniej niż, powiedzmy, 1000, więc taką wartość możemy przyjąć za c. To nieformalne stwierdzenie moglibyśmy przy użyciu naszej formalnej definicji zapisać jako O f (fun _ => 1), gdzie f oznaczałoby ilość operacji wykonywanych przez funkcję head. Moglibyśmy, ale nie możemy, gdyż zdania dotyczące złożoności obliczeniowej funkcji head, i ogólnie wszystkich funkcji możliwych do zaimplementowania w Coqu, nie są zdaniami Coqa (czyli termami typu Prop), lecz zdaniami o Coqu, a więc zdaniami wyrażonymi w metajęzyku (którym jest tutaj język polski). Jest to bardzo istotne spostrzeżenie, więc powtórzmy je, tym razem nieco dobitniej: jest niemożliwe, aby w Coqu udowodnić, że jakaś funkcja napisana w Coqu ma jakąś złożoność obliczeniową. Z tego względu nasza definicja O oraz ćwiczenia jej dotyczące mają jedynie charakter pomocniczy. Ich celem jest pomóc ci zrozumieć, czym jest złożoność asymptotyczna. Wszelkie dowodzenie złożoności obliczeniowej będziemy przeprowadzać w sposób tradycyjny, czyli "na kartce" (no, może poza pewną sztuczką, ale o tym później).

Ćwiczenie

Udowodnij, że O jest relacją zwrotną i przechodnią. Pokaż też, że nie jest ani symetryczna, ani słabo antysymetryczna.

Duże Omega

Omega to O z odwróconymi argumentami. Skoro O f g oznacza, że f rośnie nie szybciej niż g, to Omega g f musi znaczyć, ż g rośnie nie wolniej niż f. O oznacza więc ograniczenie górne, a Omega ograniczenie dolne.

Duże Theta

Definicja Theta f g głosi, że O f g i O g f. Przypomnijmy, że O f g możemy rozumieć jako "f rośnie asymptotycznie nie szybciej niż g", zaś O g f analogicznie jako "g rośnie asymptotycznie nie szybciej niż f". Wobec tego interpretacja Theta f g nasuwa się sama: "f i g rosną asymptotycznie w tym samym tempie". Theta jest relacją równoważności, która oddaje nieformalną ideę najbardziej znaczącego komponentu funkcji, którą posłużyliśmy się opisując intuicje dotyczące O. Parafrazując:

• O f g znaczy tyle, co "najbardziej znaczący komponent f jest mniejszy lub równy najbardziej znaczącemu komponentowi g"
• Theta f g znaczy "najbardziej znaczące komponenty f i g są sobie równe".

Ćwiczenie

Złożoność typowych funkcji na listach

Analiza nieformalna

Skoro rozumiesz już, na czym polegają O oraz Theta, przeanalizujemy złożoność typowej funkcji operującej na listach. Zapoznamy się też z dwoma sposobami na sprawdzenie poprawności naszej analizy: mimo, że w Coqu nie można udowodnić, że dana funkcja ma jakąś złożoność obliczeniową, możemy użyć Coqa do upewnienia się, że nie popełniliśmy w naszej analizie nieformalnej pewnych rodzajów błędów. Naszą ofiarą będzie funkcja length.

Oznaczmy złożoność tej funkcji w zależności o rozmiaru (długości) listy l przez T(n) (pamiętaj, że jest to oznaczenie nieformalne, które nie ma nic wspólnego z Coqiem). Jako, że nasza funkcja wykonuje dopasowanie l, rozważmy dwa przypadki:

• l ma postać []. Wtedy rozmiar l jest równy 0, a jedyne co robi nasza funkcja, to zwrócenie wyniku, które policzymy jako jedna operacja. Wobec tego T(0) = 1.
• l ma postać h :: t. Wtedy rozmiar l jest równy n + 1, gdzie n jest rozmiarem t. Nasza funkcja robi dwie rzeczy: rekurencyjnie wywołuje się z argumentem t, co kosztuje nas T(n) operacji , oraz dostawia do wyniku tego wywołania S, co kosztuje nas 1 operację. Wobec tego T(n + 1) = T(n) + 1.

Otrzymaliśmy więc odpowiedź w postaci równania rekurencyjnego T(0) = 1; T(n + 1) = T(n) + 1. Widać na oko, że T(n) = n + 1, a zatem złożoność funkcji length to O(n).

