c数据结构和算法:算法和数据结构

1 (1) 什么叫算法 算法(Algorithm)是解题的步骤,可以把算法定义成解一确定类问题的任意一种特殊的方法。在计算机科学中,算法要用计算机算法语言描述,算法代表用计算机解一类问题的精确、有效的方法。算法+数据结构=程序,求解一个给定的可计算或可解的问题,不同的人可以编写出不同的程序,来解决同一个问题,这里存在两个问题:一是与计算方法密切相关的算法问题;二是程序设计的技术问题。算法和程序之间存在密切的关系。
算法是一组有穷的规则,它们规定了解决某一特定类型问题的一系列运算,是对解题方案的准确与完整的描述。制定一个算法,一般要经过设计、确认、分析、编码、测试、调试、计时等阶段。
对算法的学习包括五个方面的内容:① 设计算法。算法设计工作是不可能完全自动化的,应学习了解已经被实践证明是有用的一些基本的算法设计方法,这些基本的设计方法不仅适用于计算机科学,而且适用于电气工程、运筹学等领域;② 表示算法。描述算法的方法有多种形式,例如自然语言和算法语言,各自有适用的环境和特点;③确认算法。算法确认的目的是使人们确信这一算法能够正确无误地工作,即该算法具有可计算性。正确的算法用计算机算法语言描述,构成计算机程序,计算机程序在计算机上运行,得到算法运算的结果;④ 分析算法。算法分析是对一个算法需要多少计算时间和存储空间作定量的分析。分析算法可以预测这一算法适合在什么样的环境中有效地运行,对解决同一问题的不同算法的有效性作出比较;⑤ 验证算法。用计算机语言描述的算法是否可计算、有效合理,须对程序进行测试,测试程序的工作由调试和作时空分布图组成。
(2)算法的特性
算法的特性包括:① 确定性。算法的每一种运算必须有确定的意义,该种运算应执行何种动作应无二义性,目的明确;② 能行性。要求算法中有待实现的运算都是基本的,每种运算至少在原理上能由人用纸和笔在有限的时间内完成;③ 输入。一个算法有0个或多个输入,在算法运算开始之前给出算法所需数据的初值,这些输入取自特定的对象集合;④ 输出。作为算法运算的结果,一个算法产生一个或多个输出,输出是同输入有某种特定关系的量;⑤ 有穷性。一个算法总是在执行了有穷步的运算后终止,即该算法是可达的。
满足前四个特性的一组规则不能称为算法,只能称为计算过程,操作系统是计算过程的一个例子,操作系统用来管理计算机资源,控制作业的运行,没有作业运行时,计算过程并不停止,而是处于等待状态。
2算法的描述
算法的描述方法可以归纳为以下几种:
(1) 自然语言;
(2) 图形,如NS图、流程图,图的描述与算法语言的描述对应;
(3) 算法语言,即计算机语言、程序设计语言、伪代码;
(4) 形式语言,用数学的方法,可以避免自然语言的二义性。
用各种算法描述方法所描述的同一算法,该算法的功用是一样的,允许在算法的描述和实现方法上有所不同。
人们的生产活动和日常生活离不开算法,都在自觉不自觉地使用算法,例如人们到商店购买物品,会首先确定购买哪些物品,准备好所需的钱,然后确定到哪些商场选购、怎样去商场、行走的路线,若物品的质量好如何处理,对物品不满意又怎样处理,购买物品后做什么等。以上购物的算法是用自然语言描述的,也可以用其他描述方法描述该算法。
图3.3用流程图描述算法的例子,其函数为:


图3.3是用流程图图形描述算法
3算法的复杂性
算法的复杂性是算法效率的度量,在评价算法性能时,复杂性是一个重要的依据。算法的复杂性的程度与运行该算法所需要的计算机资源的多少有关,所需要的资源越多,表明该算法的复杂性越高;所需要的资源越少,表明该算法的复杂性越低。
计算机的资源,最重要的是运算所需的时间和存储程序和数据所需的空间资源,算法的复杂性有时间复杂性和空间复杂性之分。
算法在计算机上执行运算,需要一定的存储空间存放描述算法的程序和算法所需的数据,计算机完成运算任务需要一定的时间。根据不同的算法写出的程序放在计算机上运算时,所需要的时间和空间是不同的,算法的复杂性是对算法运算所需时间和空间的一种度量。不同的计算机其运算速度相差很大,在衡量一个算法的复杂性要注意到这一点。
对于任意给定的问题,设计出复杂性尽可能低的算法是在设计算法时考虑的一个重要目标。另外,当给定的问题已有多种算法时,选择其中复杂性
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