\newcommand{\todo}[1]{{\bf TODO:} #1}
\newcommand{\qed}{\hfill $\Box$ \par \bigskip}
+\newcommand{\oes}[1]{\ensuremath{\operatorname{OES}(#1)}}
+\newcommand{\bs}[1]{\ensuremath{\operatorname{BS}(#1)}}
+\newcommand{\ps}[1]{\ensuremath{\operatorname{PS}(#1)}}
+\newcommand{\oem}[1]{\ensuremath{\operatorname{OEM}(#1)}}
+\newcommand{\bm}[1]{\ensuremath{\operatorname{BM}(#1)}}
+
\newtheorem{definition}{Definition}
\newtheorem{satz}{Satz}
gegebenes Komparatornetzwerk zu finden ist nach heutigem Kenntnisstand jedoch
nicht \emph{effizient} möglich.
-Beispielsweise sortiert das Komparatornetzwerk in
-Abbildung~\ref{fig:09-e2-c24-allbut1} viele der 362.880 möglichen
-Eingabepermutationen. Mit dem Gegenbeispiel $(3, 5, 2, 1, 0, 7, 4, 8, 6)$
-lässt sich jedoch leicht beweisen, dass das Komparatornetzwerk die
-Sortiereigenschaft \emph{nicht} besitzt, da es in diesem Fall die Folge
-$(1, 0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)$ ausgibt.
+Beispielsweise sortiert das im Rahmen dieser Arbeit entdeckte
+Komparatornetzwerk in Abbildung~\ref{fig:09-e2-c24-allbut1} viele der 362.880
+möglichen Eingabepermutationen. Mit dem Gegenbeispiel $(3, 5, 2, 1, 0, 7, 4,
+8, 6)$ lässt sich jedoch leicht beweisen, dass das Komparatornetzwerk die
+Sortiereigenschaft \emph{nicht} besitzt, da es in diesem Fall die Folge $(1,
+0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)$ ausgibt.
Insgesamt gibt es $n!$~Permutationen von $n$~Elementen. Wenn ein
Komparatornetzwerk die Sortiereigenschaft besitzt, bildet es alle diese
Permutationen schon bei 16~Leitungen praktisch nicht mehr zu bewerkstelligen
ist.\footnote{1.307.674.368.000 Permutationen}
+\label{sect:0-1-prinzip}
Glücklicherweise reicht es aus, alle möglichen 0-1-Folgen zu überprüfen, wie
\textit{Donald~E. Knuth} in \cite{KNUTH} zeigt. Die Beweisidee ist folgende:
Angenommen ein Komparatornetzwerk sortiert alle 0-1-Folgen und es gibt eine
\end{displaymath}
auf eine 0-1-Folge abgebildet werden, die entsprechen der Annahme vom
Komparatornetzwerk sortiert wird. Allerdings verändert diese Abbildung das
-Verhalten jedes einzelnen Komparators nicht, so dass die Annahme auf einen
-Widerspruch geführt wird.
+Verhalten jedes einzelnen Komparators nicht: Wenn bei der Permutation eine
+Zahl größer als $a_i$ und eine Zahl kleiner oder gleich $a_i$ verglichen
+wurden, liegen jetzt entsprechend eine Null und eine Eins an, die genauso
+vertauscht werden oder nicht, wie das bei der Permutation der Fall war. Liegen
+zwei Nullen oder zwei Einsen an, entsprechen sie zwei Zahlen kleiner als $a_i$
+oder zwei Zahlen größer oder gleich $a_i$. Da im Fall der 0-1-Folge zwei
+gleiche Zahlen am Komparator anliegen, dürfen wir davon ausgehen, dass sich
+der Komparator so verhält, wie er sich bei der Permutation verhalten hat --
+ohne das Ergebnis zu beeinflussen. Entsprechend kommen an den Ausgängen $i-1$
+und $i$ eine Null und eine Eins in der falschen Reihenfolge an. Das steht im
+Widerspruch zu der Annahme, dass alle 0-1-Folgen sortiert werden.
Im Gegensatz zum Überprüfen aller möglichen Permutationen, was der
Komplexitätsklasse
und das Maximum auf die oberste Leitung eines Standard-Sortiernetzwerks,
führen beide Reihenfolgen zum selben Ergebnis.
