編程內功修煉 - 算法


編程內功講什么?

主要講解以下算法:
分治法
堆排序
二叉樹
動態規划
貪心算法
圖

 

 

算法的作用:

算法解決了哪些問題?
互聯網信息的訪問檢測,海量數據的管理
在一個交通圖中,尋找最近的路
人類基因工程,dna有10萬個基因,處理這些基因序列需要復雜的算法支持

上面的算法是我們沒有接觸到,或者是封裝到底層的東西,那么作為程序員,在日常編碼過程中會在什么地方使用算法呢?
在你利用代碼去編寫程序,去解決問題的時候,其實這些編碼過程都可以總結成一個算法,只是有些算法看起來比較普遍比較一般,偶爾我們也會涉及一些復雜的算法比如一些AI.
大多數我們都會利用已有的思路(算法)去開發游戲!

注意地方:
編程內功主要講解的是算法,並不會講解Unity的使用

 

 

分治算法:

分治策略是:對於一個規模為n的問題,若該問題可以容易地解決(比如說規模n較小)則直接解決,否則將其分解為k個規模較小的子問題,這些子問題互相獨立且與原問題形式相同,遞歸地解這些子問題,然后將各子問題的解合並得到原問題的解。這種算法設計策略叫做分治法。

可使用分治法求解的一些經典問題
(1)二分搜索
(2)大整數乘法
(3)Strassen矩陣乘法
(4)棋盤覆蓋
(5)合並排序
(6)快速排序
(7)線性時間選擇
(8)最接近點對問題
(9)循環賽日程表
(10)漢諾塔

 

 

分治算法 - 最大子數組問題:

股票問題 1,暴力求解 2,分治法

 

樹(數據結構的一種 ):

什么是樹?
1,空樹

2,只有一個根節點的樹

3

什么是子樹?  什么是父子結點?  什么是根節點?  什么是度?(擁有子樹的個數稱為結點的度)
結點關系:孩子,兄弟

 

 

什么是樹的層次? 最大層是樹的深度 什么是有序樹和無序樹?

 

 

 

樹的錯誤案例:

1,樹只有一個根節點

2,子樹之間是不相交的

3,一個結點不能有兩個父結點

 

 

樹的存儲結構:

存儲結構一般是 順序存儲和鏈式存儲。

 

 

樹的關系復雜 使用鏈式存儲

1,雙親表示法

2,孩子表示法

3,孩子兄弟表示法

 

 

二叉樹:

什么是二叉樹?

1,空二叉樹 2,只有根結點 3,大於一個結點 什么是左右子樹?

 

 

特殊二叉樹:

1,斜樹 左斜樹 右斜樹

2,滿二叉樹

 

3,完全二叉樹

 

 

非完全二叉樹:

 

二叉樹性質

1,在二叉樹的第i層上最多有 2i-1個結點(i>=12,深度為k的二叉樹至多有2k-1個結點
    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,對於一個完全二叉樹,假設它有n個結點,對結點進行從1開始編號,對任一結點i滿足下面
    a,它的雙親是結點 i/2  (除了i=1的情況)
    b,左孩子是 2i  右孩子是 2i+1
    c,如果2i>n 說明無左孩子   2i+1>n 說明無右孩子

 

 

二叉樹存儲結構:

一般的樹來說是一對多的關系,使用順序結構存儲起來比較困難,但是二叉樹是一種特殊的樹,每個結點最多有兩個子節點,並且子節點有左右之分,並且兄弟,父親,孩子可以很方便的通過編號得到,所以我們使用順序存儲結構使用二叉樹的存儲。

 

二叉樹存儲 - 1:

 

二叉樹存儲 - 2:

 

二叉樹存儲 - 3:

順序存儲一般只用於完全二叉樹

 

二叉樹 - 二叉鏈表存儲:

二叉樹每個結點最多有兩個孩子,所以為它設計一個數據域和兩個指針域,我們稱這樣的鏈表為二叉鏈表。

 

 

二叉樹的遍歷:

二叉樹的遍歷是指從根結點出發,按照某種次序依次訪問二叉樹中的所有結點,使得每個結點被訪問一次且僅被訪問一次。
1,前序遍歷
    先輸出當前結點的數據,再依次遍歷輸出左結點和右結點

    A    (B)     (C)
                B (D)     C (E) F
                  D G H     E I
           A B D G H C E I

 

