《演算法与程式语言》课件

算法与程式语言算法是解决问题的逻辑步骤,而程式语言则提供了实现算法的工具。深入了解这两个概念,将有助于提高您的编程能力和解决问题的能力。课程介绍课程目标本课程旨在深入了解算法的基本概念和实现,并掌握常用的高级编程语言C和Python的语法和应用。通过学习,学生将具备解决实际问题的能力。课程内容涵盖算法设计、时间空间复杂度分析、排序查找、递归、动态规划、图算法等算法基础知识,以及C语言和Python语言的语法、数据类型、控制流、函数等编程技能。教学方式课程采用理论讲授与实践操作相结合的方式,通过案例讲解和编程练习来帮助学生深入掌握相关知识与技能。考核方式该课程采取平时作业、期中考试和期末项目实践相结合的考核方式。什么是演算法？算法是一种解决特定问题的明确步骤的集合。它们是计算机程序的基础,让计算机能够自动完成特定任务。算法通常以数学方式表达,可以应用于各种领域,如排序、搜索、加密等。理解和设计高效算法是计算机科学的核心。演算法的基本特征定义与目标演算法是一系列有限的、确定的、有序的基本操作步骤,旨在解决特定问题或完成某种任务。输入输出算法需要输入数据信息,通过一系列有序运算,最终得到所需的输出结果。有限性算法必须在有限步骤内完成,不能无限执行下去。每一步操作都是确定的,不存在随机性。有效性算法必须能够在有限时间内得到准确的解决方案,满足问题的需求。算法的设计与分析定义需求清晰了解问题的输入和输出,识别关键要求和约束条件。选择算法根据问题的性质和特点,选择合适的算法模型或方法。设计实现将算法转化为具体的程序代码,并优化以提高效率。分析复杂度评估算法的时间和空间复杂度,确保满足实际需求。算法的时间复杂度1O(1)常数时间复杂度，算法执行时间是固定的logn对数时间通常体现于分治算法中n线性时间算法执行时间与输入大小成正比n^2平方时间算法执行时间与输入大小的平方成正比算法的时间复杂度描述了算法执行时间与输入大小之间的关系。不同复杂度算法的执行时间可能有数倍甚至数万倍的差距。合理选择算法可显著提高系统性能。算法的空间复杂度最优空间复杂度算法所需的最小存储空间平均空间复杂度算法在一般情况下所需的平均存储空间最坏空间复杂度算法在最坏情况下所需的存储空间空间复杂度是描述算法在执行过程中临时占用存储空间大小的一个度量。不同算法的空间复杂度可能不同,需要具体分析算法的实现来确定。对于某个问题,选择合适的算法可以大幅降低所需的存储空间。排序算法冒泡排序通过重复比较相邻元素并交换它们来实现排序的简单直观算法。操作直观，但对于大规模数据效率较低。快速排序选择一个基准元素，将数组分为两个子数组，一个子数组的值小于基准，另一个子数组的值大于基准。递归执行直到完全排序。归并排序将数组划分为较小的子数组直到可以直接排序，然后递归地合并这些子数组。对于大规模数据效率较高。堆排序构建二叉堆结构，通过交换根节点和叶子节点实现排序。稳定性差但时间复杂度低。查找算法1线性查找从数组或列表的第一个元素开始逐个搜索,直到找到目标元素或遍历完整个数据结构。2二分查找适用于有序数据,通过不断将搜索范围减半来定位目标元素。是一种高效的查找算法。3哈希查找利用哈希函数将元素映射到一个散列表中,查找时根据键值快速定位目标元素。适合大规模数据集。4树查找在树状数据结构中搜索目标元素,如二叉搜索树。通过比较节点值来缩小搜索范围。递归算法定义递归算法是一种通过重复应用相同的过程来解决问题的算法。它将一个大问题拆分成多个相同或相似的子问题。特点递归算法通常包括一个基准情况和一个递归情况。它能够简洁地表达复杂的问题并提高代码的可读性。应用递归算法广泛应用于树形结构、数学函数、字符串处理等领域。它可以优雅地解决很多实际问题。动态规划定义与特点动态规划是一种有效的算法设计技术,通过将问题分解为子问题来解决复杂问题。它具有最优子结构和重叠子问题两大特点。解决步骤动态规划的一般解决步骤包括:划分子问题、建立状态转移方程、计算最优解。