Formalne sprawdzenie

Ćwiczenie

Żeby przekonać się, że powyższy akapit nie kłamie, zaimplementuj T w Coqu i udowodnij, że rzeczywiście rośnie ono nie szybciej niż fun n => n.

Prześledźmy jeszcze raz całą analizę, krok po kroku:

• oznaczamy złożoność analizowanej funkcji przez T
• patrząc na definicję analizowanej funkcji definiujemy T za pomocą równań T(0) = 1 i T(n + 1) = T(n) + 1
• rozwiązujemy równanie rekurencyjne i dostajemy T(n) = n + 1
• konkludujemy, że złożoność analizowanej funkcji to O(n)

W celu sprawdzenia analizy robimy następujące rzeczy:

• implementujemy T w Coqu
• dowodzimy, że rozwiązaliśmy równanie rekurencyjne poprawnie
• pokazujemy, że O T (fun n => n) zachodzi

Dzięki powyższej procedurze udało nam się wyeliminować podejrzenie co do tego, że źle rozwiązaliśmy równanie rekurencyjne lub że źle podaliśmy złożoność za pomocą dużego O. Należy jednak po raz kolejny zaznaczyć, że nasza analiza nie jest formalnym dowodem tego, że funkcja length ma złożoność O(n). Jest tak dlatego, że pierwsza część naszej analizy jest nieformalna i nie może zostać w Coqu sformalizowana. Jest jeszcze jeden sposób, żeby sprawdzić naszą nieformalną analizę. Mianowicie możemy sprawdzić nasze mniemanie, że T(n + 1) = T(n) + 1, dowodząc formalnie w Coqu, że pewna wariacja funkcji length wykonuje co najwyżej n wywołań rekurencyjnych, gdzie n jest rozmiarem jej argumentu.

Pomysł jest prosty: zdefiniujemy wariację funkcji length za pomocą techniki, którą nazywam "rekursją po paliwie". W porównaniu do length, której argumentem głównym jest l : list A, length' ma jeden dodatkowy argument fuel : nat, który będziemy zwać paliwem, a który jest jej argumentem głównym Nasza rekursja wygląda tak, że każde wywołanie rekurencyjne zmniejsza zapasy paliwa o 1, ale z pozostałymi argumentami możemy robić dowolne cuda. Żeby uwzględnić możliwość wyczerpania się paliwa, nasza funkcja zwraca wartość typu option nat zamiast samego nat. Wyczerpaniu się paliwa odpowiada wynik None, zaś Some oznacza, że funkcja zakończyła się wykonywać przed wyczerpaniem się paliwa. Paliwo jest więc tak naprawdę maksymalną ilością wywołań rekurencyjnych, które funkcja może wykonać. Jeżeli uda nam się udowodnić, że dla pewnej ilości paliwa funkcja zawsze zwraca Some, będzie to znaczyło, że znaleźliśmy górne ograniczenie ilości wywołań rekurencyjnych niezbędnych do poprawnego wykonania się funkcji.

Ćwiczenie

Uwaga, trudne.

Twierdzenie to wygląda dość kryptycznie głównie ze względu na fakt, że length l jest zarówno analizowaną przez nas funkcją, jaki i funkcją obliczającą rozmiar listy l. Żeby lepiej zrozumieć, co się stało, spróbujmy zinterpretować powyższe twierdzenie. Mówi ono, że dla dowolnego A : Type i l : list A, jeżeli wywołamy length' na l dając jej S (length l) paliwa, to zwróci ona Some (length l). Innymi słowy, S (length l) paliwa to dostatecznie dużo, aby funkcja wykonała się poprawnie. Dodatkowo Some (length l) jest pewną formą specyfikacji dla funkcji length', która mówi, że jeżeli length' ma dostatecznie dużo paliwa, to wywołanie jej na l daje taki sam wynik jak length l, czyli nie pomyliliśmy się przy jej definiowaniu (chcieliśmy, żeby była to "wariacja" length, która daje takie same wyniki, ale jest zdefiniowana przez rekursję po paliwie). Na tym kończy się nasz worek sztuczek formalnych, które pomagają nam upewnić się w poprawności naszej analizy nieformalnej.