-\textit{Moritz Mühlenthaler} zeigt in seiner Arbeit (\todo{Referenz}), dass es
+\textit{Moritz Mühlenthaler} zeigt in seiner Arbeit~\cite{M2009}, dass es
möglich ist, mehrere Eingänge gleichzeitig mit Minimum beziehungsweise Maximum
vorzubelegen. Dadurch wird die Anzahl der möglichen Schnittmuster reduziert,
die Menge der so erzeugbaren Sortiernetzwerke bleibt aber unverändert. Die
Zu einem vollständigen evolutionären Algorithmus gehört außerdem die Mutation
--~eine zufällige Veränderung einer Lösung. Leider ist es nicht möglich ein
-Sortiernetzwerk zufällig zu verändern aber trotzdem die Sortiereigenschaft zu
+Sortiernetzwerk zufällig zu verändern und dabei die Sortiereigenschaft zu
erhalten. Selbst das \emph{Hinzufügen} eines zufälligen Komparators kann diese
Eigenschaft zerstören.
Nach einer Mutation müsste man überprüfen, ob das neue Komparatornetzwerk die
Sortiereigenschaft noch besitzt. Nach heutigem Wissenstand ist diese
Überprüfung nur mit exponentiellem Aufwand möglich, etwa durch das
-Ausprobieren aller $2^n$~Bitmuster.
+Ausprobieren aller $2^n$~Bitmuster, wie in Abschnitt~\ref{sect:0-1-prinzip}
+beschrieben.
-Um das Potenzial einer Mutation abzuschätzen habe ich in den evolutionären
-Algorithmus eine Überprüfung eingebaut. Unmittelbar vor dem Einfügen in die
-Population überprüft das Programm die Notwendigkeit jedes einzelnen
-Komparators. Dazu wurde nacheinander jeder Komparator entfernt und überprüft,
-ob das verbleibende Netzwerk die Sortiereigenschaft noch besitzt.
+Um das Potenzial einer Mutation abzuschätzen wurde in \textsc{SN-Evolution}
+eine Überprüfung eingebaut: Unmittelbar vor dem Einfügen in die Population
+überprüft eine Funktion die Notwendigkeit jedes einzelnen Komparators. Dazu
+wird nacheinander jeder Komparator entfernt und überprüft, ob das verbleibende
+Netzwerk die Sortiereigenschaft noch besitzt.
-\begin{itemize}
-\item Güte von Sortiernetzwerken (Anzahl der Komparatoren, Anzahl der
-Schichten, kobiniert)
-\item Rekombination: Merge Anhängen und Leitungen entfernen.
-\end{itemize}
+Trotz des hohen Rechenaufwandes -- bei 16-Sortiernetzwerken sind gut
+4~Millionen Tests notwendig, um alle Komparatoren zu überprüfen -- waren die
+Ergebnisse ernüchternd: Nach circa 1~Million Iterationen mit
+16-Sortiernetzwerken fand der so modifizierte Algorithmus keinen einzigen
+Komparator, den er hätte entfernen können.
-Ein Beispielnetzwerk, das von dem Algorithmus gefunden wird, zeigt
-Abbildung~\ref{fig:evolutionary_08}.
