MP
ÉCOLE POLYTECHNIQUE
FILIÈRE
OPTION INFORMATIQUE
CONCOURS D'ADMISSION 2008
COMPOSITION D'INFORMATIQUE
(Durée : 4 heures)
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
Le langage de programmation choisi par le candidat doit être spécifié en tête
de la copie.
Structure de corde
La majorité des langages de programmation fournissent une notion primitive de
chaînes de caractères. Si ces chaînes s'avèrent adaptées à la manipulation de
mots ou de textes relativement
courts, elles deviennent généralement inutilisables sur de très grands textes.
L'une des raisons de
cette inefficacité est la duplication d'un trop grand nombre de caractères lors
des opérations de
concaténation ou d'extraction d'une sous-chaîne. Or il existe des domaines où
la manipulation efficace de grandes chaînes de caractères est essentielle
(représentation du génôme en bio-informatique,
éditeurs de texte, etc.). Ce problème aborde une alternative à la notion
usuelle de chaîne de caractères connue sous le nom de corde. Une corde est tout
simplement un arbre binaire, dont les feuilles
sont des chaînes de caractères usuelles et dont les noeuds internes
représentent des concaténations.
Ainsi la corde
représente le mot GATTACCATAGATTAC, obtenu par concaténation des cinq mots
GATTAC, CAT, AG,
ATT et AC. L'intérêt des cordes est d'offrir une concaténation immédiate et un
partage possible de
caractères entre plusieurs chaînes, au prix d'un accès aux caractères un peu
plus coûteux.
La partie I traite de fonctions préliminaires sur les mots. La partie II
définit les principales
opérations sur les cordes. Enfin, les parties III et IV étudient le problème de
l'équilibrage des
cordes, selon deux algorithmes différents dont le second, l'algorithme de
Garsia-Wachs, est optimal.
Les parties peuvent être traitées indépendamment. La partie IV utilise les
notations de la
partie III.
Partie I.
Préliminaires sur les mots
On considère les mots dans construits sur un alphabet . Le mot x = a0 a1 · · ·
an-1 de longueur n est représenté dans ce problème par la liste des entiers
codant ses caractères a0 , a1 , . . .
an-1 . Ainsi le mot ATT est représenté par une liste h65, 84, 84i. Pour ne pas
dépendre du codage des
caractères, on identifie les caractères et leurs codes. Le type des mots est
défini par :
1
(* Caml *)
type mot == int list ; ;
{ Pascal }
type mot = ^cellule ; cellule = record
lettre : integer ; suite : mot ; end ;
En Pascal la liste vide est nil et on pourra utiliser la fonction suivante pour
construire des mots :
function nouveauMot(a:integer; x:mot) : mot;
var r : mot;
begin new(r); r^.lettre := a; r^.suite := x; nouveauMot := r; end;
Question 1 Écrire la fonction longueurMot qui calcule la longueur d'un mot.
(* Caml *) longueurMot : mot -> int
{ Pascal } function longueurMot(x : mot) : integer
Question 2 Écrire la fonction iemeCar qui prend en arguments un entier i et un
mot x =
a0 a1 . . . an-1 , et qui renvoie le caractère ai . On supposera 0 i < n. (* Caml *) iemeCar : int -> mot -> int
{ Pascal } function iemeCar(i : integer ; x : mot) : integer
Question 3 Écrire la fonction prefixe qui prend en arguments un entier k et un
mot x =
a0 a1 . . . an-1 , et qui renvoie le mot a0 a1 . . . ak-1 c'est-à-dire le mot
constitué des k premiers caractères de x. On supposera 0 k n.
(* Caml *) prefixe : int -> mot -> mot
{ Pascal } function prefixe(k : integer ; x : mot) : mot
Question 4 Écrire la fonction suffixe qui prend en arguments un entier k et un
mot x =
a0 a1 . . . an-1 , et qui renvoie le mot ak ak+1 . . . an-1 c'est-à-dire le mot
obtenu en supprimant les k
premiers caractères de x. On supposera 0 k n.
(* Caml *) suffixe : int -> mot -> mot
{ Pascal } function suffixe(k : integer ; x : mot) : mot
Partie II.
Opérations sur les cordes
Comme expliqué dans l'introduction, une corde est un arbre binaire dont les
feuilles sont des
mots. Plus précisément, une corde est soit vide, soit constituée d'un unique
mot (une feuille), soit
un noeud constitué de deux cordes et représentant leur concaténation. Pour des
raisons d'efficacité,
on conserve dans les feuilles aussi bien que dans les noeuds la longueur de la
corde correspondante.
