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  • 编程内功修炼

    编程内功讲什么?

    主要讲解以下算法:
    分治法
    堆排序
    二叉树
    动态规划
    贪心算法
    图

    算法的作用:

    算法解决了哪些问题?
    互联网信息的访问检测,海量数据的管理
    在一个交通图中,寻找最近的路
    人类基因工程,dna有10万个基因,处理这些基因序列需要复杂的算法支持
    
    上面的算法是我们没有接触到,或者是封装到底层的东西,那么作为程序员,在日常编码过程中会在什么地方使用算法呢?
    在你利用代码去编写程序,去解决问题的时候,其实这些编码过程都可以总结成一个算法,只是有些算法看起来比较普遍比较一般,偶尔我们也会涉及一些复杂的算法比如一些AI.
    大多数我们都会利用已有的思路(算法)去开发游戏!
    
    注意地方:
    编程内功主要讲解的是算法,并不会讲解Unity的使用

    分治算法:

    分治策略是:对于一个规模为n的问题,若该问题可以容易地解决(比如说规模n较小)则直接解决,否则将其分解为k个规模较小的子问题,这些子问题互相独立且与原问题形式相同,递归地解这些子问题,然后将各子问题的解合并得到原问题的解。这种算法设计策略叫做分治法。
    
    可使用分治法求解的一些经典问题
    (1)二分搜索
    (2)大整数乘法
    (3)Strassen矩阵乘法
    (4)棋盘覆盖
    (5)合并排序
    (6)快速排序
    (7)线性时间选择
    (8)最接近点对问题
    (9)循环赛日程表
    (10)汉诺塔

    分治算法 - 最大子数组问题:

    股票问题 1,暴力求解 2,分治法

    树(数据结构的一种 ):

    什么是树?
    1,空树
    
    2,只有一个根节点的树
    
    3
    
    什么是子树?  什么是父子结点?  什么是根节点?  什么是度?(拥有子树的个数称为结点的度)
    结点关系:孩子,兄弟

    什么是树的层次? 最大层是树的深度 什么是有序树和无序树?

     

    树的错误案例:

    1,树只有一个根节点

    2,子树之间是不相交的

    3,一个结点不能有两个父结点

     

    树的存储结构:

    存储结构一般是 顺序存储和链式存储。

    树的关系复杂 使用链式存储

    1,双亲表示法

    2,孩子表示法

    3,孩子兄弟表示法

     

    二叉树:

    什么是二叉树?

    1,空二叉树 2,只有根结点 3,大于一个结点 什么是左右子树?

     

    特殊二叉树:

    1,斜树 左斜树 右斜树

    2,满二叉树

    3,完全二叉树

     

    非完全二叉树:

    二叉树性质

    1,在二叉树的第i层上最多有 2i-1个结点(i>=12,深度为k的二叉树至多有2k-1个结点
        20+21+22+23+24+25+26+27+.....+2k-1+-1
        =1+20+21+22+23+24+25+26+27+.....+2k-1-1
        =21+21+22+23+24+25+26+27+.....+2k-1-1
        =22+22+23+24+25+26+27+.....+2k-1-1
        =23+23+24+25+26+27+.....+2k-1-1
        =2k-1+2k-1-1
        =2k-1
    3,对于一个完全二叉树,假设它有n个结点,对结点进行从1开始编号,对任一结点i满足下面
        a,它的双亲是结点 i/2  (除了i=1的情况)
        b,左孩子是 2i  右孩子是 2i+1
        c,如果2i>n 说明无左孩子   2i+1>n 说明无右孩子

    二叉树存储结构:

    一般的树来说是一对多的关系,使用顺序结构存储起来比较困难,但是二叉树是一种特殊的树,每个结点最多有两个子节点,并且子节点有左右之分,并且兄弟,父亲,孩子可以很方便的通过编号得到,所以我们使用顺序存储结构使用二叉树的存储。

    二叉树存储 - 1:

    二叉树存储 - 2:

    二叉树存储 - 3:

    顺序存储一般只用于完全二叉树

    二叉树 - 二叉链表存储:

    二叉树每个结点最多有两个孩子,所以为它设计一个数据域和两个指针域,我们称这样的链表为二叉链表。

     

    二叉树的遍历:

    二叉树的遍历是指从根结点出发,按照某种次序依次访问二叉树中的所有结点,使得每个结点被访问一次且仅被访问一次。
    1,前序遍历
        先输出当前结点的数据,再依次遍历输出左结点和右结点
    
        A    (B)     (C)
                    B (D)     C (E) F
                      D G H     E I
               A B D G H C E I

     