+\subsection{Güte}
-\begin{figure}
-\begin{center}
-\input{images/evolutionary-08.tex}
-\end{center}
-\caption{Ein mit dem evolutionären Algorithmus erzeugtes Sortiernetzwerk mit
-acht Eingängen. Es besteht aus 19~Komparatoren in 6~Schichten.}
-\label{fig:evolutionary_08}
-\end{figure}
+Die Qualität der erreichten Sortiernetzwerke wurde mit eine Gütefunktion
+beurteilt, die entsprechend dem im Abschnitt~\ref{sect:bewertung}
+vorgestellten Muster definiert ist. Wie beschrieben müssen die Faktoren häufig
+an die aktuelle Problemgröße angepasst werden, damit \textsc{SN-Evolution}
+schnell gute Ergebnisse liefert. Als guter Standardansatz haben sich die
+folgenden Werte herausgestellt:
+\begin{eqnarray*}
+w_{\mathrm{Basis}} &=& 0 \\
+w_{\mathrm{Komparatoren}} &=& 1 \\
+w_{\mathrm{Schichten}} &=& \left|S\right|_\mathrm{Leitungen}
+\end{eqnarray*}
-\begin{figure}
-\begin{center}
-\input{images/08-e2-1237993371.tex}
-\end{center}
-\caption{{\tt images/08-e2-1237993371.tex}: 19~Komparatoren in 6~Schichten}
-\label{fig:08-e2-1237993371}
-\end{figure}
+\subsection{Versuche mit dem bitonen Mischer}
\begin{figure}
-\begin{center}
-\input{images/09-e2-1237997073.tex}
-\end{center}
-\caption{{\tt images/09-e2-1237997073.tex}: 25~Komparatoren in 8~Schichten}
-\label{fig:09-e2-1237997073}
+ \begin{center}
+ \input{images/16-e1-bitonic-1296542566.tex}
+ \end{center}
+ \caption{Sortiernetzwerk mit 16~Leitungen und 67~Komparatoren in
+ 10~Schichten. Das Netzwerk wurde von dem Algorithmus
+ \textsc{SN-Evolution} unter Verwendung des \emph{bitonen Mischers}
+ erzeugt.}
+ \label{fig:16-e1-bitonic-1296542566}
\end{figure}
-\begin{figure}
-\begin{center}
-\input{images/09-e2-1237999719.tex}
-\end{center}
-\caption{{\tt images/09-e2-1237999719.tex}: 25~Komparatoren in 7~Schichten}
-\label{fig:09-e2-1237999719}
-\end{figure}
+Verwendet man den \emph{bitonen Mischer} in der Rekombinationsphase von
+\textsc{SN-Evolution}, so erhält man Netzwerke wie das in
+Abbildung~\ref{fig:16-e1-bitonic-1296542566} dargestellte: Der Algorithmus
+wurde mit dem \emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk als triviale
+Initiallösung gestartet. Das Ergebnis ist ein Netzwerk, das effizienter ist
+als das bitone Mergesort-Netzwerk: $\operatorname{BS}(16)$ benötigt
+80~Komparatoren, das Sortiernetzwerk in
+Abbildung~\ref{fig:16-e1-bitonic-1296542566} benötigt lediglich~67.
+
+\subsection{Versuche mit dem Odd-Even-Mischer}
\begin{figure}
-\begin{center}
-\input{images/10-e2-1239014566.tex}
-\end{center}
-\caption{{\tt images/10-e2-1239014566.tex}: 29~Komparatoren in 8~Schichten}
-\label{fig:10-e2-1239014566}
+ \begin{center}
+ \input{images/16-e1-oddeven-1296543330.tex}
+ \end{center}
+ \caption{Sortiernetzwerk mit 16~Leitungen und 63~Komparatoren in
+ 10~Schichten. Das Netzwerk wurde von dem Algorithmus
+ \textsc{SN-Evolution} unter Verwendung des \emph{Odd-Even-Mischers}
+ erzeugt.}
+ \label{fig:16-e1-oddeven-1296543330}
\end{figure}
-\subsection{Güte}
+Leider lies sich das Ergebnis des bitonen Mischers -- das von
+\textsc{SN-Evolution} ausgegebene Netzwerk war effizienter als das rekursiv
+aus dem verwendeten Mischer aufgebaute Sortiernetzwerk -- mit dem
+\emph{Odd-Even-Mischer} nicht wiederholen. Zwar erreichen die
+Sortiernetzwerke, die \textsc{SN-Evolution} unter Verwendung des
+\emph{Odd-Even-Mischers} findet, das \emph{Odd-Even-Mergesort}-Netzwerk
+bezüglich Schnelligkeit und Effizienz, ein Beispiel hierfür ist in
+Abbildung~\ref{fig:16-e1-oddeven-1296543330} zu sehen. Ein Netzwerk, das
+$\operatorname{OES}(n)$ in mindestens einem Merkmal übertrifft, konnte jedoch
+nicht beobachtet werden.
\begin{itemize}
-\item So gut kann man mindestens werden {\em ($\rightarrow$ Bitonic-Mergesort, vermute ich)}.