On définit donc le type corde suivant :
(* Caml *)
type corde =
| Vide
| Feuille of int*mot
| Noeud of int*corde*corde ; ;
{ Pascal }
type corde = ^arbre ; nature = (Feuille, Noeud) ;
arbre = record case indicateur : nature of
Feuille : (n :integer ; x :mot) ;
Noeud : (n :integer ; g, d :corde) ; end ;
2
En Pascal la corde vide est représentée par nil.
Dans la suite, on garantira l'invariant suivant sur les cordes :
dans une corde de la forme Feuille(n, x), on a n = longueurMot(x) et n > 0 ;
dans une corde de la forme Noeud(n, c1 , c2 ), on a c1 6= Vide, c2 6= Vide et
n est la longueur
totale de la corde, c'est-à-dire la somme des longueurs de c1 et c2 .
On notera en particulier que la corde de longueur 0 est nécessairement
représentée par Vide.
Question 5 Écrire la fonction longueur qui renvoie la longueur d'une corde.
(* Caml *) longueur : corde -> int
{ Pascal } function longueur(c : corde) : integer
Question 6 Écrire la fonction nouvelleCorde qui construit une corde à partir
d'un mot.
(* Caml *) nouvelleCorde : mot -> corde
{ Pascal } function nouvelleCorde(m : mot) : corde
Question 7 Écrire la fonction concat qui construit la concaténation de deux
cordes.
(* Caml *) concat : corde -> corde -> corde
{ Pascal } function concat(c1 : corde ; c2 : corde) : corde
Question 8 Écrire la fonction caractere qui prend en arguments un entier i et
une corde c
représentant le mot a0 a1 · · · an-1 , et qui renvoie le caractère ai . On
supposera 0 i < n. (* Caml *) caractere : int -> corde -> int
{ Pascal } function caractere(i : integer ; c : corde) : integer
Question 9 Écrire la fonction sousCorde qui prend en arguments un entier i, un
entier m
et une corde c représentant le mot a0 a1 · · · an-1 , et qui renvoie une corde
représentant le mot
ai ai+1 · · · ai+m-1 c'est-à-dire la sous-corde de c débutant au caractère i et
de longueur m. On supposera 0 i < i + m n. (* Caml *) sousCorde : int -> int -> corde -> corde
{ Pascal } function sousCorde(i : integer ; m : integer ; c : corde) : corde
On s'attachera à réutiliser dans la corde résultat autant de sous-arbres de la
corde c que possible.
Partie III.
Équilibrage
Le hasard des concaténations peut amener une corde à se retrouver
déséquilibrée, c'est-à-dire à
avoir certaines de ses feuilles très éloignées de la racine et donc d'accès
plus coûteux. Le but de
cette partie est d'étudier une stratégie de rééquilibrage a posteriori.
Considérons une corde c composée de k + 1 feuilles, et donc de k noeuds
internes. Notons ces
k + 1 feuilles x0 , x1 , . . . xk lorsqu'on les considère de la gauche vers la
droite, si bien que c représente
3
le mot x0 x1 . . . xk . La profondeur de la feuille xi dans c est notée prof(xi
) et est définie comme la
distance de xi à la racine de c. Voici un exemple de corde pour k = 5 où la
profondeur de chaque
feuille est indiquée entre parenthèses :
(1)
(3)
(3)
(4)
(3)
(4)
Le coût de l'accès à un caractère de la feuille xi est défini comme la
profondeur de cette feuille
dans c, soit prof(xi ) (on ne considère donc pas le coût de l'accès dans le mot
xi lui-même). Le coût
total d'une corde est alors défini comme la somme des coûts d'accès à tous ses
caractères, et vaut
donc
Coût(c) =
k
X
longueurMot(xi ) × prof(xi )
i=0
Un rééquilibrage consiste à construire une corde différente, dont les feuilles
sont x0 , x1 . . . xk dans
le même ordre (le mot représenté ne doit pas changer) et dont le coût est,
éventuellement, meilleur.
L'algorithme proposé est le suivant.
