\newcommand{\ps}[1]{\ensuremath{\operatorname{PS}(#1)}}
\newcommand{\oem}[1]{\ensuremath{\operatorname{OEM}(#1)}}
\newcommand{\bm}[1]{\ensuremath{\operatorname{BM}(#1)}}
+\newcommand{\oet}[1]{\ensuremath{\operatorname{OET}(#1)}}
\newtheorem{definition}{Definition}
\newtheorem{satz}{Satz}
Das Sortiernetzwerk basiert auf einem Komparatornetzwerk, welches zwei
sortierte Listen zusammenfügen (englisch: \textit{to~merge}) kann. Dieser
-\emph{„bitoner Mischer“} (englisch: \textit{bitonic merger}) genannte Baustein
+\emph{„bitone Mischer“} (englisch: \textit{bitonic merger}) genannte Baustein
verleiht dem Sortiernetzwerk seinen Namen.
Da das Sortiernetzwerk rekursiv definiert ist, betrachten wir hier nur die
\subsubsection{Der bitone Mischer}\label{sect:der_bitone_mischer}
-Das \emph{bitone Mergesort-Netzwerk} basiert auf dem sogenannten \emph{bitonen
-Mischer} $\operatorname{BM}(n)$, einem Kom\-parator-Netzwerk, das eine beliebige
-\emph{bitone Folge} in eine sortierte Listen umordnen kann. Eine \emph{bitone
-Folge} ist eine monoton steigende Folge gefolgt von einer monoton absteigenden
-Folge, oder ein zyklischer Shift davon. Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton}
-zeigt die vier prinzipiellen Möglichkeiten die durch zyklische Shifts
-entstehen können. Die wichtigsten Varianten für das \emph{bitone
-Mergesort-Netzwerk} zeigen die Abbildungen~\ref{fig:beispiel-biton-0}
-und~\ref{fig:beispiel-biton-1}. Sie erhält man, wenn man eine aufsteigend und
-eine absteigend sortierte Liste aneinanderhängt. Bei den anderen beiden Formen
-ist wichtig zu beachten, dass das letzte Element nicht größer
-(Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton-2}) bzw. kleiner
-(Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton-3}) als das erste Element der Folge sein
-darf.
+Das \emph{bitone Mergesort}-Netzwerk basiert auf dem sogenannten \emph{bitonen
+Mischer} $\operatorname{BM}(n)$, einem Kom\-parator-Netzwerk, das eine
+beliebige \emph{bitone Folge} in eine sortierte Listen umordnen kann. Eine
+\emph{bitone Folge} ist eine monoton steigende Folge gefolgt von einer monoton
+absteigenden Folge, oder ein zyklischer Shift davon.
+Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton} zeigt die vier prinzipiellen Möglichkeiten
+die durch zyklische Shifts entstehen können. Die wichtigsten Varianten für das
+\emph{bitone Mergesort}-Netzwerk zeigen die
+Abbildungen~\ref{fig:beispiel-biton-0} und~\ref{fig:beispiel-biton-1}. Sie
+erhält man, wenn man eine aufsteigend und eine absteigend sortierte Liste
+aneinanderhängt. Bei den anderen beiden Formen ist wichtig zu beachten, dass
+das letzte Element nicht größer (Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton-2}) bzw.
+kleiner (Abbildung~\ref{fig:beispiel-biton-3}) als das erste Element der Folge
+sein darf.
\begin{figure}
\centering
\begin{center}
\input{images/batcher-8.tex}
\end{center}
- \caption{$\operatorname{BS}(8)$, Batchers {\em bitones Mergesort-Netzwerk}
- für acht Eingänge. Markiert sind die beiden Instanzen von
- $\operatorname{BS}(4)$ (rot), die beiden bitonen
- Mischer~$\operatorname{BM}(4)$ (blau) und die Komparatoren, die im letzten
+ \caption{\bs{8}, Batchers \emph{bitones Mergesort}-Netzwerk für acht
+ Eingänge. Markiert sind die beiden Instanzen von \bs{4} (rot), die beiden
+ bitonen Mischer~\bm{4} (blau) und die Komparatoren, die im letzten
rekursiven Schritt hinzugefügt wurden (grün).}
\label{fig:bitonic-08}
\end{figure}
Komprimierung durchgeführt werden.