    2,中序遍历
        先遍历输出左结点,再输出当前结点的数据,再遍历输出右结点
        GDH B A E I C F

    3,后序遍历
        先遍历输出左结点,再遍历输出右结点,最后输出当前结点的数据
     G H D B I E F C A

    4,层序遍历 从树的第一层开始,从上到下逐层遍历,在同一层中,从左到右对结点 逐个访问输出

    二叉排序树:

    二叉排序树,又称为二叉查找树。它或者是一棵空树,或者是具有下列性质的二叉树。
        若它的左子树不为空,则左子树上所有的结点的值均小于根结构的值;
        若它的右子树不为空,则右字数上所有结点的值均大于它的根结点的值;
        它的左右子树也分别为二叉排序树。
    1,排序方便
    2,方便查找
    3,方便插入和删除

    二叉排序树 删除操作:

    二叉排序树

    二叉排序树删除

    1,叶子结点

    2,仅有左子树或者右子数的结点

    3,左右子树都有

    二叉排序树的存储

    因为二叉排序树的存储,跟自身值的大小有关系,并不是想之前学习的完全二叉树使用顺序结构可以存储的 所以我们使用链式结构存储二叉排序树。 

    一个是树类的定义 BSTree

    一个是结点类的定义BSNode

    堆是具有下列性质的完全二叉树:每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值,称为大顶堆;或者每个结点的值都小于等于其左右孩子结点的值,称为小顶堆!

     

    堆排序

    堆排序算法就是利用堆(小顶堆或者大顶堆)进行排序的方法。 将待排序的序列构造成一个大顶堆,此时整个序列的最大值就是根节点。将它移走(跟堆的最后一个元素交换,此时末尾元素就是最大值),然后将剩余的n-1个序列重新构造成一个堆,这样就会得到n个元素中的次小值。如此反复执行,便能得到一个有序序列了。

     

    堆排序:

    动态规划(Dynamic Programming):

    什么是动态规划,我们要如何描述它?
    
    动态规划算法通常基于一个递推公式及一个或多个初始状态。当前子问题的解将由上一次子问题的解推出。
    
    动态规划和分治法相似,都是通过组合子问题的解来求解原问题。分治法将问题划分成互不相交的子问题,递归求解子问题,再将他们的解组合起来,求出原问题的解。与之相反,动态规划应用于子问题重叠的情况,即不同的子问题具有公共的子子问题。在这种情况下,分治算法会做出许多不必要的工作,它会反复的求解那些公共子问题。而动态规划算法对每个子子问题只求解一次,将结果保存到表格中,从而无需每次求解一个子子问题都要重新计算。

    动态规划 - 钢条切割问题:

    假定我们知道sering公司出售一段长度为I英寸的钢条的价格为pi(i=1,2,3….)钢条长度为整英寸如图给出价格表的描述(任意长度的钢条价格都有)
    
    
    先给我们一段长度为n的钢条,问怎么切割,获得的收益最大 rn?
    考虑n=4的时候
    
    
    假如一个最优解把n段七个成了k段(1<=k<=n),那么最优切割方案:
        
    最大收益:
        
    

    
    第一种求最优解方案:
    对于 r n (n>=1),最优切割收益:
        
    
    将切割方案分成下面几种
    1,不切割  收益为pn
    2,将它切割成两半,切割成两半的情况有,对每种情况求最优解
        (1,n-1) (2,n-2) (3,n-3) (4,n-4) ..... (n-1,1)
        对这两半分别求最优解,最优解的和就是当前情况的最优解
    
    第二种求最优解方案:
    我们从钢条的左边切下长度为i的一段,只对右边剩下长度为n-i的一段继续进行切割,对左边的不再切割。这样,不做任何切割的方案就是:当第一段长度为n的时候,收益为pn,剩余长度为0,对应的收益为0。如果第一段长度为i,收益为pi:
    
    
    代码实现 - 自顶向下递归实现
    分析效率,关于上述方法的运行性能时间问题。
    
    动态规划的方法进行求解
    上面的方法之所以效率很低,是因为它反复求解相同的子问题。因此,动态规划算法安排求解的顺序,对每个子问题只求解一次,并将结果保存下来。如果随后再次需要此子问题的解,只需查找保存的结果,不必重新计算。因此动态规划的方法是付出额外的内存空间来节省计算时间。
    动态规划有两种等价的实现方法(我们使用上面的钢条切割问题为例,实现这两种方法)
    第一种方法是 带备忘的自顶向下法
        此方法依然是按照自然的递归形式编写过程,但过程中会保存每个子问题的解(通常保存在一个数组中)。当需要计算一个子问题的解时,过程首先检查是否已经保存过此解。如果是,则直接返回保存的值,从而节省了计算时间;如果没有保存过此解,按照正常方式计算这个子问题。我们称这个递归过程是带备忘的。
    第二种方法是 自底向上法
        首先恰当的定义子问题的规模,使得任何问题的求解都只依赖于更小的子问题的解。因而我们将子问题按照规模排序,按从小到大的顺序求解。当求解某个问题的时候,它所依赖的更小的子问题都已经求解完毕,结果已经保存。 

