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2023-12-02 06:24:11 +08:00
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<!-- Page content -->
<h1 id="11">1.1 &nbsp; 算法无处不在<a class="headerlink" href="#11" title="Permanent link">&para;</a></h1>
<p>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,而是更多地依赖基本逻辑,这些逻辑在我们的日常生活中处处可见。</p>
<p>在正式探讨算法之前,有一个有趣的事实值得分享:<strong>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</strong>。下面我将举几个具体例子来证实这一点。</p>
<p>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,而是更多地依赖基本逻辑,这些逻辑在我们的日常生活中处处可见。</p>
<p>在正式探讨算法之前,有一个有趣的事实值得分享:<strong>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</strong>。下面我将举几个具体例子来证实这一点。</p>
<p><strong>例一:查阅字典</strong>。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 <span class="arithmatex">\(r\)</span> 的字,通常会按照图 1-1 所示的方式实现。</p>
<ol>
<li>翻开字典约一半的页数,查看该页的首字母是什么,假设首字母为 <span class="arithmatex">\(m\)</span></li>
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</div>
<p align="center"> 图 1-1 &nbsp; 查字典步骤 </p>
<p>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“二分查找”。</p>
<p><strong>例二:整理扑克</strong>。我们在打牌时,每局都需要整理扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如图 1-2 所示。</p>
<p>查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“二分查找”。</p>
<p><strong>例二:整理扑克</strong>。我们在打牌时,每局都需要整理手中的扑克牌,使其从小到大排列,实现流程如图 1-2 所示。</p>
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
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<p><a class="glightbox" href="../algorithms_are_everywhere.assets/playing_cards_sorting.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="扑克排序步骤" class="animation-figure" src="../algorithms_are_everywhere.assets/playing_cards_sorting.png" /></a></p>
<p align="center"> 图 1-2 &nbsp; 扑克排序步骤 </p>
<p>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。</p>
<p>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插入排序的身影。</p>
<p><strong>例三:货币找零</strong>。假设我们在超市购买了 <span class="arithmatex">\(69\)</span> 元的商品,给了收银员 <span class="arithmatex">\(100\)</span> 元,则收银员需要找我们 <span class="arithmatex">\(31\)</span> 元。他会很自然地完成如图 1-3 所示的思考。</p>
<ol>
<li>可选项是比 <span class="arithmatex">\(31\)</span> 元面值更小的货币,包括 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 元、<span class="arithmatex">\(5\)</span> 元、<span class="arithmatex">\(10\)</span> 元、<span class="arithmatex">\(20\)</span> 元。</li>
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<p align="center"> 图 1-3 &nbsp; 货币找零过程 </p>
<p>在以上步骤中,我们每一步都采取当前看来最好的选择(尽可能用大面额的货币),最终得到了可行的找零方案。从数据结构与算法的角度看,这种方法本质上是“贪心”算法。</p>
<p>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。</p>
<p>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。</p>
<div class="admonition tip">
<p class="admonition-title">Tip</p>
<p>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,本书将引导你迈入数据结构与算法的知识殿堂。</p>
<p>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,本书将引导你迈入数据结构与算法的知识殿堂。</p>
</div>
<!-- Source file information -->
+3 -3
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<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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最好的选择。</li>
<li>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最好的选择。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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,积木的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。</li>
<li>数据结构与算法紧密相连。数据结构是算法的基石,而算法数据结构发挥作用的舞台。</li>
<li>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,积木的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。</li>
</ul>
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+10 -10
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<ul>
<li>问题是明确的,包含清晰的输入和输出定义。</li>
<li>具有可行性,能够在有限步骤、时间和内存空间下完成。</li>
<li>各步骤都有确定的含义,相同的输入和运行条件下,输出始终相同。</li>
<li>各步骤都有确定的含义,相同的输入和运行条件下,输出始终相同。</li>
</ul>
<h2 id="122">1.2.2 &nbsp; 数据结构定义<a class="headerlink" href="#122" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>「数据结构 data structure」是计算机中组织和存储数据的方式,具有以下设计目标。</p>
<ul>
<li>空间占用尽量少,节省计算机内存。</li>
<li>空间占用尽量少,节省计算机内存。</li>
<li>数据操作尽可能快速,涵盖数据访问、添加、删除、更新等。</li>
<li>提供简洁的数据表示和逻辑信息,以便使得算法高效运行。</li>
<li>提供简洁的数据表示和逻辑信息,以便算法高效运行。</li>
</ul>
<p><strong>数据结构设计是一个充满权衡的过程</strong>。如果想在某方面取得提升,往往需要在另一方面作出妥协。下面举两个例子。</p>
<p><strong>数据结构设计是一个充满权衡的过程</strong>。如果想在某方面取得提升,往往需要在另一方面作出妥协。下面举两个例子。</p>
<ul>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ul>
<h2 id="123">1.2.3 &nbsp; 数据结构与算法的关系<a class="headerlink" href="#123" title="Permanent link">&para;</a></h2>
<p>如图 1-4 所示,数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现以下三个方面。</p>
<p>如图 1-4 所示,数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现以下三个方面。</p>
<ul>
<li>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。</li>
<li>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,以及操作数据的方法。</li>
<li>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,结合算法才能解决特定问题。</li>
<li>算法通常可以基于不同的数据结构进行实现,但执行效率可能相差很大,选择合适的数据结构是关键。</li>
<li>算法通常可以基于不同的数据结构实现,但执行效率可能相差很大,选择合适的数据结构是关键。</li>
</ul>
<p><a class="glightbox" href="../what_is_dsa.assets/relationship_between_data_structure_and_algorithm.png" data-type="image" data-width="100%" data-height="auto" data-desc-position="bottom"><img alt="数据结构与算法的关系" class="animation-figure" src="../what_is_dsa.assets/relationship_between_data_structure_and_algorithm.png" /></a></p>
<p align="center"> 图 1-4 &nbsp; 数据结构与算法的关系 </p>
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<p align="center"> 图 1-5 &nbsp; 拼装积木 </p>
<p>两者的详细对应关系如表 1-1 所示。</p>
<p align="center"> 表 1-1 &nbsp; 将数据结构与算法类比为积木 </p>
<p align="center"> 表 1-1 &nbsp; 将数据结构与算法类比为拼装积木 </p>
<div class="center-table">
<table>
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</tbody>
</table>
</div>
<p>值得说明的是,数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此,本书得以提供多种编程语言的实现。</p>
<p>值得说明的是,数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此,本书得以提供基于多种编程语言的实现。</p>
<div class="admonition tip">
<p class="admonition-title">约定俗成的简称</p>
<p>在实际讨论时,我们通常会将“数据结构与算法”简称为“算法”。比如众所周知的 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。</p>
<p>在实际讨论时,我们通常会将“数据结构与算法”简称为“算法”。比如众所周知的 LeetCode 算法题目,实际上同时考数据结构和算法两方面的知识。</p>
</div>
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