% Document must be built with XeLaTeX
% License and source at https://github.com/Syndamia/latex-projects
\documentclass[12pt,a4paper]{article}

\usepackage{pgfplots}  
\pgfplotsset{height=8cm, width=10cm}  

\usepackage{fontspec} % loaded by polyglossia, but included here for transparency 
\usepackage{polyglossia}
\setmainlanguage{russian} % alternative for lack of bulgarian support
\setotherlanguage{english}
\addto\captionsrussian{
  \renewcommand{\contentsname}{Съдържание}
  \renewcommand{\refname}{Източници}
}
\newfontfamily\russianfont{Times New Roman}

\bibliographystyle{plain}

\title{Статистическо изследване върху алгоритми за сортиране}
\author{Камен Димитров Младенов}
\date{23 Януари 2021}

\begin{document}

\maketitle
\begin{center}
{\fontsize{10pt}{4}\selectfont https://github.com/Syndamia/latex-projects/tree/main/Statistical\%20analysis\%20of\%20sorting\%20algorithms}
\end{center}
\tableofcontents

\newpage

\section{Същност и избор на темата}

Сортиращият алгоритъм е един от най-важните аспекти на програмирането в днешно време. 
Чрез него, дадени елементи могат да бъдат подредени в нарастваща (или намаляваща) последователност, което намира употреба във всичко от новинарски сайтове и социални медии, до видео игри и операционни системи.

Този тип алгоритъм бива изследван практически от началото на компютърната наука - най-ранните сортиращи алгоритми се забелязват през 1951, а анализиране на Bubble Sort, може би най-известния сортиращ алгоритъм, бива извършено още през 1957.\cite{wikipedia_sorting_algorithm_history}

В днешно време има десетки и стотици алгоритми, което дълбоко усложнява изборът на обикновения програмист. 
Затова тази статия се стреми да сравни главните им характеристики.

\section{Избор на алгоритми и разглеждани харакетристики}

Избраните алгоритми за сравнение са подбрани от Toptal\cite{toptal}. Този сайт не е в никакъв случай решаващо място за най-известни алгоритми, но за целите на този документ е достатъчен. 

Избраните алгоритми са:

\begin{itemize}
\item Shell Sort
\item Merge Sort
\item Heap Sort
\item Quick Sort
\end{itemize}

Данни относно характеристиките им ще бъдат взети от Toptal\cite{toptal} и от warp.povusers.org\cite{comparing_algorithms}. Отново, тези сайтове не са решаващи източници на която и да е от данните, но са достатъчни. 

Избрани характеристики:

\begin{itemize}
\item Сложност
\item Скорост
\item Брой сравнения
\item Брой записвания
\end{itemize}

\newpage

\section{Представителна извадка}

Разглеждайки дадените източници, можем да извадим следните стойности:
\begin{center}
\begin{tabular}{|c|c c c c|}
	\hline
	Име на алгоритъм & Сложност & Скорост & Брой сравнения & Брой записвания \\[3pt]
	\hline\hline
	Shell Sort & 6666 & 0.71 & 101319 & 136506 \\[3pt]
	Merge Sort & 18494 & 0.67 & 56823 & 70000 \\[3pt]
	Heap Sort & 18494 & 0.59 & 107688 & 171318 \\[3pt]
	Quick Sort & 18494 & 0.60 & 95321 & 42888 \\[3pt]
	\hline
\end{tabular}
\end{center}

Важни бележки отностно вземането на тези данни: 
\begin{itemize}
\item сложността е изчислена при горната граница (O) с 5000 елемента
\item скоростта, броят сравнения и броят записвания са взети при сравнение на 5000 случайно разбъркани целочислени числа с минимални повторения помежду им\cite{comparing_algorithms}
\item скоростта (както записано в warp.povusers.org\cite{comparing_algorithms}) е в милисекунди
\item в ситуации на неизвестна или променлива абсолютна максимална сложност, се използва тази сложност, която дава най-висока стойност
\end{itemize}

\section{Статистика на данните}

Снабдени с данни, вече можем да правим статистически анализ върху тях. Следващите подраздели показват с таблици и диаграми различни свойства и съотношения на тази информация.

\subsection{Вариационни редове}

\begin{center}
\begin{tabular}{|c|c c c c|}
	\hline
	 & Shell sort & Merge Sort & Heap Sort & Quick Sort \\[3pt]
	Сложност & 6666 & 18494 & 18494 & 18494 \\[3pt]
	\hline\hline
	 & Heap sort & Quick Sort & Merge Sort & Shell Sort \\[3pt]
	Скорост & 0.59 & 0.60 & 0.67 & 0.71 \\[3pt]
	\hline\hline
	 & Merge sort & Quick Sort & Shell Sort & Heap Sort \\[3pt]
	Брой сравнения & 56823 & 95321 & 101319 & 107688 \\[3pt]
	\hline\hline
	 & Quick sort & Merge Sort & Shell Sort & Heap Sort \\[3pt]
	Брой записвания & 42888 & 70000 & 136506 & 171318 \\[3pt]
	\hline
\end{tabular}
\end{center}