    动态规划 - 01背包问题:

    问题描述:
        假设现有容量m kg的背包,另外有i个物品,重量分别为w[1] w[2] ... w[i] (kg),价值分别为p[1] p[2] ... p[i] (元),将哪些物品放入背包可以使得背包的总价值最大?最大价值是多少?
    (示例一:m=10  i=3  重量和价值分别为 3kg-4元 4kg-5元 5kg-6元  )
    1,穷举法(把所有情况列出来,比较得到 总价值最大的情况)
        如果容量增大,物品增多,这个方法的运行时间将成指数增长
    2,动态规划算法
        我们要求得i个物体放入容量为m(kg)的背包的最大价值(记为 c[i,m])。在选择物品的时候,对于每种物品i只有两种选择,即装入背包或不装入背包。某种物品不能装入多次(可以认为每种物品只有一个),因此该问题被称为0-1背包问题
        对于c[i,m]有下面几种情况:
        a、c[i,0]=c[0,m]=0
        b、c[i,m]=c[i-1,m]  w[i]>m(最后一个物品的重量大于容量,直接舍弃不用)
            w[i]<=m的时候有两种情况,一种是放入i,一种是不放入i
            不放入i c[i,m]=c[i-1,m]
            放入i   c[i,m]=c[i-1,m-w[i]]+p[i]
            c[i,m]=max(不放入i,放入i)

    贪心算法:

    对于许多最优化问题,使用动态规划算法来求最优解有些杀鸡用牛刀了,可以使用更加简单、更加高效的算法。贪心算法就是这样的算法,它在每一步做出当时看起来最佳的选择。也就是说它总是做出局部最优的选择,从而得到全局最优解。

    对于某些问题并不保证得到最0优解,但对很多问题确实可以求得最优解。

    贪心算法 - 活动选择问题:

    有n个需要在同一天使用同一个教室的活动a1,a2,…,an,教室同一时刻只能由一个活动使用。每个活动ai都有一个开始时间si和结束时间fi 。一旦被选择后,活动ai就占据半开时间区间[si,fi)。如果[si,fi]和[sj,fj]互不重叠,ai和aj两个活动就可以被安排在这一天。该问题就是要安排这些活动使得尽量多的活动能不冲突的举行(最大兼容活动子集)。例如下图所示的活动集合S,其中各项活动按照结束时间单调递增排序。
    
    {a3,a9,a11}是一个兼容的活动子集,但它不是最大子集,因为子集{a1,a4,a8,a11}更大,实际上它是我们这个问题的最大兼容子集,但它不是唯一的一个{a2,a4,a9,a11}
    
    
    1,动态规划算法解决思路
        我们使用Sij代表在活动ai结束之后,且在aj开始之前的那些活动的集合,我们使用c[i,j]代表Sij的最大兼容活动子集的大小,对于上述问题就是求c[0,12]的解
        a, 当i>=j-1或者Sij 中没有任何活动元素的时候, c[i,j]=0
        b,当i<j-1
            1,Sij不存在活动,c[i,j]=0
            2,Sij存在活动的时候,c[i,j]= max{c[i,k]+c[k,j]+1}  ak属于Sij,这里是遍历Sij的集合,然后求得最大兼容子集
    2,贪心算法
        想要使用贪心算法的话,得先找到适合贪心算法的规律(局部最优选择)
        对于任何非空的活动集合S,假如am是S中结束时间最早的活动,则am一定在S的某个最大兼容活动子集中。
    (如何证明上面的结论?反证法)
    
        递归解决
        迭代解决

    贪心算法 - 钱币找零问题:

    这个问题在我们的日常生活中就更加普遍了。假设1元、2元、5元、10元、20元、50元、100元的纸币分别有c0, c1, c2, c3, c4, c5, c6张。现在要用这些钱来支付K元,至少要用多少张纸币?用贪心算法的思想,很显然,每一步尽可能用面值大的纸币即可。

    int Count[N]={3,0,2,1,0,3,5};

    int Value[N]={1,2,5,10,20,50,100};

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    2019-2020-1 20175316 《信息安全系统设计基础》第1-2周学习总结
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/dsh20134584/p/7425626.html
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