-\item Wie gut die Netzwerke werden, hängt stark vom verwendeten \em{Mischer} ab.
+\item Güte von Sortiernetzwerken (Anzahl der Komparatoren, Anzahl der Schichten, kombiniert)
+\item Wie gut die Netzwerke werden, hängt stark vom verwendeten \emph{Mischer} ab.
\item Ggf. Abschnitt „Shmoo-Äquivalenz“ kürzen und hier einbauen.
+\item Möglicherweise: Verwende den rekursiven Aufbau des \emph{Pairwise-Sorting}-Netzwerks um Sortiernetzwerke zu mergen.
\end{itemize}
+%\begin{figure}
+%\begin{center}
+%\input{images/08-e2-1237993371.tex}
+%\end{center}
+%\caption{{\tt images/08-e2-1237993371.tex}: 19~Komparatoren in 6~Schichten}
+%\label{fig:08-e2-1237993371}
+%\end{figure}
+%
+%\begin{figure}
+%\begin{center}
+%\input{images/09-e2-1237997073.tex}
+%\end{center}
+%\caption{{\tt images/09-e2-1237997073.tex}: 25~Komparatoren in 8~Schichten}
+%\label{fig:09-e2-1237997073}
+%\end{figure}
+%
+%\begin{figure}
+%\begin{center}
+%\input{images/09-e2-1237999719.tex}
+%\end{center}
+%\caption{{\tt images/09-e2-1237999719.tex}: 25~Komparatoren in 7~Schichten}
+%\label{fig:09-e2-1237999719}
+%\end{figure}
+%
+%\begin{figure}
+%\begin{center}
+%\input{images/10-e2-1239014566.tex}
+%\end{center}
+%\caption{{\tt images/10-e2-1239014566.tex}: 29~Komparatoren in 8~Schichten}
+%\label{fig:10-e2-1239014566}
+%\end{figure}
+
%\input{shmoo-aequivalenz.tex}
\newpage
strukturell identisch zu $\operatorname{PS}(8)$ sind -- lediglich die
Schichten~1 und~2 sowie 4~und~5 sind vertauscht.
-\begin{displaymath}
-\textit{Eingang}_i = \left\{ \begin{array}{rl}
- -\infty & \quad \textrm{falls } i \operatorname{mod} 8 \in \{0, 6\} \\
- \infty & \quad \textrm{falls } i \operatorname{mod} 8 \in \{2, 4\} \\
- ? & \quad \mathrm{sonst}
- \end{array} \right.
-\end{displaymath}
-
\begin{figure}
\begin{center}
\input{images/32-pairwise-cut-16-pairwise.tex}
\label{fig:ps16-from-ps32}
\end{figure}
+Für das \emph{Pairwise-Sorting-Netzwerk} ist es vergleichsweise einfach
+regelmäßige Schnittmuster anzugeben, die aus dem Netzwerk einen kleineres
+schnelles und effizientes Sortiernetzwerk erzeugen. Beispielsweise führt das
+einfache Schnittmuster
+\begin{displaymath}
+\textit{Eingang}_i = \left\{ \begin{array}{rl}
+ -\infty & \quad \textrm{falls } i < \frac{1}{4} n \\
+ \infty & \quad \textrm{falls } i \geqq \frac{3}{4} n \\
+ ? & \quad \mathrm{sonst}
+ \end{array} \right.
+\end{displaymath}
+für $\operatorname{PS}\left(n = 2^d\right)$ zum Sortiernetzwerk
+$\operatorname{PS}\left(\frac{1}{2}n\right)$. Die Art und Weise, mit der
+dieses Schnittmuster Komparatoren eliminiert und welche Komparatoren das
+verbleibende Netzwerk ausmachen, ist in Abbildung~\ref{fig:ps16-from-ps32}
+dargestellt. Die matt blauen und roten Leitungen und Komparatoren sind
+diejenigen, die Aufgrund eines Minimums oder eines Maximums im resultierenden
+Netzwerk nicht mehr enthalten sind. Da die Minima und Maxima bereits auf den
+„richtigen“ Leitungen angelegt werden, müssen keine Leitungen vertauscht
+werden und das Ergebnis ist bereits normalisiert. Daher ist das resultierende
+Netzwerk in schwarz gut zu erkennen.
