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introduction, computational complexity.
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2023-08-20 14:51:39 +08:00
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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:**你已经在不知不觉中学会了许多算法,并习惯将它们应用到日常生活中了**。下面,我将举几个具体例子来证实这一点。
**例一: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:
**例一: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,通常会按照下图所示的方式实现。
1. 翻开字典约一半的页数,查看该页首字母是什么,假设首字母为 $m$ 。
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 ,直至找到拼音首字母为 $r$ 的页码为止。
1. 翻开字典约一半的页数,查看该页首字母是什么,假设首字母为 $m$ 。
2. 由于在拼音字母表中 $r$ 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.` 和 步骤 `2.` ,直至找到拼音首字母为 $r$ 的页码为止。
=== "<1>"
![查字典步骤](algorithms_are_everywhere.assets/binary_search_dictionary_step_1.png)
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=== "<5>"
![binary_search_dictionary_step_5](algorithms_are_everywhere.assets/binary_search_dictionary_step_5.png)
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
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算法。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」。
**例二:整理扑克**。我们在打牌时,每局都需要整理扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如下
**例二:整理扑克**。我们在打牌时,每局都需要整理扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如下图所示。
1. 将扑克牌划分为“有序”和“无序”两部分,并假设初始状态下最左 1 张扑克牌已经有序。
2. 在无序部分抽出一张扑克牌,插入至有序部分的正确位置;完成后最左 2 张扑克已经有序。
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上述整理扑克牌的方法本质上是「插入排序」算法,它在处理小型数据集时非常高效。许多编程语言的排序库函数中都存在插入排序的身影。
**例三:货币找零**。假设我们在超市购买了 $69$ 元的商品,给收银员付了 $100$ 元,则收银员需要我们 $31$ 元。他会很自然地完成以下思考
**例三:货币找零**。假设我们在超市购买了 $69$ 元的商品,给收银员付了 $100$ 元,则收银员需要我们 $31$ 元。他会很自然地完成如下图所示的思考
1. 可选项是比 $31$ 元面值更小的货币,包括 $1$ , $5$ , $10$ , $20$ 元。
1. 可选项是比 $31$ 元面值更小的货币,包括 $1$ 元、$5$ 元、$10$ 元、$20$ 元。
2. 从可选项中拿出最大的 $20$ 元,剩余 $31 - 20 = 11$ 元。
3. 从剩余可选项中拿出最大的 $10$ 元,剩余 $11 - 10 = 1$ 元。
4. 从剩余可选项中拿出最大的 $1$ 元,剩余 $1 - 1 = 0$ 元。
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!!! tip
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,这本书将引导你一步步深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、数组和二分查找等概念仍感到一知半解,请继续往下阅读,因为这正是本书存在的意义。接下来,这本书将引导你一步步深入数据结构与算法的知识殿堂。
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# 小结
- 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会了许多算法,用以解决生活中的大小问题。
- 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。
- 整理扑克的过程与插入排序算法非常类似。插入排序适合排序小型数据集。
- 货币找零的步骤本质上是贪心算法,每一步都采取当前看来的最好选择。
- 查阅字典的原理与二分查找算法相一致。二分查找算法体现了分而治之的重要算法思想。
- 整理扑克的过程与插入排序算法非常类似。插入排序算法适合排序小型数据集。
- 货币找零的步骤本质上是贪心算法,每一步都采取当前看来的最好选择。
- 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。
- 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。
- 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。
- 我们可以将数据结构与算法类比为拼装积木,积木代表数据,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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## 算法定义
「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它具有以下特性:
「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它具有以下特性:
- 问题是明确的,包含清晰的输入和输出定义。
- 具有可行性,能够在有限步骤、时间和内存空间下完成。
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## 数据结构定义
「数据结构 Data Structure」是计算机中组织和存储数据的方式它的设计目标包括
「数据结构 data structure」是计算机中组织和存储数据的方式它的设计目标如下
- 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。
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## 数据结构与算法的关系
数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现在
数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现在以下几个方面。
- 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。
- 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。
- 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。
- 算法是数据结构发挥作用的舞台。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。
- 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。
![数据结构与算法的关系](what_is_dsa.assets/relationship_between_data_structure_and_algorithm.png)
数据结构与算法犹如拼装积木。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。
数据结构与算法犹如上图所示的拼装积木。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。
![拼装积木](what_is_dsa.assets/assembling_blocks.jpg)
两者的详细对应关系如下表所示。
<p align="center"> 表:将数据结构与算法类比为积木 </p>
| 数据结构与算法 | 积木 |
| 数据结构与算法 | 拼装积木 |
| -------------- | ---------------------------------------- |
| 输入数据 | 未拼装的积木 |
| 数据结构 | 积木组织形式,包括形状、大小、连接方式等 |