Złożoność problemu

Dotychczas zajmowaliśmy się złożonością obliczeniową funkcji. Złożoność ta oznacza faktycznie złożoność sposobu rozwiązania pewnego problemu — w naszym przypadku były to problemy zwrócenia głowy listy (funkcja head) oraz obliczenia jej długości (funkcja length). Złożoność ta nie mówi jednak nic o innych sposobach rozwiązania tego samego problemu. Być może istnieje szybszy sposób obliczania długości listy? Zajmijmy się więc przez krótką chwilę koncepcją pokrewną koncepcji złożoności obliczeniowej programu — jest nią koncepcja złożoności obliczeniowej problemu. Na początku rozdziału stwierdziliśmy, że naszym celem będzie badanie "czasu działania programu". Taki cel może jednak budzić pewien niesmak: dlaczego mielibyśmy robić coś takiego? Czas (także w swym informatycznym znaczeniu, jako ilość operacji) jest cennym zasobem i nie chcielibyśmy używać go nadaremnie ani marnować. Jeżeli poznamy złożoność obliczeniową zarówno problemu, jak i jego rozwiązania, to będziemy mogli stwierdzić, czy nasze rozwiązanie jest optymalne (w sensie asymptotycznym, czyli dla instancji problemu, w której rozmiary argumentów są bardzo duże). Na nasze potrzeby zdefiniujmy złożoność problemu jako złożoność najszybszego programu, który rozwiązuje ten problem. Podobnie jak pojęcie złożoności obliczeniowej programu, jest niemożliwe, aby pojęcie to sformalizować w Coqu, będziemy się więc musieli zadowolić dywagacjami nieformalnymi. Zacznijmy od head i problemu zwrócenia głowy listy. Czy można to zrobić szybciej, niż w czasie stałym? Oczywiście nie. Czas stały to najlepsze, co możemy uzyskać (zastanów się przez chwilę nad tym, dlaczego tak jest). Oczywiście należy to zdanie rozumieć w sensie asymptotycznym: jeżeli chodzi o dokładną złożoność, to różne funkcje działające w czasie stałym mogą wykonywać różną ilość operacji — zarówno "jeden" jak i "milion" oznaczają czas stały. Wobec tego złożoność problemu zwrócenia głowy listy to O(1). A co z obliczaniem długości listy? Czy można to zrobić szybciej niż w czasie O(n)? Tutaj również odpowiedź brzmi "nie". Jest dość oczywiste, że w celu obliczenia długość całej listy musimy przejść ją całą. Jeżeli przejdziemy tylko pół, to obliczymy długość jedynie połowy listy.

Przyspieszanie funkcji rekurencyjnych

Złożoność rev

Przyjrzyjmy się złożoności funkcji rev.

Oznaczmy szukaną złożoność przez T(n). Z przypadku gdy l jest postaci [] uzyskujemy T(0) = 1. W przypadku gdy l jest postaci h :: t mamy wywołanie rekurencyjne o koszcie T(n); dostawiamy też h na koniec odwróconego ogona. Jaki jest koszt tej operacji? Aby to zrobić, musimy przebyć rev t od początku do końca, a więc koszt ten jest równy długości listy l. Stąd T(n + 1) = T(n) + n. Pozostaje nam rozwiązać równanie. Jeżeli nie potrafisz tego zrobić, dla prostych równań pomocna może być strona https://www.wolframalpha.com/. Rozwijając to równanie mamy T(n) = n + (n - 1) + (n - 2) + ... + 1, więc T jest rzędu O(n^2). A jaka jest złożoność problemu odwracania listy? Z pewnością nie można tego zrobić, jeżeli nie dotkniemy każdego elementu listy. Wobec tego możemy ją oszacować z dołu przez Omega(n). Z taką sytuacją jeszcze się nie spotkaliśmy: wiemy, że asymptotycznie problem wymaga Omega(n) operacji, ale nasze rozwiązanie wykonuje O(n^2) operacji. Być może zatem możliwe jest napisanie funkcji rev wydajniej.

Pamięć

Przyjrzyj się jeszcze raz definicji funkcji rev. Funkcja rev nie ma pamięci — nie pamięta ona, jaką część wyniku już obliczyła. Po prostu wykonuje dopasowanie na swym argumencie i wywołuje się rekurencyjnie. Funkcję rev będziemy mogli przyspieszyć, jeżeli dodamy jej pamięć. Na potrzeby tego rozdziału nie będziemy traktować pamięci jak zasobu, lecz jako pewną abstrakcyjną ideę. Przyjrzyjmy się poniższej, alternatywnej implementacji funkcji odwracającej listę.