2,中序遍歷
    先遍歷輸出左結點,再輸出當前結點的數據,再遍歷輸出右結點
    GDH B A E I C F

3,后序遍歷
    先遍歷輸出左結點,再遍歷輸出右結點,最后輸出當前結點的數據
 G H D B I E F C A

4,層序遍歷 從樹的第一層開始,從上到下逐層遍歷,在同一層中,從左到右對結點 逐個訪問輸出

 

二叉排序樹:

二叉排序樹,又稱為二叉查找樹。它或者是一棵空樹,或者是具有下列性質的二叉樹。
    若它的左子樹不為空,則左子樹上所有的結點的值均小於根結構的值;
    若它的右子樹不為空,則右字數上所有結點的值均大於它的根結點的值;
    它的左右子樹也分別為二叉排序樹。
1,排序方便
2,方便查找
3,方便插入和刪除

 

二叉排序樹 刪除操作:

二叉排序樹

二叉排序樹刪除

1,葉子結點

2,僅有左子樹或者右子數的結點

3,左右子樹都有

 

二叉排序樹的存儲

因為二叉排序樹的存儲,跟自身值的大小有關系,並不是想之前學習的完全二叉樹使用順序結構可以存儲的 所以我們使用鏈式結構存儲二叉排序樹。 

一個是樹類的定義 BSTree

一個是結點類的定義BSNode

 

 

堆是具有下列性質的完全二叉樹:每個結點的值都大於或等於其左右孩子結點的值,稱為大頂堆;或者每個結點的值都小於等於其左右孩子結點的值,稱為小頂堆!

 

 

堆排序

堆排序算法就是利用堆(小頂堆或者大頂堆)進行排序的方法。 將待排序的序列構造成一個大頂堆,此時整個序列的最大值就是根節點。將它移走(跟堆的最后一個元素交換,此時末尾元素就是最大值),然后將剩余的n-1個序列重新構造成一個堆,這樣就會得到n個元素中的次小值。如此反復執行,便能得到一個有序序列了。

 

 

堆排序:

 

動態規划(Dynamic Programming):

什么是動態規划,我們要如何描述它?

動態規划算法通常基於一個遞推公式及一個或多個初始狀態。當前子問題的解將由上一次子問題的解推出。

動態規划和分治法相似,都是通過組合子問題的解來求解原問題。分治法將問題划分成互不相交的子問題,遞歸求解子問題,再將他們的解組合起來,求出原問題的解。與之相反,動態規划應用於子問題重疊的情況,即不同的子問題具有公共的子子問題。在這種情況下,分治算法會做出許多不必要的工作,它會反復的求解那些公共子問題。而動態規划算法對每個子子問題只求解一次,將結果保存到表格中,從而無需每次求解一個子子問題都要重新計算。

 

 

動態規划 - 鋼條切割問題:

假定我們知道sering公司出售一段長度為I英寸的鋼條的價格為pi(i=1,2,3….)鋼條長度為整英寸如圖給出價格表的描述(任意長度的鋼條價格都有)

先給我們一段長度為n的鋼條,問怎么切割,獲得的收益最大 rn?
考慮n=4的時候

假如一個最優解把n段七個成了k段(1<=k<=n),那么最優切割方案:
    
最大收益:
    


第一種求最優解方案:
對於 r n (n>=1),最優切割收益:
    
將切割方案分成下面幾種
1,不切割  收益為pn
2,將它切割成兩半,切割成兩半的情況有,對每種情況求最優解
    (1,n-1) (2,n-2) (3,n-3) (4,n-4) ..... (n-1,1)
    對這兩半分別求最優解,最優解的和就是當前情況的最優解

第二種求最優解方案:
我們從鋼條的左邊切下長度為i的一段,只對右邊剩下長度為n-i的一段繼續進行切割,對左邊的不再切割。這樣,不做任何切割的方案就是:當第一段長度為n的時候,收益為pn,剩余長度為0,對應的收益為0。如果第一段長度為i,收益為pi:

