(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據結構基礎程序設計方法學基本控制結構與應用舉例函數、數組和指針在程序設計中的應用文件操作與數據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，了解常用算法和數據結構。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。素質目標教學目標與要求52024/3/26教材結構本課程教材共分為導論、基礎知識、算法設計策略、數據結構、算法分析與優(yōu)化、程序設計與實現等六個部分。內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；數據結構部分介紹線性表、樹、圖等常用數據結構；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。教材結構與內容概述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數據結構基礎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。線性表的定義和性質包括順序存儲結構和鏈式存儲結構兩種，其中順序存儲結構使用一維數組表示線性表，鏈式存儲結構使用指針表示元素之間的邏輯關系。線性表的存儲結構包括初始化、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?、入隊、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，如函數調用棧、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構的非線性數據結構，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)三種基本控制結構來構建程序。結構化控制結構結構化程序設計方法162024/3/2603繼承與多態(tài)通過繼承實現代碼重用和擴展，通過多態(tài)實現同一接口的不同實現方式。01對象與類對象是現實世界事物的抽象，類是具有相同屬性和方法的對象的集合。02封裝與隱藏將數據和操作封裝在對象內部，隱藏內部實現細節(jié)，只對外提供必要的接口。面向對象程序設計方法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構。命名規(guī)范變量、函數、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基本控制結構與應用舉例192024/3/26示例1計算兩個數的和并輸出結果示例2輸入一個數，求其絕對值并輸出結果示例3輸入兩個數，交換它們的值并輸出結果順序結構程序設計舉例202024/3/26示例2判斷一個數是否為素數示例3根據輸入的年份和月份，判斷該月有多少天示例1根據輸入的成績等級，輸出對應的分數段選擇結構程序設計舉例212024/3/26示例2輸出斐波那契數列的前n項示例3輸入一個正整數n，輸出n的階乘示例1求1到100之間所有整數的和循環(huán)結構程序設計舉例222024/3/2606函數、數組和指針在程序設計中的應用232024/3/26要點三函數定義函數是一段可重用的代碼塊，用于執(zhí)行特定任務。定義函數時，需要指定函數名、參數列表和返回類型。要點一要點二函數調用通過函數名及所需參數來調用函數，執(zhí)行函數體內的代碼。調用函數時，需要遵循函數定義的參數類型和順序。參數傳遞機制參數傳遞是函數調用過程中的重要環(huán)節(jié)，包括值傳遞和引用傳遞兩種方式。值傳遞是將參數值復制給函數內部變量，而引用傳遞則是將參數的地址傳遞給函數，函數內對參數的修改將影響原始數據。要點三函數定義、調用和參數傳遞機制242024/3/26數組定義數組是一種線性數據結構，用于存儲相同類型的元素。定義數組時，需要指定數組名、元素類型和數組大小。數組初始化在定義數組時，可以直接對數組元素進行初始化。也可以通過循環(huán)或數組操作函數對數組進行賦值。數組操作技巧包括數組的遍歷、查找、排序等操作。遍歷數組可以使用循環(huán)結構；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，用于存儲內存地址。通過指針可以間接訪問和操作內存中的數據。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存中的數據。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)內存分配、數據結構實現、函數調用參數傳遞等。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文件操作與數據處理技術272024/3/26文件是存儲在外部介質上的數據集合，通常以特定的格式進行組織和存儲。根據文件的性質和用途，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據，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據，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。文件定位文件讀寫操作實現方法292024/3/26排序是將一組數據按照某種規(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據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。查找技術數據壓縮是減少數據存儲空間的過程，而數據加密是保護數據安全的過程，常見的壓縮算法和加密算法有多種。數據壓縮與加密除了排序、查找、壓縮和加密外，還有數據清洗、數據轉換、數據挖掘等其他數據處理技術。數據處理其他技術數據處理技術簡介（如排序、查找等）302024/3/2608綜合案例分析與實戰(zhàn)演練312024/3/26問題描述采用輾轉相除法求最大公約數，利用最大公約數求最小公倍數。算法設計代碼實現復雜度分析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，求解它們的最大公約數和最小公倍數。使用Python語言實現算法，并給出詳細注釋和測試用例。案例一：求解最大公約數和最小公倍數問題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復雜度分析采用棧數據結構實現表達式求值，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