On considère un tableau file de cordes dans lequel les feuilles de c vont être
successivement
insérées dans le sens des indices croissants. Les cases d'indices 0 et 1 ne
sont pas utilisées. La case
d'indice i contient soit la corde vide (Vide), soit une corde de hauteur
inférieure ou égale à i - 2 et
dont la longueur est comprise dans l'intervalle [Fi , Fi+1 [ où Fi désigne le
i-ème terme de la suite de
Fibonacci. La hauteur d'une corde c, notée hauteur(c), est la profondeur
maximale de ses feuilles,
c'est-à-dire :
hauteur(Vide) = 0
hauteur(Feuille(n, x)) = 0
hauteur(Noeud(n, c1 , c2 )) = 1 + max{hauteur(c1 ), hauteur(c2 )}
Pour équilibrer la corde c dont les feuilles sont les mots x0 , x1 , . . . xk ,
dans cet ordre, on procède
ainsi :
1. On insère successivement chaque feuille xj dans le tableau file à partir de
la case 2. L'insertion
d'une feuille, et plus généralement d'une corde, à partir de la case d'indice i
se fait ainsi :
(a) La corde à insérer est concaténée à droite de la corde se trouvant dans la
case i ; soit c
le résultat. Si la longueur de c est comprise dans l'intervalle [Fi , Fi+1 [,
on affecte c à la
case i et on a terminé l'insertion de cette corde.
(b) Sinon, on affecte Vide à la case i et on retourne à l'étape (a) pour
effectuer l'insertion
de c à partir de la case d'indice i + 1.
On garantit l'invariant suivant : après l'insertion de la feuille xj , la
concaténation successive
de toutes les cordes contenues dans les cases de file, considérées dans le sens
des indices
décroissants, est égale à une corde représentant le mot x0 x1 . . . xj .
2. Le résultat est alors la corde résultant de la concaténation successive de
toutes les cordes de
file, considérées dans le sens des indices décroissants.
4
Question 10 Calculer le résultat de cet algorithme sur la corde de l'exemple
précédent.
Question 11 On rappelle que la suite de Fibonacci (Fn ) est définie par
F0 = 0,
F1 = 1,
F
n+2 = Fn+1 + Fn
pour n 0.
Afin d'éviter tout débordement arithmétique en calculant Fn , on limite la
taille de file à 44 cases
indexées de 0 à 43 (les cases 0 et 1 n'étant pas utilisées). On introduit la
constante tailleMax = 44
et on calcule les valeurs de Fn pour 0 n tailleMax une fois pour toutes dans
un tableau fib
ainsi déclaré :
{ Pascal }
(* Caml *)
let tailleMax = 44 ; ;
const tailleMax = 44 ;
let fib = make_vect (tailleMax+1) 0 ; ; var fib :array[0..tailleMax] of integer
;
Écrire la fonction initialiserFib qui initialise le tableau fib.
Question 12 Le tableau file utilisé par l'algorithme est déclaré comme un
tableau global contenant des cordes :
{ Pascal }
(* Caml *)
let file = make_vect tailleMax Vide ; ; var file :array[0..tailleMax-1] of
corde ;
Écrire la fonction inserer qui prend en arguments une corde c et un entier i,
tels que
2 i < tailleMax, hauteur(c) i - 2 et longueur(c) Fi , et réalise l'insertion de c dans le tableau file à partir de la case d'indice i. (* Caml *) inserer : corde -> int -> unit
{ Pascal } procedure inserer(c : corde ; i : integer)
Question 13 Montrer que l'invariant hauteur(ci ) i - 2 et longueur(ci ) Fi
est préservé par
cette fonction pour toutes les valeurs ci non vides des cases du tableau file
(2 i < tailleMax). Question 14 Écrire la fonction equilibrer qui réalise l'équilibrage d'une corde par l'algorithme ci-dessus. (* Caml *) equilibrer : corde -> corde
{ Pascal } function equilibrer(c : corde) : corde
Question 15 Soit c une corde non vide renvoyée par la fonction equilibrer
ci-dessus. Soit n sa
longueur et h sa hauteur. Montrer que l'on a
n Fh+1
En déduire qu'il existe une constante K (indépendante de n) telle que
Coût(c) n (log (n) + K)
où est le nombre d'or (1 + 5)/2 et log désigne le logarithme à base . On
admettra que l'on a
Fi+1 i / 5 pour tout i 0.
5
Partie IV.
Équilibrage optimal
Bien que satisfaisant en pratique, l'équilibrage étudié dans la partie
précédente n'est pas optimal.
Le but de cette partie est d'étudier une stratégie optimale de rééquilibrage
(algorithme de GarsiaWachs). Les notations sont celles de la partie III.