\subsection{Normalisieren}
+\label{sect:normalisieren}
\begin{figure}
\centering
\begin{figure}
\centering
- \subfigure[foo]{\input{images/oe-transposition-cut0.tex}\label{fig:oe-transposition-cut0}}
- \subfigure[bar]{\input{images/oe-transposition-cut1.tex}\label{fig:oe-transposition-cut1}}
- \subfigure[baz]{\input{images/oe-transposition-cut2.tex}\label{fig:oe-transposition-cut2}}
- \subfigure[qux]{\input{images/oe-transposition-cut3.tex}\label{fig:oe-transposition-cut3}}
+ \subfigure[Auf der Leitung~4 wird $-\infty$ angelegt. Dadurch ist der Pfad
+ durch das Sortiernetzwerk eindeutig festgelegt.]{\input{images/oe-transposition-cut0.tex}\label{fig:oe-transposition-cut0}}
+ \subfigure[Komparatoren, die einen wechsel der Leitungen bewirken, werden
+ durch sich kreuzende Leitungen ersetzt.]{\input{images/oe-transposition-cut1.tex}\label{fig:oe-transposition-cut1}}
+ \subfigure[Leitung~4 wurde entfernt. Übrig bleibt ein Sortiernetzwerk mit
+ 7~Leitungen.]{\input{images/oe-transposition-cut2.tex}\label{fig:oe-transposition-cut2}}
+ \subfigure[Die Leitungen wurden wieder gerade eingezeichnet und die
+ Komparatoren regelmäßig angeordnet. Blau eingezeichnet ist \oet{7}.]{\input{images/oe-transposition-cut3.tex}\label{fig:oe-transposition-cut3}}
\caption{Eine Leitung wird aus dem
- \emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk $\operatorname{OET}(8)$ entfernt:
- Auf der rot markierten Leitung wird $\infty$ angelegt. Da der Wert bei jedem
- Komparator am unteren Ende herauskommt, ist der Pfad fest vorgegeben. Da die
- restlichen Werte trotzdem noch richtig sortiert werden müssen, kann dieser
- Pfad herausgetrennt werden. In der letzten Abbildung ist
- $\operatorname{OET}(7)$ markiert.}
+ \emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk \oet{8} entfernt: Auf der rot
+ markierten Leitung wird $-\infty$ angelegt. Da der Wert bei jedem Komparator
+ am unteren Ende herauskommt, ist der Pfad fest vorgegeben. Da die restlichen
+ Werte trotzdem noch richtig sortiert werden müssen, kann dieser Pfad
+ herausgetrennt werden. In der letzten Abbildung ist \oet{7} markiert.}
\label{fig:oe-transposition-cut}
\end{figure}
getroffen. Entsprechend müssen die verbleibenden Ausgänge eine sortierte Liste
mit $(n-1)$~Elementen darstellen.
-Wenn wir die Minimum- beziehungsweise Maximum-Leitung entfernen
-(Abbildung~\ref{fig:oe-transposition-cut2}), bleibt das Sortiernetzwerk für
-$(n-1)$~Leitungen übrig. Je nachdem, ob auf einer Leitung ein Minimum oder ein
-Maximum angenommen wird, bezeichnen wir das eliminieren einer Leitung als
-\emph{Minimum-Schnitt} beziehungsweise \emph{Maximum-Schnitt}.
+Wenn man die Minimum- beziehungsweise Maximum-Leitung entfernt, wie in
+Abbildung~\ref{fig:oe-transposition-cut2} dargestellt, bleibt das
+Sortiernetzwerk für $(n-1)$~Leitungen übrig. Je nachdem, ob auf einer Leitung
+ein Minimum oder ein Maximum angenommen wird, bezeichnen wir das eliminieren
+einer Leitung als \emph{Minimum-Schnitt} beziehungsweise
+\emph{Maximum-Schnitt}.
Die letzte Abbildung, \ref{fig:oe-transposition-cut3}, zeigt das
Sortiernetzwerk wieder mit den üblichen geraden Leitungen und die rot
markierten Komparatoren wurden verschoben, so dass sich eine kompaktere
Darstellung ergibt. Ausserdem ist das
-{\em Odd-Even-Transpositionsort-Netzwerk} für sieben Werte markiert. Der
-zusätzliche Komparator vor dem $\textrm{OET}(7)$ hat keinen Einfluss auf die
-Ausgabe und kann entfernt werden.
+\emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk für sieben Werte markiert. Der
+zusätzliche Komparator vor dem \oet{7} hat keinen Einfluss auf die Ausgabe und
+kann entfernt werden.
+
+Durch das Ersetzen von Komparatoren durch gekreuzte Leitungen werden häufig
+\emph{Nicht-Standard-Sortiernetzwerke} erzeugt. Im Anschluss an einen
+\emph{Schnitt} empfiehlt es sich deshalb, das Sortiernetzwerk zu
+\emph{normalisieren}, wie in Abschnitt~\ref{sect:normalisieren} beschrieben.
