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# 算法无处不在
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听到“算法”这个词,我们一般会联想到数学。但实际上,大多数算法并不包含复杂的数学,而更像是在考察基本逻辑,而这些逻辑在我们日常生活中处处可见。
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当我们听到“算法”这个词时,很自然地会想到数学。然而实际上,许多算法并不涉及复杂数学,而是更多地依赖于基本逻辑,这些逻辑在我们的日常生活中处处可见。
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在正式介绍算法之前,我想告诉你一件有趣的事:**其实,你在过去已经学会了很多算法,并且已经习惯将它们应用到日常生活中**。接下来,我将介绍两个具体例子来佐证。
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在正式探讨算法之前,有一个有趣的事实值得分享:**实际上,你已经学会了许多算法,并习惯将他们应用到日常生活中了**。下面,我将举两个具体例子来证实这一点。
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**例一:拼积木**。一套积木,除了有许多部件之外,还会附送详细的拼装说明书。我们按照说明书上一步步操作,即可拼出复杂的积木模型。
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**例一:组装积木**。一套积木,除了包含许多零件之外,还附有详细的组装说明书。我们按照说明书一步步操作,就能组装出精美的积木模型。
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如果从数据结构与算法的角度看,大大小小的「积木」就是数据结构,而「拼装说明书」上的一系列步骤就是算法。
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从数据结构与算法的角度来看,积木的各种形状和连接方式代表数据结构,而组装说明书上的一系列步骤则是算法。
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**例二:查字典**。在字典中,每个汉字都有一个对应的拼音,而字典是按照拼音的英文字母表顺序排列的。假设需要在字典中查询任意一个拼音首字母为 $r$ 的字,一般我们会这样做:
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**例二:查阅字典**。在字典里,每个汉字都对应一个拼音,而字典是按照拼音的英文字母顺序排列的。假设我们需要查找一个拼音首字母为 $r$ 的字,通常会这样操作:
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1. 打开字典大致一半页数的位置,查看此页的首字母是什么(假设为 $m$ );
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2. 由于在英文字母表中 $r$ 在 $m$ 的后面,因此应排除字典前半部分,查找范围仅剩后半部分;
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3. 循环执行步骤 1-2 ,直到找到拼音首字母为 $r$ 的页码时终止。
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1. 翻开字典约一半的页数,查看该页首字母是什么(假设为 $m$ );
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2. 由于在英文字母表中 $r$ 位于 $m$ 之后,所以排除字典前半部分,查找范围缩小到后半部分;
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3. 不断重复步骤 1-2 ,直至找到拼音首字母为 $r$ 的页码为止。
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=== "<1>"
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=== "<5>"
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查字典这个小学生的标配技能,实际上就是大名鼎鼎的「二分查找」。从数据结构角度,我们可以将字典看作是一个已排序的「数组」;而从算法角度,我们可将上述查字典的一系列指令看作是「二分查找」算法。
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查阅字典这个小学生必备技能,实际上就是著名的「二分查找」。从数据结构的角度,我们可以把字典视为一个已排序的「数组」;从算法的角度,我们可以将上述查字典的一系列操作看作是「二分查找」算法。
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小到烹饪一道菜、大到星际航行,几乎所有问题的解决都离不开算法。计算机的出现,使我们可以通过编程将数据结构存储在内存中,也可以编写代码来调用 CPU, GPU 执行算法,从而将生活中的问题搬运到计算机中,更加高效地解决各式各样的复杂问题。
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小到烹饪一道菜,大到星际航行,几乎所有问题的解决都离不开算法。计算机的出现使我们能够通过编程将数据结构存储在内存中,同时编写代码调用 CPU 和 GPU 执行算法。这样一来,我们就能把生活中的问题转移到计算机上,以更高效的方式解决各种复杂问题。
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!!! tip
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读到这里,如果你感到对数据结构、算法、数组、二分查找等此类概念一知半解,那么就太好了!因为这正是本书存在的价值,接下来,本书将会一步步地引导你进入数据结构与算法的知识殿堂。
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阅读至此,如果你对数据结构、算法、数组和二分查找等概念仍感到一知半解,那么太好了!因为这正是本书存在的意义。接下来,这本书将一步步引导你深入数据结构与算法的知识殿堂。
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# 小结
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- 算法在生活中随处可见,并不高深莫测。我们已经不知不觉地学习到许多“算法”,用于解决生活中大大小小的问题。
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- “查字典”的原理和二分查找算法一致。二分体现分而治之的重要算法思想。
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- 算法是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤,数据结构是在计算机中组织与存储数据的方式。
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- 数据结构与算法两者紧密联系。数据结构是算法的底座,算法是发挥数据结构的舞台。
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- 乐高积木对应数据,积木形状和连接形式对应数据结构,拼装积木的流程步骤对应算法。
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- 算法在日常生活中无处不在,并不是遥不可及的高深知识。实际上,我们已经在不知不觉中学习了许多“算法”,用以解决生活中的大小问题。