L'algorithme proposé procède en deux temps :
il commence par construire une corde de coût minimal, ayant les mêmes feuilles
que c mais pas
nécessairement dans le même ordre ; puis, dans un deuxième temps, il transforme
cette corde en une
autre de même coût où les feuilles sont maintenant dans le même ordre que dans
c.
La première partie de l'algorithme opère sur une liste de cordes q = hq0 , q1 ,
. . . qm i et procède
de la manière suivante :
1. Initialement, la liste q est la liste hx0 , x1 , . . . xk i des k + 1
feuilles de c.
2. Tant que la liste q contient au moins deux éléments, on effectue l'opération
suivante :
(a) Déterminer le plus petit indice i tel que
longueur(qi-1 ) longueur(qi+1 )
le cas échéant, et poser i = m sinon.
(b) Ôter qi-1 et qi de la liste q et former leur concaténation ; soit c la
corde obtenue.
(c) Déterminer le plus grand indice j < i tel que longueur(qj-1 ) longueur(c ) le cas échéant, et poser j = 0 sinon. (d) Insérer c dans la liste q juste après qj-1 (et donc au début de la liste q si j = 0). 3. Le résultat est l'unique élément restant dans la liste q. Il est clair que le résultat de cet algorithme est une corde ayant les mêmes feuilles que c mais que ces feuilles ne sont pas nécessairement dans le bon ordre. On admettra le résultat suivant : l'arbre obtenu est de coût minimal. Question 16 Pour simplifier le codage, on suppose que le nombre k de feuilles est inférieur à une certaine valeur (ici maxf = 1000) et que la liste q est représentée dans un tableau global q : (* Caml *) let maxf = 1000 ; ; let q = make_vect maxf Vide ; ; { Pascal } const maxf :integer = 1000 ; var q :array[0..maxf-1] of corde ; Écrire la fonction initialiserQ qui prend en argument une corde c, remplit les k + 1 premiers éléments de q avec les feuilles x0 , . . . , xk de c (c'est-à-dire des cordes de la forme Feuille), et renvoie la valeur de k. On supposera c 6= Vide. (* Caml *) initialiserQ : corde -> int
{ Pascal } function initialiserQ(c : corde) : integer
On admettra avoir effectué le reste de l'algorithme ci-dessus et avoir donc
écrit une fonction
phase1 qui prend en argument une corde c et renvoie la corde obtenue par
l'algorithme ci-dessus.
(* Caml *) phase1 : corde -> corde
{ Pascal } function phase1(c : corde) : corde
6
La deuxième étape de l'algorithme procède ainsi. Soit c1 la corde obtenue à
l'issue de la première
étape de l'algorithme. Chaque feuille xi de c se trouve dans c1 à une certaine
profondeur ; notons
pi cette profondeur. On admet la propriété suivante : il existe une corde c2
dont les feuilles sont
exactement x0 , x1 , . . . xk dans cet ordre et où la profondeur de chaque xi
est exactement pi . On peut
alors construire c2 en ne connaissant que les pi , et c2 est dès lors un
rééquilibrage optimal de c.
Question 17 Les profondeurs pi seront stockées dans un tableau global prof :
(* Caml *)
let prof = make_vect maxf 0 ; ;
{ Pascal }
var prof :array[0..maxf-1] of
integer ;
Écrire la fonction initialiserProf qui prend en argument les cordes c et c1 et
range dans le
tableau prof, à l'indice i, la profondeur de la feuille xi (de c) dans c1 pour
0 i k. On pourra
avantageusement réutiliser le tableau q et la fonction initialiserQ.
(* Caml *) initialiserProf : corde -> corde -> unit
{ Pascal } procedure initialiserProf(c : corde ; c1 : corde)
Indication : on admettra que, pour comparer les feuilles de c et c1 , on peut
utiliser l'égalité fournie
par le langage, i.e. le symbole =.
Question 18 Écrire la fonction reconstruire qui construit c2 à partir de la
seule donnée des
tableaux q et prof. Attention : pour des profondeurs pi quelconques, il
n'existe pas nécessairement
de corde où chaque xi a la profondeur pi . On demande ici un algorithme qui
fonctionne uniquement
sous l'hypothèse qu'une telle corde existe (ce qui est le cas ici).
(* Caml *) reconstruire : unit -> corde
{ Pascal } function reconstruire : corde
Question 19
Combiner les fonctions ci-dessus pour obtenir une fonction de rééquilibrage
optimal.
(* Caml *) equilibrerOpt : corde -> corde
{ Pascal } function equilibrerOpt(c : corde) : corde
7