\subsubsection{Anzahl möglicher und unterschiedlicher Schnittmuster}
\label{sect:anzahl_schnittmuster}
Der Eliminierungsschritt kann iterativ angewandt werden, um aus einem
Sortiernetzwerk mit $n$~Ein\-gängen Sortiernetzwerke mit $n-1$, $n-2$,
$n-3$,~\dots Eingängen zu erzeugen. Insbesondere können auf diese Art und
-Weise einen Sortiernetzwerke mit $2n$~Eingängen wieder auf Sortiernetzwerke
-mit $n$~Eingängen reduziert werden. $k$~Minimum- und Maximum-Schnitte, die
+Weise Sortiernetzwerke mit $2n$~Eingängen auf Sortiernetzwerke mit
+$n$~Eingängen reduziert werden. $k$~Minimum- und Maximum-Schnitte, die
nacheinander angewendet ein $n$-Sortiernetzwerk auf ein
${(n-k)}$-Sortiernetz\-werk reduzieren, bezeichnen wir als
\emph{$k$-Schnittmuster}.
Algorithmus wurden zu einer Reihe von „interessanten“ Netzwerken möglichst
gute Schnittmuster gesucht.
-Der \textsc{SN-Evolution-Cut}-Algorithmus verwendet die \emph{Schnittmuster},
-die in Abschnitt~\ref{sect:anzahl_schnittmuster} definiert wurden, als
-Individuen. Um zwei Individuen zu rekombinieren werden die ersten $r$~Schnitte
-des einen Schnittmusters verwendet und die letzten ${c-r}$~Schnitte des
-zweiten Schmittmusters. $r$ ist eine Zufallsvariable mit $0 \leqq r \leqq c$.
+Der \textsc{SN-Evolution-Cut}-Algorithmus verwendet \emph{Schnittmuster}, die
+in Abschnitt~\ref{sect:anzahl_schnittmuster} definiert wurden, als Individuen.
+Um zwei Individuen zu rekombinieren werden die ersten $r$~Schnitte des einen
+Schnittmusters verwendet und die letzten ${c-r}$~Schnitte des zweiten
+Schmittmusters. $r$ ist eine Zufallsvariable mit $0 \leqq r \leqq c$.
Die Mutation setzt entweder die Leitungs-Nummer eines Schnitts~$i$ zufällig
auf einen neuen Wert $l$ mit $0 \leqq l \le n-i$ oder invertiert die
Wie in Abschnitt~\ref{sect:anzahl_schnittmuster} beschrieben, ist die Anzahl
der \emph{unterschiedlichen} Schnittmuster und damit die Anzahl der Nachfolger
sehr groß. Bei den untersuchten 16-Sortiernetzwerken lag die Anzahl der
-Nachfolger zwar noch unter 20.000, bei den untersuchten 32-Sortiernetzwerken
-wurden jedoch bereits bis zu $2,6 \cdot 10^8$ unterschiedliche Schnittmuster
-geschätzt.
+Nachfolger zwar noch unter 20.000, bei den untersuchten
+32-Sortier\-netz\-werken wurden jedoch bereits bis zu $2,6 \cdot 10^8$
+unterschiedliche Schnittmuster geschätzt.
Der Algorithmus {\sc SN-Markov} legt auf diesem Nachfolger-Graph einen
zufälligen Weg (englisch: \textit{random walk}) zurück. Er startet auf einem
gib Netzwerk zurück
\end{verbatim}
-Die Abbildungen~\ref{fig:markov-comparators-12},
-\ref{fig:markov-comparators-14}, \ref{fig:markov-comparators-12},
-\ref{fig:markov-comparators-16} und~\ref{fig:markov-comparators-18} zeigen die
-Anzahl der Komparatoren der Sortiernetzwerke, die \textsc{SN-Markov} auf
-seinem zufälligen Pfad durchläuft. Ausserdem eingezeichnet ist eine
-\emph{Gamma-Verteilung}.
+Die Graphen in Abbildung~\ref{fig:markov-comparators} zeigen die Anzahl der
+Komparatoren der Sortiernetzwerke, die \textsc{SN-Markov} auf seinem
+zufälligen Pfad durchläuft (rot). Für jeden Graphen wurde der
+\textsc{SN-Markov}-Algorithmus auf einem entsprechenden
+\emph{Odd-Even-Transporitionsort}-Netzwerk gestartet hat mindestens
+1.000.000~Iterationen durchlaufen. In jedem Schritt wurde die Anzahl der
+Komparatoren des Sortiernetzwerks bestimmt und ein entsprechender Zähler
+erhöht. In Abbildung~\ref{fig:markov-comparators} ist die resultierende
+prezenturale Verteilung zu sehen.