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- 查阅字典的原理与二分查找算法相一致。二分查找体现了分而治之的重要算法思想。
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- 算法是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤,而数据结构是计算机中组织和存储数据的方式。
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- 数据结构与算法紧密相连。数据结构是算法的基石,而算法则是发挥数据结构作用的舞台。
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- 乐高积木对应于数据,积木形状和连接方式代表数据结构,拼装积木的步骤则对应算法。
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「算法 Algorithm」是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤。算法具有以下特性:
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- 问题是明确的,需要拥有明确的输入和输出定义。
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- 解具有确定性,即给定相同输入时,输出一定相同。
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- 具有可行性,可在有限步骤、有限时间、有限内存空间下完成。
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- 独立于编程语言,即可用多种语言实现。
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- 问题是明确的,具有清晰的输入和输出定义。
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- 解具有确定性,即给定相同的输入时,输出始终相同。
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- 具有可行性,在有限步骤、时间和内存空间下可完成。
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## 数据结构定义
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「数据结构 Data Structure」是在计算机中组织与存储数据的方式。为了提高数据存储和操作性能,数据结构的设计原则有:
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「数据结构 Data Structure」是计算机中组织和存储数据的方式。为了提高数据存储和操作性能,数据结构的设计目标包括:
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- 空间占用尽可能小,节省计算机内存。
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- 数据操作尽量快,包括数据访问、添加、删除、更新等。
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- 提供简洁的数据表示和逻辑信息,以便算法高效运行。
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- 空间占用尽量减少,节省计算机内存。
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- 数据操作尽可能快速,涵盖数据访问、添加、删除、更新等。
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- 提供简洁的数据表示和逻辑信息,以利于算法高效运行。
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数据结构的设计是一个充满权衡的过程,这意味着如果获得某方面的优势,则往往需要在另一方面做出妥协。例如,链表相对于数组,数据添加删除操作更加方便,但牺牲了数据的访问速度;图相对于链表,提供了更多的逻辑信息,但需要占用更多的内存空间。
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数据结构设计是一个充满权衡的过程,这意味着要在某方面取得优势,往往需要在另一方面作出妥协。例如,链表相较于数组,在数据添加和删除操作上更加便捷,但牺牲了数据访问速度;图相较于链表,提供了更丰富的逻辑信息,但需要占用更大的内存空间。
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## 数据结构与算法的关系
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「数据结构」与「算法」是高度相关、紧密嵌合的,体现在:
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「数据结构」与「算法」高度相关且紧密结合,具体表现在:
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- 数据结构是算法的底座。数据结构为算法提供结构化存储的数据,以及操作数据的对应方法。
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- 算法是数据结构发挥的舞台。数据结构仅存储数据信息,结合算法才可解决特定问题。
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- 算法有对应最优的数据结构。给定算法,一般可基于不同的数据结构实现,而最终执行效率往往相差很大。
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- 数据结构是算法的基石。数据结构为算法提供了结构化存储的数据,以及用于操作数据的方法。
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- 算法是数据结构发挥的舞台。数据结构本身仅存储数据信息,通过结合算法才能解决特定问题。
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- 特定算法通常有对应最优的数据结构。算法通常可以基于不同的数据结构进行实现,但最终执行效率可能相差很大。
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如果将「LEGO 乐高」类比到「数据结构与算法」,那么可以得到下表所示的对应关系。
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类比「LEGO 乐高」和「数据结构与算法」,则对应关系如下表所示。
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值得注意的是,数据结构与算法独立于编程语言。正因如此,本书得以提供多种编程语言的实现。
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!!! tip "约定俗成的简称"
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在实际讨论中,我们通常会将「数据结构与算法」直接简称为「算法」。例如,我们熟称的 LeetCode 算法题目,实际上同时考察了数据结构和算法两部分知识。
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在实际讨论时,我们通常会将「数据结构与算法」简称为「算法」。例如,众所周知的 LeetCode 算法题目,实际上同时考察了数据结构和算法两方面的知识。
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Reference in New Issue
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