(2024年)算法與程序設計課件

算法與程序設計課件12024/3/26CATALOGUE目錄課程介紹與教學目標算法基礎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎程序設計方法學基本控制結(jié)構(gòu)與應用舉例函數(shù)、數(shù)組和指針在程序設計中的應用文件操作與數(shù)據(jù)處理技術綜合案例分析與實戰(zhàn)演練22024/3/2601課程介紹與教學目標32024/3/26計算機科學與技術發(fā)展的重要組成部分算法與程序設計是計算機科學的核心內(nèi)容，對于培養(yǎng)計算思維、提高問題解決能力具有重要意義。適應信息化時代的需求當前社會正處于信息化時代，掌握算法與程序設計技能對于應對未來挑戰(zhàn)具有重要意義。推動相關領域的發(fā)展算法與程序設計不僅應用于計算機科學領域，還廣泛涉及數(shù)學、物理、化學、生物等多個學科領域，對于推動這些領域的發(fā)展具有重要作用。課程背景與意義42024/3/26掌握算法與程序設計的基本概念、原理和方法，了解常用算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。知識目標能夠運用所學知識分析和解決實際問題，具備設計和實現(xiàn)算法的能力。能力目標培養(yǎng)學生的計算思維、創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作能力。素質(zhì)目標教學目標與要求52024/3/26教材結(jié)構(gòu)本課程教材共分為導論、基礎知識、算法設計策略、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析與優(yōu)化、程序設計與實現(xiàn)等六個部分。內(nèi)容概述導論部分介紹算法與程序設計的概念、歷史和發(fā)展趨勢；基礎知識部分包括數(shù)學基礎、編程基礎等；算法設計策略部分講解分治策略、動態(tài)規(guī)劃、貪心算法等常用算法設計策略；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分介紹線性表、樹、圖等常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；算法分析與優(yōu)化部分講解時間復雜度分析、空間復雜度分析以及算法優(yōu)化方法；程序設計與實現(xiàn)部分則以實際案例為例，講解程序設計的流程、方法和技巧。教材結(jié)構(gòu)與內(nèi)容概述62024/3/2602算法基礎72024/3/26算法是一組有窮的規(guī)則，它們規(guī)定了解決某一特定類型問題的一系列運算步驟。算法定義確定性、有窮性、可行性、輸入項、輸出項。算法特性算法概念及特性82024/3/26使用自然語言描述算法步驟，易于理解但不夠精確。自然語言描述流程圖描述偽代碼描述使用圖形符號表示算法步驟，直觀形象但不易于計算機執(zhí)行。使用類似于編程語言的語法描述算法，精確且易于理解。030201算法表示方法92024/3/26123評估算法執(zhí)行時間隨問題規(guī)模增長的變化情況，常用大O表示法。時間復雜度評估算法執(zhí)行過程中所需額外空間的數(shù)量級，也常用大O表示法表示?？臻g復雜度對算法在不同情況下的性能進行評估和比較。最好、最壞和平均情況分析算法復雜度分析102024/3/2603數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎112024/3/26線性表是一種具有n個元素的有限序列，具有順序性、元素唯一性、元素可重復性等性質(zhì)。線性表的定義和性質(zhì)包括順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈式存儲結(jié)構(gòu)兩種，其中順序存儲結(jié)構(gòu)使用一維數(shù)組表示線性表，鏈式存儲結(jié)構(gòu)使用指針表示元素之間的邏輯關系。線性表的存儲結(jié)構(gòu)包括初始化、插入、刪除、查找等基本操作，以及這些操作的時間復雜度和空間復雜度分析。線性表的基本操作線性表及其操作實現(xiàn)122024/3/26棧的基本概念及操作01棧是一種后進先出（LIFO）的線性表，只允許在一端（稱為棧頂）進行插入和刪除操作?；静僮靼ǔ跏蓟?、入棧、出棧、取棧頂元素等。隊列的基本概念及操作02隊列是一種先進先出（FIFO）的線性表，只允許在一端（稱為隊尾）進行插入操作，在另一端（稱為隊頭）進行刪除操作?；静僮靼ǔ跏蓟⑷腙?