+
+Ebenfalls in die Graphen in Abbildung~\ref{fig:markov-comparators}
+eingezeichnet ist eine \emph{Gamma-Verteilung} (grün), die die gemessenen
+Daten gut annähert. Die Gamma-Verteilung verwendet einen Offset~$\delta$, der
+um Eins kleiner als die kleinste erreichte Komparatorzahl gewählt wurde.
+Beispielsweise war die kleinste erreichte Komparatorzahl bei
+16-Sortiernetzwerken~63, entsprechend wurde der Offset $\delta = 63 - 1$
+gesetzt und die Gamma-Verteilung $g(x - 62)$ eingezeichnet. Die Parameter $k$
+und $\theta$, die eine Gamma-Verteilung charakterisieren, wurden mit einem
+Fitting-Algorithmus bestimmt. Der konkrete Offset ist als Parameter~$\delta$
+unter den Graphen angegeben.
\begin{figure}
\begin{center}
\end{itemize}
\begin{figure}
- \begin{center}
- \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-12-pct.pdf}
- \end{center}
- \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 12~Leitungen),
- die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
- \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 40)$ mit $k = 8,267$ und $\theta = 0,962$.}
- \label{fig:markov-comparators-12}
-\end{figure}
-
-\begin{figure}
- \begin{center}
- \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-14-pct.pdf}
- \end{center}
- \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 14~Leitungen),
- die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
- \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 52)$ mit $k = 9,522$ und $\theta = 0,867$.}
- \label{fig:markov-comparators-14}
+ \centering
+ \subfigure[12 Leitungen, $k = 8,267$, $\theta = 0,962$, $\delta = 40$]{\includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=7cm]{images/markov-comparators-12-pct.pdf}}
+ \subfigure[14 Leitungen, $k = 9,522$, $\theta = 0,867$, $\delta = 52$]{\includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=7cm]{images/markov-comparators-14-pct.pdf}}
+ \subfigure[16 Leitungen, $k = 17,939$, $\theta = 1,091$, $\delta = 62$]{\includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=7cm]{images/markov-comparators-16-pct.pdf}}
+ \subfigure[18 Leitungen, $k = 10,724$, $\theta = 0,766$, $\delta = 81$]{\includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=7cm]{images/markov-comparators-18-pct.pdf}}
+ \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken,
+ die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden (rot). Ebenfalls eingezeichnet
+ ist jeweils eine \emph{Gamma-Verteilung} (grün), die eine gute Näherung der
+ gemessenen Daten darstellt.}
+ \label{fig:markov-comparators}
\end{figure}
\begin{figure}
\begin{center}
- \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-16-pct.pdf}
+ \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/comparison-comparators-16.pdf}
\end{center}
- \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 16~Leitungen),
- die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
- \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 62)$ mit $k = 17,939$ und $\theta = 1,091$.}
- \label{fig:markov-comparators-16}
+ \caption{Anzahl der Komparatoren, die 16-Sortiernetzwerke von
+ \textsc{SN-Markov} und \textsc{SN-Evolution} (mit dem
+ \emph{Odd-Even-Mischer} und dem \emph{bitonen Mischer}) gesaßen.}
+ \label{fig:comparison-comparators}
\end{figure}
-\begin{figure}
- \begin{center}
- \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-18-pct.pdf}
- \end{center}
- \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 18~Leitungen),
- die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
- \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 81)$ mit $k = 10,724$ und $\theta = 0,766$.}
- \label{fig:markov-comparators-18}
-\end{figure}
+%\begin{figure}
+% \begin{center}
+% \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-14-pct.pdf}
+% \end{center}
+% \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 14~Leitungen),
+% die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
+% \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 52)$ mit $k = 9,522$ und $\theta = 0,867$.}
+% \label{fig:markov-comparators-14}
+%\end{figure}
+%
+%\begin{figure}
+% \begin{center}
+% \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-16-pct.pdf}
+% \end{center}
+% \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 16~Leitungen),
+% die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
+% \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 62)$ mit $k = 17,939$ und $\theta = 1,091$.}
+% \label{fig:markov-comparators-16}
+%\end{figure}
+%
+%\begin{figure}
+% \begin{center}
+% \includegraphics[viewport=0 0 425 262,width=15cm]{images/markov-comparators-18-pct.pdf}
+% \end{center}
+% \caption{Anzahl der Komparatoren von Sortiernetzwerken (mit 18~Leitungen),
+% die von {\sc SN-Markov} durchlaufen wurden. Grün eingezeichnet ist die
+% \emph{Gamma-Verteilung} $f(x - 81)$ mit $k = 10,724$ und $\theta = 0,766$.}
+% \label{fig:markov-comparators-18}
+%\end{figure}
\newpage
\section{Ausblick}
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