需要仔细分析问题结构,确定合适的子问题划分方式。典型应用动态规划广泛应用于编程竞赛、操作系统、网络优化等领域,如最长公共子序列、最短路径、背包问题等。算法特点动态规划算法具有时间复杂度低、适用范围广、易于理解和实现的优点,是解决复杂最优化问题的重要工具。贪心算法1基本思想贪心算法是一种简单实用的算法,它在每一步都试图做出当下最好的选择,希望通过整体的最优选择来获得全局最优。2算法特点贪心算法具有局部最优性,但不一定能得到全局最优解。它追求当前的最优选择,而不考虑未来的状态。3应用场景贪心算法常用于解决背包问题、最小生成树、Huffman编码等实际应用问题,在求解过程中往往能得到近似最优解。4开发技巧设计贪心算法时,需要仔细分析问题特点,并找到合适的贪心策略,才能取得较好的效果。图算法图论基础学习图的基本概念,包括节点、边、权重等,并熟悉图的表示方法。图遍历算法掌握深度优先搜索(DFS)和广度优先搜索(BFS)算法,能够应用于解决实际问题。最短路径算法学习Dijkstra、Bellman-Ford和Floyd-Warshall等经典最短路径算法,并理解其适用场景。最小生成树算法熟悉Kruskal和Prim算法,能够构建加权无向图的最小生成树。常见程式语言概述本节将对主流的编程语言做一个概括性的介绍,包括它们的历史发展、主要特点、应用领域等。我们将了解当下最流行和最有影响力的编程语言,为后续的深入学习做好铺垫。C语言简介C语言是一种通用的、面向过程的高级程序设计语言。它广泛应用于系统软件、应用软件和嵌入式系统等领域。C语言以其简洁、高效、可移植性强等特点而闻名于世，被誉为"程序员的语言"。C语言借鉴了ALGOL语言的基本结构,同时又融合了BCPL语言的简单性和BCPL语言的效率,因此C语言既保留了高级语言的优点,又具有低级语言的特点,是一种非常优秀的系统编程语言。C语言数据类型整型整型包括char、short、int和long四种基本类型，可表示不同范围的整数值。浮点型浮点型分为float和double两种基本类型，可表示具有小数部分的实数值。布尔型布尔型只有true和false两个值，用于表示逻辑状态。void型void型表示没有明确的数据类型，常用于函数返回值和参数声明。C语言变量和常量变量声明C语言中变量用于存储数据,需要声明数据类型和变量名。变量可以在程序运行时动态赋值和改变。常量定义常量是固定的数值、字符或字符串,使用关键字const来定义,值在程序运行时不可改变。命名规范变量和常量命名需遵循一定规则,如使用有意义的名称、不能以数字开头等。良好的命名有助于提高代码可读性。C语言运算符1算术运算符包括加减乘除、取模等基本运算符,可用于计算表达式的结果。2关系运算符用于比较两个操作数的大小关系,如等于、不等于、大于等。3逻辑运算符包括逻辑与、逻辑或、逻辑非,用于操作布尔类型的数据。4位运算符对二进制数进行位级别的操作,如按位与、按位或、按位取反。C语言流程控制1顺序控制按照语句出现的先后顺序执行2分支控制根据条件决定执行哪一部分3循环控制重复执行某个操作直到满足条件C语言的流程控制包括顺序控制、分支控制和循环控制三种基本结构。顺序控制按照语句出现的先后顺序依次执行;分支控制根据条件决定执行哪一部分;循环控制重复执行某个操作直到满足终止条件。这三种控制语句保证了程序按照预期的逻辑顺序执行。C语言函数1函数声明C语言函数由函数名、参数列表和返回值类型构成。函数声明可以放在程序的任何位置。2函数定义函数定义包括函数头和函数体。函数头定义了函数名、参数列表和返回值类型，函数体包含了函数的具体实现。3函数调用在程序中，可以通过函数名和实参列表来调用函数。函数执行完毕后会返回一个值。C语言数组定义数组数组是用于存储相同类型的多个数据元素的集合。在C语言中，可以使用数组来存储一组相同的值，如整数、浮点数或字符。访问数组元素数组元素可以通过索引来访问和操作。索引从0开始，最大值为数组长度减一。可以使用for循环遍历数组的所有元素。