+
\begin{figure}
\begin{center}
\input{images/16-pairwise.tex}
\label{fig:16-pairwise}
\end{figure}
-Wendet man \textsc{SN-Evolution-Cut} auf $\operatorname{PS}(16)$ an, so kann
-man $\operatorname{OES}(8)$ erhalten.
+Ein Spezialfall ergibt sich, wenn man \textsc{SN-Evolution-Cut} auf
+$\operatorname{PS}(16)$ anwendet: In diesem Fall kann man durch ein
+8-Schnittmuster das \emph{Odd-Even-Mergesort}-Netzwerk \oes{8} erhalten. Für
+größere Sortiernetzwerke ist dies hingegen nicht mehr möglich, beispielsweise
+kann $\operatorname{PS}(32)$ nicht durch ein 16-Schnittmuster in \oes{16}
+konvertiert werden. Die Verwandschaft von $\operatorname{PS}(n)$ und \oes{n}
+untersucht \textit{Moritz Mühlenthaler} ausführlich in~\cite{M2009}.
\subsection{Versuche mit dem Odd-Even-Mergesort-Netzwerk}
-\todo{Schreibe noch etwas zum Odd-Even-Mergesort-Netzwerk.}
+In Abschnitt~\ref{sect:anzahl_schnittmuster} wurde bereits untersucht, wie
+viele \emph{unterschiedliche} Schnittmuster die konstruktiven Sortiernetzwerke
+$\operatorname{OES}(32)$, $\operatorname{BS}(32)$ und $\operatorname{PS}(32)$
+besitzen. Eines der Ergebnisse war, dass von diesen Sortiernetzwerken das
+\emph{Odd-Even-Mergesort}-Netzwerk die wenigsten unterschiedlichen
+16-Schnittmuster besitzt -- nur etwa $5,2$~Millionen. Entsprechend ist es
+wenig verwunderlich, dass \textsc{SN-Evolution-Cut} gestartet mit
+$\operatorname{OES}(32)$ sehr schnell ein gutes 16-Schnittmuster findet.
-\begin{itemize}
- \item Beispiel: Moritz und Rolfs Optimierung für Bitonic-Sort.
- \item Wie gut kann man durch wegschneiden werden?
- \item Wieviele Schnitte ergeben das selbe Netzwerk? Oder andersrum: Wieviele
- unterschiedliche Netzwerke kann ich erhalten? Wieviele Nachfolger hat ein
- Netzwerk / Knoten in der Markov-Kette?
- \item Abschnitt „Optimierung der Schnitte“ hier einbauen.
-\end{itemize}
+Eines der eher zufälligen Schnittmuster ist $\operatorname{MIN}(1, 6, 11, 14,
+17, 23, 26, 29)$, $\operatorname{MAX}(2, 7, 8, 13, 18, 21, 27, 31)$. Das
+Schnittmuster ist in Abbildung~\ref{fig:16-ec-from-oes32-cut} veranschaulicht,
+das resultierende Netzwerk ist in Abbildung~\ref{fig:16-ec-from-oes32} zu sehen.
+
+\begin{figure}
+ \begin{center}
+ \input{images/16-ec-from-oes32-cut.tex}
+ \end{center}
+ \caption{Visualisierung eines 16-Schnittmusters, das auf
+ $\operatorname{OES}(32)$ angewendet wieder ein schnelles und effizientes
+ Sortiernetzwerk ergibt.}
+ \label{fig:16-ec-from-oes32-cut}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}
+ \begin{center}
+ \input{images/16-ec-from-oes32.tex}
+ \end{center}
+ \caption{16-Sortiernetzwerk mit 63~Komparatoren in 10~Schichten.
+ Das Netzwerk wurde von dem Algorithmus \textsc{SN-Evolution-Cut} aus dem
+ \emph{Odd-Even-Mergesort-Netzwerk} $\operatorname{OES}(32)$ durch
+ 16~Schnitte erzeugt.}
+ \label{fig:16-ec-from-oes32}
+\end{figure}
\newpage
\section{Der \textsc{SN-Markov}-Algorithmus}
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