、出隊、取隊頭元素等。棧和隊列的應用03棧和隊列在計算機科學中具有廣泛的應用，如函數(shù)調(diào)用棧、表達式求值、緩沖區(qū)處理等。棧和隊列及其應用132024/3/26樹是一種具有層次結(jié)構(gòu)的非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點和邊組成，具有唯一的根節(jié)點和若干個子節(jié)點。樹的基本術語包括節(jié)點、邊、路徑、度、葉子節(jié)點等。樹的基本概念二叉樹是一種特殊的樹，每個節(jié)點最多只有兩個子節(jié)點，分別稱為左子節(jié)點和右子節(jié)點。二叉樹的基本性質(zhì)包括二叉樹的形態(tài)、完全二叉樹、滿二叉樹等。二叉樹的基本概念包括初始化、插入節(jié)點、刪除節(jié)點、遍歷等操作。其中遍歷操作是樹和二叉樹的核心操作之一，包括前序遍歷、中序遍歷、后序遍歷和層次遍歷等。樹和二叉樹的基本操作樹和二叉樹基本概念及操作142024/3/2604程序設計方法學152024/3/26從高層次開始設計，逐步細化到具體的實現(xiàn)細節(jié)。自頂向下設計將程序劃分為若干個獨立的、可重用的模塊，每個模塊具有特定的功能。模塊化設計使用順序、選擇和循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)來構(gòu)建程序。結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)化程序設計方法162024/3/2603繼承與多態(tài)通過繼承實現(xiàn)代碼重用和擴展，通過多態(tài)實現(xiàn)同一接口的不同實現(xiàn)方式。01對象與類對象是現(xiàn)實世界事物的抽象，類是具有相同屬性和方法的對象的集合。02封裝與隱藏將數(shù)據(jù)和操作封裝在對象內(nèi)部，隱藏內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，只對外提供必要的接口。面向?qū)ο蟪绦蛟O計方法172024/3/26簡潔明了代碼應簡潔、清晰、易于理解，避免冗余和復雜的邏輯結(jié)構(gòu)。命名規(guī)范變量、函數(shù)、類等命名應符合規(guī)范，易于理解和記憶。注釋規(guī)范在關鍵部分添加注釋，解釋代碼的功能和實現(xiàn)原理，方便他人閱讀和理解。代碼格式化統(tǒng)一代碼格式和縮進風格，提高代碼的可讀性和美觀度。程序設計風格與規(guī)范182024/3/2605基本控制結(jié)構(gòu)與應用舉例192024/3/26示例1計算兩個數(shù)的和并輸出結(jié)果示例2輸入一個數(shù)，求其絕對值并輸出結(jié)果示例3輸入兩個數(shù)，交換它們的值并輸出結(jié)果順序結(jié)構(gòu)程序設計舉例202024/3/26示例2判斷一個數(shù)是否為素數(shù)示例3根據(jù)輸入的年份和月份，判斷該月有多少天示例1根據(jù)輸入的成績等級，輸出對應的分數(shù)段選擇結(jié)構(gòu)程序設計舉例212024/3/26示例2輸出斐波那契數(shù)列的前n項示例3輸入一個正整數(shù)n，輸出n的階乘示例1求1到100之間所有整數(shù)的和循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設計舉例222024/3/2606函數(shù)、數(shù)組和指針在程序設計中的應用232024/3/26要點三函數(shù)定義函數(shù)是一段可重用的代碼塊，用于執(zhí)行特定任務。定義函數(shù)時，需要指定函數(shù)名、參數(shù)列表和返回類型。要點一要點二函數(shù)調(diào)用通過函數(shù)名及所需參數(shù)來調(diào)用函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)體內(nèi)的代碼。調(diào)用函數(shù)時，需要遵循函數(shù)定義的參數(shù)類型和順序。參數(shù)傳遞機制參數(shù)傳遞是函數(shù)調(diào)用過程中的重要環(huán)節(jié)，包括值傳遞和引用傳遞兩種方式。值傳遞是將參數(shù)值復制給函數(shù)內(nèi)部變量，而引用傳遞則是將參數(shù)的地址傳遞給函數(shù)，函數(shù)內(nèi)對參數(shù)的修改將影響原始數(shù)據(jù)。要點三函數(shù)定義、調(diào)用和參數(shù)傳遞機制242024/3/26數(shù)組定義數(shù)組是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲相同類型的元素。