\subsection{Мода, медиана, средна стойност}

\begin{center}
\begin{tabular}{|c|c c c|}
	\hline
	Характеристика & Мода & Медиана  & Средна стойност\\[3pt]
	\hline\hline
	Сложност & 18494 & $(18494 + 18949)/2 = $\underline{$18494$} & 15537 \\[3pt]
	Скорост & Няма & $(0.60+0.67)/2 = $\underline{$0.635$} & 0.6425 \\[3pt]
	Брой сравнения & Няма & $(95321 + 101319)/2 = $\underline{$98320$} & 90287.75 \\[3pt]
	Брой записвания & Няма & $(70000 + 136506)/2 = $\underline{$103253$} & 105178 \\[3pt]
	\hline
\end{tabular}
\end{center}

\subsection{Сравнение на данни}

\begin{center}
\begin{tikzpicture}  
  
\begin{axis}  
[  
    ybar,  
    enlargelimits=0.15,  
    ylabel={\ Сложност},
    xlabel={\ Алгоритъм},  
    symbolic x coords={Shell, Merge, Heap, Quick}, 
    xtick=data,  
     nodes near coords, % this command is used to mention the y-axis points on the top of the particular bar.  
    nodes near coords align={vertical},  
    ]  
\addplot coordinates {(Shell,6666) (Merge,18494) (Heap,18494) (Quick,18494) };  
  
\end{axis}  
\end{tikzpicture}
 
\textbf{Диаграма 1: Сравнение на сложност}

\begin{tikzpicture}  
\begin{axis}  
[
    ybar,  
    enlargelimits=0.15,  
    ylabel={\ Скорост (в милисекунди)},
    xlabel={\ Алгоритъм},  
    symbolic x coords={Shell, Merge, Heap, Quick}, 
    xtick=data,  
     nodes near coords, % this command is used to mention the y-axis points on the top of the particular bar.  
    nodes near coords align={vertical},  
    ]  
\addplot coordinates {(Shell,0.71) (Merge,0.67) (Heap,0.59) (Quick,0.60) };  
  
\end{axis}  
\end{tikzpicture}  

\textbf{Диаграма 2: Сравнение на скорост}

\begin{tikzpicture}  
\begin{axis}  
[  
    ybar,  
    enlargelimits=0.15,  
    ylabel={\ Брой сравнения},
    xlabel={\ Алгоритъм},  
    symbolic x coords={Shell, Merge, Heap, Quick}, 
    xtick=data,  
     nodes near coords, % this command is used to mention the y-axis points on the top of the particular bar.  
    nodes near coords align={vertical},  
    ]  
\addplot coordinates {(Shell,101319) (Merge,56823) (Heap,107688) (Quick,95321) };  
  
\end{axis}  
\end{tikzpicture}

\textbf{Диаграма 3: Сравнение на брой сравнения}

\begin{tikzpicture}  
\begin{axis}  
[  
    ybar,  
    enlargelimits=0.15,  
    ylabel={\ Брой записвания},
    xlabel={\ Алгоритъм},  
    symbolic x coords={Shell, Merge, Heap, Quick}, 
    xtick=data,  
     nodes near coords, % this command is used to mention the y-axis points on the top of the particular bar.  
    nodes near coords align={vertical},  
    ]  
\addplot coordinates {(Shell,136506) (Merge,70000) (Heap,171318) (Quick,42888) };

\end{axis}
\end{tikzpicture}

\textbf{Диаграма 4: Сравнение на брой записвания}
  
\end{center}

\section{Заключение и анализ на резултатите}

Получената информация дава интересен, но дълбоко непълен, поглед към ефикасността на тези четири алгоритъма. 
Разбира се, данните са събрани при само един тест в само една ситуация, затова каквото заключение да направим, то не бива да бъде взето за дадено.

Quick Sort не е най-бързият алгоритъм, макар и думата "бърз" да фигурира в името му. Тази титла взема Heap Sort, който има същата сложност, обаче му трябват повече сравнения и записвания.

Интересно наблюдение е как сложността на Shell Sort е почти три пъти по-малка от другите три алгоритъма, ала изисква най-много сравнения и записвания, и е вторият по бавност.

Обаче, в края на деня, се забелязва най-важното нещо: всеки алгоритъм има своя роля. Най-прост е Shell, най-бърз е Heap, най-малко сравнения ползва Merge и най-малко записвания прави Quick. 
Правилния начин на избор на един от тези алгоритми е анализирането на ситуацията, в която той ще бъде използван.

Но, все пак, бих желал да отбележа, че не можеш да сгрешиш, ако ползваш Quick Sort.
Той се класира на второ или първо място във всички разглеждани категории, а в много от тези, които не сме разглеждали, той побеждава всяка конкуренция!

\newpage

\nocite{*}
\bibliography{sources}

\end{document}
