Otimização com ábacos

Semana passada ficou pronta mais uma réplica da Máquina de Diferenças n°2 do Babbage. Essa é a segunda a ser construída a partir da especificação original, pesa 5 toneladas, e ficará em exposição no Computer History Museum de Mountain View (que eu visitei no ano passado).

Construir a partir da especificação original é um bocado caro, e reservado só pra museus e milionários mesmo. Porém, isso não impediu um hobbysta de criar sua própria máquina de diferenças usando LEGO, o que chega a ser até mais impressionante. Pra quem quiser simular a máquina de diferenças apenas em software, pode tentar o problema CMPLS no spoj, que é exatamente isso.

O que talvez não seja muito óbvio é que, apesar de usar apenas processamento mecânico, a máquina de diferenças é um computador digital (ela possui um clock, dado pela rotação de um eixo interno, e executa uma adição com carry a cada quatro rotações). Já os computadores analógicos podem ser bem mais bizarros, como o computador de sabão do post anterior.

Computadores analógicos possuem uma vantagem sobre os digitais: não estão presos aos mesmos limites computacionais. É bastante simples construir, por exemplo, um circuito, utilizando amplificadores operacionais, que resolva equações diferenciais complexas em tempo bem inferior a um computador digital (embora o processo prejudique a precisão).

Um exemplo mais curioso é o problema da ordenação de um conjunto de números. É possível demonstrar que um computador digital, usando como elemento básico de computação a comparação de dois valores, não pode ser melhor que O(n log n) (essa demostração está em qualquer livro básico de algoritmos, como o Cormen). Mas os computadores analógicos não tem essa restrição, sendo que existe até mesmo um algoritmo que resolve em O(1)!

Uma implementação simples desse algoritmo é com ábacos: primeiro você dispõe os números que você quer ordenar na base unária, como estão os números 2, 4, 1, 3, 3 na figura abaixo:


Depois, basta levantar o ábaco e deixar a gravidade fazer seu serviço:

Impressionante, não? Os números ficam perfeitamente ordenados. Apesar de ser um truque muito simples, esse método só foi inventado em 2002. No paper original, os autores chamam o método de Bead Sort e sugerem, além da implementação com ábacos, outras implementações (com redes resistivas, autômatos celulares e matrizes de flip-flops).

Como o Bead Sort usa operações analógicas, não dá pra analisar de verdade a complexidade computacional dele. Quando fazemos análises de big-oh, queremos saber quantos passos o algoritmo leva pra terminar, e o Bead Sort tem só um passo (levantar o ábaco), sendo que nesse aspecto ele é O(1) mesmo. Mas intuitivamente, o que queremos quando fazemos análise de complexidade é descobrir como o tempo de execução varia com o tamanho da entrada. Desse ponto de vista, a complexidade é O(sqrt(n)), se você considerar o tempo que uma bolinha leva pra ser puxada pela gravidade (no vácuo), ou então O(n), se você levar em conta que a bolinha vai atingir uma velocidade terminal devido à resistência do ar.

Otimização com água e sabão

Ano passado fui pela primeira vez à Estação Ciência, em São Paulo, e fiquei espantado com a qualidade. Eu já visitei o Natural History Museum de Londres, e o American Museum of Natural History em New York, então eu digo, com conhecimento de causa, que a Estação Ciência não fica nada a dever aos museus de ciência do primeiro mundo. Tem dinossauros, planetário, simulador de terremoto, e até simulador de tsunami (que não tinha nos museus lá de cima).

Na verdade, o museu brasileiro tem uma vantagem sobre os outros. Por lá, a média é de, mais ou menos, uns quarenta visitantes por guia, e aqui a média é de três guias por visitante! Se você tiver bastante tempo pra visitar, os guias irão lhe dar explicações extremamente detalhadas das exposições.

A minha predileta foi na seção de matemática experimental, onde fizemos a experiência do sabão. Você pega duas placas paralelas quaisquer, coloca quatro pregos nelas, e mergulha num balde de água com sabão. Eu estava esperando que o sabão grudasse nos pregos e fizesse um quadrilátero, mas na verdade o que ele faz é uma estrutura em duplo Y:

(Você pode fazer em casa esse experimento, mas para melhores resultados, coloque um pouco de glicerina na água. Experimente também com outras quantidades de pregos, e com figuras tridimensionais).

A explicação é que o sabão, como bom sistema físico, vai procurar a posição de energia mínima, que nesse caso é equivalente a minimizar a soma dos comprimentos da película. Anedoticamente, esse problema é conhecido como o problema da estrada (como ligar quatro cidades com estradas, gastando a menor quantidade possível de asfalto?), e a solução ótima é conhecida como Steiner Tree.

À primeira vista pode parecer que a Steiner Tree é equivalente à Minimum Spanning Tree, mas não é. Pra calcular a spanning tree, você só pode usar os pontos do grafo, já na Steiner tree você pode adicionar pontos novos. Isso faz uma diferença enorme na complexidade: existem algoritmos quase lineares para resolver a spanning tree, já a Steiner tree é NP-completa.

Na verdade, há quem diga que isso é uma prova de que P=NP, como os autores desse paper no Arxiv. Segundo eles, existe um computador analógico feito com sabão que resolve um problema NP-completo em tempo polinomial, logo P=NP :)

Pra quem quiser brincar com Steiner trees, o problema ELC do spoj pede pra resolver uma instância com 3k pontos. Como isso é demais para um brute force, você vai ter que aproximar: por exemplo, iterando a partir de uma spanning tree; ou então, calculando a triangulação de Delaunay e depois resolvendo a Steiner tree local de cada triângulo.