代碼實現 - 自頂向下遞歸實現
分析效率,關於上述方法的運行性能時間問題。

動態規划的方法進行求解
上面的方法之所以效率很低,是因為它反復求解相同的子問題。因此,動態規划算法安排求解的順序,對每個子問題只求解一次,並將結果保存下來。如果隨后再次需要此子問題的解,只需查找保存的結果,不必重新計算。因此動態規划的方法是付出額外的內存空間來節省計算時間。
動態規划有兩種等價的實現方法(我們使用上面的鋼條切割問題為例,實現這兩種方法)
第一種方法是 帶備忘的自頂向下法
    此方法依然是按照自然的遞歸形式編寫過程,但過程中會保存每個子問題的解(通常保存在一個數組中)。當需要計算一個子問題的解時,過程首先檢查是否已經保存過此解。如果是,則直接返回保存的值,從而節省了計算時間;如果沒有保存過此解,按照正常方式計算這個子問題。我們稱這個遞歸過程是帶備忘的。
第二種方法是 自底向上法
    首先恰當的定義子問題的規模,使得任何問題的求解都只依賴於更小的子問題的解。因而我們將子問題按照規模排序,按從小到大的順序求解。當求解某個問題的時候,它所依賴的更小的子問題都已經求解完畢,結果已經保存。 

 

動態規划 - 01背包問題:

問題描述:
    假設現有容量m kg的背包,另外有i個物品,重量分別為w[1] w[2] ... w[i] (kg),價值分別為p[1] p[2] ... p[i] (元),將哪些物品放入背包可以使得背包的總價值最大?最大價值是多少?
(示例一:m=10  i=3  重量和價值分別為 3kg-4元 4kg-5元 5kg-6元  )
1,窮舉法(把所有情況列出來,比較得到 總價值最大的情況)
    如果容量增大,物品增多,這個方法的運行時間將成指數增長
2,動態規划算法
    我們要求得i個物體放入容量為m(kg)的背包的最大價值(記為 c[i,m])。在選擇物品的時候,對於每種物品i只有兩種選擇,即裝入背包或不裝入背包。某種物品不能裝入多次(可以認為每種物品只有一個),因此該問題被稱為0-1背包問題
    對於c[i,m]有下面幾種情況:
    a、c[i,0]=c[0,m]=0
    b、c[i,m]=c[i-1,m]  w[i]>m(最后一個物品的重量大於容量,直接舍棄不用)
        w[i]<=m的時候有兩種情況,一種是放入i,一種是不放入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)

 

 

貪心算法:

對於許多最優化問題,使用動態規划算法來求最優解有些殺雞用牛刀了,可以使用更加簡單、更加高效的算法。貪心算法就是這樣的算法,它在每一步做出當時看起來最佳的選擇。也就是說它總是做出局部最優的選擇,從而得到全局最優解。

對於某些問題並不保證得到最0優解,但對很多問題確實可以求得最優解。

 

 

貪心算法 - 活動選擇問題:

有n個需要在同一天使用同一個教室的活動a1,a2,…,an,教室同一時刻只能由一個活動使用。每個活動ai都有一個開始時間si和結束時間fi 。一旦被選擇后,活動ai就占據半開時間區間[si,fi)。如果[si,fi]和[sj,fj]互不重疊,ai和aj兩個活動就可以被安排在這一天。該問題就是要安排這些活動使得盡量多的活動能不沖突的舉行(最大兼容活動子集)。例如下圖所示的活動集合S,其中各項活動按照結束時間單調遞增排序。

{a3,a9,a11}是一個兼容的活動子集,但它不是最大子集,因為子集{a1,a4,a8,a11}更大,實際上它是我們這個問題的最大兼容子集,但它不是唯一的一個{a2,a4,a9,a11}

1,動態規划算法解決思路
    我們使用Sij代表在活動ai結束之后,且在aj開始之前的那些活動的集合,我們使用c[i,j]代表Sij的最大兼容活動子集的大小,對於上述問題就是求c[0,12]的解
    a, 當i>=j-1或者Sij 中沒有任何活動元素的時候, c[i,j]=0
    b,當i<j-1
        1,Sij不存在活動,c[i,j]=0
        2,Sij存在活動的時候,c[i,j]= max{c[i,k]+c[k,j]+1}  ak屬於Sij,這里是遍歷Sij的集合,然后求得最大兼容子集
2,貪心算法
    想要使用貪心算法的話,得先找到適合貪心算法的規律(局部最優選擇)
    對於任何非空的活動集合S,假如am是S中結束時間最早的活動,則am一定在S的某個最大兼容活動子集中。
(如何證明上面的結論?反證法)

    遞歸解決
    迭代解決

 

貪心算法 - 錢幣找零問題:

這個問題在我們的日常生活中就更加普遍了。假設1元、2元、5元、10元、20元、50元、100元的紙幣分別有c0, c1, c2, c3, c4, c5, c6張。現在要用這些錢來支付K元,至少要用多少張紙幣?用貪心算法的思想,很顯然,每一步盡可能用面值大的紙幣即可。

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

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

 


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