Polish the chapter of heap, introduction, preface.

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2023-04-09 19:12:37 +08:00
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# 算法无处不在
听到“算法”这个词,我们一般会联想到数学。实际上,大多数算法并不包含复杂数学,而更像是在考察基本逻辑,这些逻辑在我们日常生活中处处可见。
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,这些逻辑在我们日常生活中处处可见。
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多算法,并且已经习惯将们应用到日常生活中**。接下来,我将介绍两个具体例子来证。
在正式探讨算法之前,有一个有趣的事实值得分享:**实际上,你已经学会了多算法,并习惯将们应用到日常生活中**。下面,我将两个具体例子来证实这一点
**例一:积木**。一套积木,除了许多件之外,还会附送详细的装说明书。我们按照说明书一步步操作,即可拼出复杂的积木模型。
**例一:组装积木**。一套积木,除了包含许多件之外,还附有详细的装说明书。我们按照说明书一步步操作,就能组装出精美的积木模型。
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是算法。
从数据结构与算法的角度看,积木的各种形状和连接方式代表数据结构,而装说明书上的一系列步骤是算法。
**例二:查字典**。在字典,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
**例二:查字典**。在字典,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
1. 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 $m$ );
2. 由于在英文字母表中 $r$ $m$ 的后面,因此应排除字典前半部分,查找范围仅剩后半部分;
3. 循环执行步骤 1-2 ,直找到拼音首字母为 $r$ 的页码时终止。
1. 开字典一半页数,查看该页首字母是什么(假设为 $m$ );
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;
3. 不断重复步骤 1-2 ,直找到拼音首字母为 $r$ 的页码止。
=== "<1>"
![查字典步骤](algorithms_are_everywhere.assets/look_up_dictionary_step_1.png)
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=== "<5>"
![look_up_dictionary_step_5](algorithms_are_everywhere.assets/look_up_dictionary_step_5.png)
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,我们可以字典看作是一个已排序的「数组」;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。
字典这个小学生必备技能,实际上就是著名的「二分查找」。从数据结构角度,我们可以字典视为一个已排序的「数组」;从算法角度,我们可将上述查字典的一系列操作看作是「二分查找」算法。
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。
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 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。
!!! tip
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,那么太好了!因为这正是本书存在的价值,接下来,本书将一步步引导你入数据结构与算法的知识殿堂。
阅读至此,如果你对数据结构、算法、数组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,本书将一步步引导你入数据结构与算法的知识殿堂。
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# 小结
- 算法在生活中随处可见,并不高深莫测。我们已经不知不觉学习许多“算法”,用解决生活中大小小的问题。
- 查字典的原理二分查找算法一致。二分体现分而治之的重要算法思想。
- 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,数据结构是计算机中组织存储数据的方式。
- 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。
- 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。
- 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,我们已经不知不觉学习许多“算法”,用解决生活中大小问题。
-字典的原理二分查找算法一致。二分查找体现分而治之的重要算法思想。
- 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,数据结构是计算机中组织存储数据的方式。
- 数据结构与算法紧密相连。数据结构是算法的基石,而算法是发挥数据结构作用的舞台。
- 乐高积木对应数据,积木形状和连接方式代表数据结构,拼装积木的步骤对应算法。
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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:
- 问题是明确的,需要拥有明确的输入和输出定义。
- 解具有确定性,即给定相同输入时,输出一定相同。
- 具有可行性,在有限步骤、有限时间、有限内存空间下完成。
- 独立于编程语言,即可用多种语言实现。
- 问题是明确的,具有清晰的输入和输出定义。
- 解具有确定性,即给定相同输入时,输出始终相同。
- 具有可行性,在有限步骤、时间和内存空间下完成。
## 数据结构定义
「数据结构 Data Structure」是计算机中组织存储数据的方式。为了提高数据存储和操作性能,数据结构的设计原则有
「数据结构 Data Structure」是计算机中组织存储数据的方式。为了提高数据存储和操作性能,数据结构的设计目标包括
- 空间占用尽可能小,节省计算机内存。
- 数据操作尽量快,包括数据访问、添加、删除、更新等。
- 提供简洁的数据表示和逻辑信息,以便算法高效运行。
- 空间占用尽量减少,节省计算机内存。
- 数据操作尽可能快速,涵盖数据访问、添加、删除、更新等。
- 提供简洁的数据表示和逻辑信息,以利于算法高效运行。
数据结构设计是一个充满权衡的过程,这意味着如果获得某方面优势,往往需要在另一方面出妥协。例如,链表相于数组,数据添加删除操作更加便,但牺牲了数据访问速度;图相于链表,提供了更的逻辑信息,但需要占用更的内存空间。
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出妥协。例如,链表相于数组,数据添加删除操作更加便,但牺牲了数据访问速度;图相于链表,提供了更丰富的逻辑信息,但需要占用更的内存空间。
## 数据结构与算法的关系
「数据结构」与「算法」高度相关紧密嵌合的,体现在:
「数据结构」与「算法」高度相关紧密结合,具体表现在:
- 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。
- 算法是数据结构发挥的舞台。数据结构仅存储数据信息,结合算法才解决特定问题。
- 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,最终执行效率往往相差很大。
- 数据结构是算法的基石。数据结构为算法提供结构化存储的数据,以及用于操作数据的方法。
- 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,通过结合算法才解决特定问题。
- 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,最终执行效率可能相差很大。
![数据结构与算法的关系](what_is_dsa.assets/relationship_between_data_structure_and_algorithm.png)
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
类比「LEGO 乐高」「数据结构与算法」,则对应关系如下表所示
<div class="center-table" markdown>
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</div>
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。
!!! tip "约定俗成的简称"
在实际讨论,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。
在实际讨论,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。