Funkcja rev_aux to serce naszej nowej implementacji. Mimo, że odwraca ona listę l, ma aż dwa argumenty — poza l ma też argument acc : list A, który nazywać będziemy akumulatorem. To właśnie on jest pamięcią tej funkcji. Jednak jego "bycie pamięcią" nie wynika z jego nazwy, a ze sposobu, w jaki użyliśmy go w definicji rev_aux. Gdy rev_aux natrafi na pustą listę, zwraca wartość swego akumulatora. Nie powinno nas to dziwić — wszakże ma w nim zapamiętany cały wynik (bo zjadła już cały argument l). Jeżeli napotyka listę postaci h :: t, to wywołuje się rekurencyjnie na ogonie t, ale z akumulatorem, do którego dostawia na początek h.

Widzimy więc na własne oczy, że rev_aux rzeczywiście odwraca listę. Robi to przerzucając swój argument główy kawałek po kawałku do swojego akumulatora — głowa l trafia do akumulatora na samym początku, a więc znajdzie się na samym jego końcu, gdyż przykryją ją dalsze fragmenty listy l.

Trochę cię okłamałem twierdząc, że rev_aux odwraca l. Tak naprawdę oblicza ona odwrotność l z doklejonym na końcu akumulatorem. Tak więc wynik zwracany przez rev_aux zależy nie tylko od l, ale także od akumulatora acc. Właściwą funkcję rev' uzyskujemy, inicjalizując wartość akumulatora w rev_aux listą pustą.

Ćwiczenie

Udowodnij poprawność funkcji rev'.

Skoro już wiemy, że udało nam się poprawnie zdefiniować rev', czyli alternatywne rozwiązanie problemu odwracania listy, pozostaje nam tylko sprawdzić, czy rzeczywiście jest ono szybsze niż rev. Zanim dokonamy analizy, spróbujemy sprawdzić naszą hipotezę empirycznie — w przypadku zejścia z O(n^2) do O(n) przyspieszenie powinno być widoczne gołym okiem.

Ćwiczenie

Zdefiniuj funkcje to0, gdzie to0 n jest listą liczb od n do 0. Udowodnij poprawność zdefiniowanej funkcji.

Nasze mierzenie przeprowadzić możemy za pomocą komendy Time. Odwrócenie listy 2000 elementów na moim komputerze zajęło rev 7.73 sekundy, zaś rev' 3.67 sekundy, a więc jest ona w tym przypadku ponad dwukrotnie szybsza. Należy jednak zaznaczyć, że empiryczne próby badania szybkości programów w Coqu nie są dobrym pomysłem, gdyż nie jest on przystosowany do szybkiego wykonywania programów — jest on wszakże głównie asystentem dowodzenia. Zakończmy analizą teoretyczną złożoności rev'. Oznaczmy czas działania rev_aux przez T(n). Dla [] zwraca ona jedynie akumulator, a zatem T(0) = 1. Dla h :: t przekłada ona głowę argumentu do akumulatora i wywołuje się rekurencyjnie, czyli T(n + 1) = T(n) + 1. Rozwiązując równanie rekurencyjne dostajemy T(n) = n + 1, a więc złożoność rev_aux to O(n). Jako, że rev' wywołuje rev_aux z pustym akumulatorem, to również jej złożoność wynosi O(n).

Podsumowanie

W tym rozdziale postawiliśmy sobie za cel mierzenie "czasu" działania programu. Szybko zrezygnowaliśmy z tego celu i zamieniliśmy go na analizę złożonóści obliczeniowej, choć bezpośrednie mierzenie nie jest niemożliwe. Nauczyliśmy się analizować złożoność funkcji rekurencyjnych napisanych w Coqu, a także analizować złożoność samych problemów, które owe funkcje rozwiązują. Poznaliśmy też kilka sztuczek, w których posłużyliśmy się Coqiem do upewnienia się w naszych analizach. Następnie porównując złożoność problemu odwracania listy ze złożonością naszego rozwiązania zauważyliśmy, że moglibyśmy rozwiązać go wydajniej. Poznaliśmy abstrakcyjne pojęcie pamięci i przyspieszyliśmy za jego pomocą funkcję rev. Zdobytą wiedzę będziesz mógł od teraz wykorzystać w praktyce — za każdym razem, kiedy wyda ci się, że jakaś funcja "coś wolno działa", zbadaj jej złożoność obliczeniową i porównaj ze złożonością problemu, który rozwiązuje. Być może uda ci się znaleźć szybsze rozwiązanie.