数组操作常见的数组操作包括赋值、比较、排序和搜索。C语言提供了丰富的库函数来帮助完成这些操作。多维数组除了一维数组之外，C语言还支持二维和三维数组。多维数组可以用来表示更复杂的数据结构，如矩阵和图像。C语言指针指针定义指针是一个存储内存地址的变量,通过访问内存地址可以间接操作数据。获取地址可以使用&运算符获取变量的内存地址,并将其赋值给指针变量。间接引用使用*运算符可以通过指针变量访问存储在内存地址中的值。指针运算指针可以进行加减运算,实现在内存中移动和访问数据。C语言结构体结构体定义结构体是由一个或多个数据项组成的集合。可以用结构体存储相关联的数据类型。结构成员访问通过点号(.)可以访问结构体中的成员变量。这种方式使得数据组织更加清晰。结构体指针结构体可以通过指针来访问和修改其成员。这增加了灵活性和效率。结构体数组结构体也可以组成数组,用于存储同类型的结构体数据。这在处理大量相关数据时很有用。C语言文件操作文件打开与关闭在C语言中,使用fopen()函数可以打开文件,通过fclose()函数可以关闭文件。文件打开后可以执行读写等操作。文件读写操作C语言提供了fread()和fwrite()函数进行文件的读写操作。开发者可以灵活地控制读写的位置和大小。文件指针定位通过fseek()函数可以设置文件指针的位置,以实现文件的随机访问。rewind()函数可以将指针重置到文件开始位置。Python语言简介Python是一种高级编程语言,它具有简单、优雅、跨平台等特点,广泛应用于Web开发、数据分析、人工智能等领域。Python凭借其简单易学的语法和强大的标准库,吸引了大量开发者的青睐,成为了最受欢迎的编程语言之一。Python的语法简单,可读性强,拥有丰富的库和框架支持,使得开发效率大大提高。同时,Python也是一种动态类型语言,灵活性和扩展性都很强。无论是初学者还是经验丰富的开发者,Python都是一个不错的选择。Python语言数据类型整数型Python中的整数型可以表示任意大小的整数,支持十进制、二进制、八进制和十六进制格式。浮点型Python的浮点型可以表示小数,通过科学记数法也可以表示非常大或非常小的数字。字符串型Python中的字符串可以包含字母、数字和各种特殊字符,支持单引号、双引号和三引号表示。布尔型Python的布尔型只有True和False两个值,常用于条件判断和逻辑运算。Python语言控制流1条件语句if,elif,else2循环语句for,while,break,continue3其他语句pass,assert,try-exceptPython的控制流语句提供了丰富的流程控制能力。条件语句可以根据不同条件执行不同代码块,循环语句可以重复执行某些代码,而其他语句如异常处理则可以处理特殊情况。这些构成了Python程序流程的基础。Python语言函数1定义函数在Python中,使用def关键字来定义一个函数,函数名称需要遵守命名规则。函数体包含了一系列执行特定任务的语句。2参数传递函数可以接受参数,并在函数体内使用这些参数。参数可以是必需的,也可以是可选的,还可以设置默认值。3返回值函数可以返回一个或多个值。使用return语句来返回函数执行的结果。如果没有return语句,函数会自动返回None。Python语言模块和包模块化编程Python支持将代码划分为可重复使用的模块,提高了代码的组织性和可维护性。标准库丰富Python拥有大量的内置模块,涵盖了网络编程、数据处理、机器学习等各种功能。第三方包生态Python有一个广泛的第三方包生态系统,为开发者提供了无数的功能扩展。包管理工具pip是Python的标准包管理工具,可以轻松安装、升级和管理第三方包。Python语言面向对象编程类和对象Python支持面向对象编程,可以定义类和对象来封装数据和行为。继承类可以继承其他类的属性和方法,实现代码重用和多态。多态同一方法在不同子类中可以有不同的实现,增加代码的灵活性。特殊方法Python提供了许多特殊方