定義數(shù)組時，需要指定數(shù)組名、元素類型和數(shù)組大小。數(shù)組初始化在定義數(shù)組時，可以直接對數(shù)組元素進行初始化。也可以通過循環(huán)或數(shù)組操作函數(shù)對數(shù)組進行賦值。數(shù)組操作技巧包括數(shù)組的遍歷、查找、排序等操作。遍歷數(shù)組可以使用循環(huán)結(jié)構(gòu)；查找元素可以使用線性查找或二分查找等算法；排序可以使用冒泡排序、選擇排序、插入排序等算法。數(shù)組定義、初始化及操作技巧252024/3/26指針概念指針是一種特殊類型的變量，用于存儲內(nèi)存地址。通過指針可以間接訪問和操作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。指針操作包括指針的聲明、賦值、解引用等操作。聲明指針時需要指定指針類型和變量名；賦值操作可以將變量的地址賦給指針；解引用操作可以通過指針訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。指針在程序設計中應用指針在程序設計中具有廣泛的應用，如動態(tài)內(nèi)存分配、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、函數(shù)調(diào)用參數(shù)傳遞等。使用指針可以提高程序的靈活性和效率，但同時也需要注意內(nèi)存泄漏和野指針等問題。指針概念、操作及其在程序設計中應用262024/3/2607文件操作與數(shù)據(jù)處理技術272024/3/26文件是存儲在外部介質(zhì)上的數(shù)據(jù)集合，通常以特定的格式進行組織和存儲。根據(jù)文件的性質(zhì)和用途，可分為文本文件、二進制文件、圖像文件、音頻文件、視頻文件等。文件概念及分類文件分類文件概念282024/3/26在使用文件前，需要先打開文件，使用完畢后要關閉文件，以釋放系統(tǒng)資源。文件打開與關閉從文件中讀取數(shù)據(jù)，可以使用不同的讀取方式，如逐行讀取、按塊讀取等。文件讀取向文件中寫入數(shù)據(jù)，可以使用不同的寫入方式，如追加寫入、覆蓋寫入等。文件寫入在文件中進行定位，可以使用文件指針或文件位置標記來實現(xiàn)。文件定位文件讀寫操作實現(xiàn)方法292024/3/26排序是將一組數(shù)據(jù)按照某種規(guī)則進行排列的過程，常見的排序算法有冒泡排序、選擇排序、插入排序、歸并排序等。排序技術查找是在數(shù)據(jù)集合中查找指定元素的過程，常見的查找算法有線性查找、二分查找、哈希查找等。查找技術數(shù)據(jù)壓縮是減少數(shù)據(jù)存儲空間的過程，而數(shù)據(jù)加密是保護數(shù)據(jù)安全的過程，常見的壓縮算法和加密算法有多種。數(shù)據(jù)壓縮與加密除了排序、查找、壓縮和加密外，還有數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)挖掘等其他數(shù)據(jù)處理技術。數(shù)據(jù)處理其他技術數(shù)據(jù)處理技術簡介（如排序、查找等）302024/3/2608綜合案例分析與實戰(zhàn)演練312024/3/26問題描述采用輾轉(zhuǎn)相除法求最大公約數(shù)，利用最大公約數(shù)求最小公倍數(shù)。算法設計代碼實現(xiàn)復雜度分析01020403分析算法的時間復雜度和空間復雜度，并給出優(yōu)化建議。給定兩個正整數(shù)，求解它們的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)。使用Python語言實現(xiàn)算法，并給出詳細注釋和測試用例。案例一：求解最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)問題322024/3/26設計一個簡單計算器，支持加、減、乘、除四種基本運算。問題描述算法設計代碼實現(xiàn)復雜度分析采用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)表達式求值，處理運算符優(yōu)先級和括號問題。使用Python語言實現(xiàn)計算器功能，包括輸入處理、表達式解析和求值等部分。分析算法的時間復雜度和空間復雜度，并給出優(yōu)化建議。案例二：實現(xiàn)簡單計算器功能332024/3/26案例三：求解背包問題優(yōu)化算法設計