算法基础

介绍：

什么是算法？

算法（Algorithm）：解决问题的精确步骤。

复习：递归

递归的两个特点：

• 调用自身
• 结束条件

看下面几个函数，哪个是递归，区别是什么：

def func1(x):
    print(x)
    func1(x-1)

def func2(x):
    if x>0:
        print(x)
        func2(x+1)

def func3(x):
    if x>0:
        print(x)
        func3(x-1)

def func4(x):
    if x>0:
        func4(x-1)
        print(x)

# func3和func4是递归
func3 是先打印再递归，func4是先递归再打印。
print(func3(3)) 输出：3 2 1 None
print(func4(3)) 输出：1 2 3 None

递归，练习：

def func(depth):
    if depth == 0:
        print("我的小鲤鱼", end="")
    else:
        print("抱着", end="")
        func(depth - 1)
        print("的我", end="")
        
func(3)

有序区：有的地方的数据已经完全变得有顺序，我们把这部分区域的数据成为有序区
无序区：有的地方的数据依旧无序，我们把这部分数据成为无序区

时间复杂度和空间复杂度：
时间复杂度是用来估计算法运行时间的一个式子（单位）。

一般来说，时间复杂度高的算法比复杂度低的算法慢。
常见的时间复杂度（按效率排序）
O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n2)<O(n2logn)<O(n3)
不常见的时间复杂度（看看就好）
O(n!) O(2n) O(nn) …

时间复杂度：
类比生活中的一些时间，估计实现:

眨一下眼			一瞬间/几毫秒
口算“29+68”		几秒
烧一壶水			几分钟
睡一觉			几小时
完成一个项目		几天/几星期/几个月
飞船从地球飞出太阳系	几年

如何一眼判断时间复杂度？

1. 循环减半的过程 O(logn)
2. 几次循环就是n的几次方的复杂度

空间复杂度：是用来评估算法内存占用大小的一个式子。

生产环境中，一般只考虑时间复杂度，很少考虑空间复杂度。
“空间换时间”，增加空间复杂度，能减少时间复杂度。

注：普通电脑计算能力是10的7次方到8次方之间。

 一、冒泡排序

 冒泡排序思路：

首先，列表每两个相邻的数，如果前边的比后边的大，那么交换这两个数...

代码关键点：

1. 趟
2. 无序区

注：趟表示从头到尾走一遍，趟是从0趟开始得。

总结：

1. 优化，如果冒泡排序中执行一趟而没有交换，则列表已经是有序状态，可以直接结束算法。
2. 冒泡时间复杂度：O(n^2) 
   • 最好情况复杂度 O(n)
   • 平均情况复杂度 O(n^2)
   • 最坏情况复杂度 O(n^2)

import random as rd
import time
import copy
import sys

def cal_time(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        t1 = time.time()
        x = func(*args, **kwargs)
        t2 = time.time()
        print("%s running time %s secs." % (func.__name__, t2 - t1))
        return x
    return wrapper


@cal_time
def bubble_sort(li):
    for i in range(len(li) -1):
        for j in range(len(li) -i -1):
            if li[j] > li[j+1]:
                li[j], li[j+1] = li[j+1], li[j]
    return li


@cal_time
def sys_sort(li):
    li.sort()
    return li


li = list(range(10000))
rd.shuffle(li)
print(li)
li1 = copy.deepcopy(li)
li2 = copy.deepcopy(li)
li3 = copy.deepcopy(li)

bubble_sort(li1)
sys_sort(li2)

执行结果：

dubble_sort running time 0.013000726699829102 secs.
sys_sort running time 0.008000373840332031 secs.

优化代码：

def bubble_sort(li):
    for i in range(len(li) -1):
        exchange = False
        for j in range(len(li) -i -1):
            if li[j] > li[j+1]:
                li[j], li[j+1] = li[j+1], li[j]
                exchange = True
        if not exchange:
            break
    return li

二、选择排序

选择排序思路：

一趟遍历记录最小的数，放到第一个位置；
再一趟遍历记录剩余列表中最小的数，继续放置；
……

三、插入排序

列表被分为有序区和无序区两个部分。最初有序区只有一个元素。
每次从无序区选择一个元素，插入到有序区的位置，直到无序区变空。

四、快排

快速排序突出一个字快，是好写的排序算法里最快的，快的排序算法里最好写得。

快排算法关键点：

1. 归位
2. 递归

快排思路：

1. 取一个元素P（第一个元素），使元素p归位。
2. 列表被p分成两部分，左边都比p小，右边都比p大。
3. 递归完成排序。

　　

 总结，问题：

1. 最坏情况，复杂度增加 O(n^2)
2. 递归（递归限制）

import random as rd
import time
import sys
import copy

设置递归限制
sys.setrecursionlimit(100000)


def cal_time(func):
    def wrapper(*args,**kwargs):
        t1 = time.time()
        x = func(*args,**kwargs)
        t2 = time.time()
        print("%s running time %s secs." % (func.__name__, t2 - t1))
        return x
    return wrapper


@cal_time
def sys_sort(li):
    li.sort()
    return li

def _quick_sort(data, left, right):
    if left < right:
        mid = partition(data, left, right)
        _quick_sort(data, left, mid-1)
        _quick_sort(data, mid + 1, right)


def partition(data, left, right):
    tmp = data[left]
    while left < right:
        while left < right and data[right]>=tmp:
            right-=1
        data[left]=data[right]
        while left < right and data[left]<=tmp:
            left+=1
        data[right]=data[left]
    data[left]=tmp
    return left

@cal_time
def quick_sort(data):
    return _quick_sort(data, 0, len(data)-1)


li = list(range(100000))
rd.shuffle(li)
li1 = copy.deepcopy(li)
li2 = copy.deepcopy(li)
quick_sort(li1)
sys_sort(li2)

 五、希尔排序

希尔排序思路：

注：希尔排序每趟并不使某些元素有序，而是使整体数据越来越接近有序；最后一趟排序使得所有数据有序。

时间复杂度：

O((1+τ)n) ,τ表示在0到1之间
O(1.3n)

代码实现：

def insert_sort_gap(li, gap):
    for i in range(gap, len(li)):
        tmp = li[i]
        j = i - gap
        while j >= 0 and tmp < li[j]:
            li[j + gap] = li[j]
            j = j - gap
        li[j + gap]  = tmp

def shell_sort(li):
    d = len(li) // 2
    while d > 0:
        insert_sort_gap(li, d)
        d = d //2
    return li
li=[3,4,5,1,2,9,8,11]
print(shell_sort(li))

优化代码：

def shell_sort(li):
    gap = len(li) // 2
    while gap > 0:
        for i in range(gap, len(li)):
            tmp = li[i]
            j = i - gap
            while j >=0 and tmp < li[j]:
                li[j + gap] = li[j]
                j -= gap
            li[j + gap] = tmp
        gap = gap // 2
    return li

li=[3,4,5,1,2,9,8,11]
print(shell_sort(li))

 排序小结：