《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總結(jié)》課件

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總結(jié)歡迎參加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總結(jié)課程。本課程將深入探討各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從基本概念到高級應(yīng)用。讓我們開始這段充滿挑戰(zhàn)和收獲的學(xué)習(xí)之旅。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概述組織數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、組織數(shù)據(jù)的方式。提高效率合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以提高算法的效率。解決問題不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用于不同類型的問題。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和特點(diǎn)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相互之間存在一種或多種特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合。特點(diǎn)邏輯結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)操作集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分類1線性結(jié)構(gòu)2樹形結(jié)構(gòu)3圖形結(jié)構(gòu)4其他結(jié)構(gòu)線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組連續(xù)內(nèi)存空間，支持隨機(jī)訪問。鏈表非連續(xù)內(nèi)存，支持動(dòng)態(tài)增刪。棧后進(jìn)先出（LIFO）原則。隊(duì)列先進(jìn)先出（FIFO）原則。棧1定義后進(jìn)先出的線性表2操作壓棧（push）和出棧（pop）3應(yīng)用函數(shù)調(diào)用、表達(dá)式求值隊(duì)列入隊(duì)在隊(duì)尾添加元素出隊(duì)從隊(duì)頭移除元素應(yīng)用任務(wù)調(diào)度、廣度優(yōu)先搜索鏈表單向鏈表每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)和指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針。雙向鏈表每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)指針，分別指向前一個(gè)和后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。循環(huán)鏈表最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)環(huán)。樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1定義由節(jié)點(diǎn)和邊組成，具有層次關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2特點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，但只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)。3應(yīng)用文件系統(tǒng)、組織結(jié)構(gòu)圖、語法樹。二叉樹定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的樹形結(jié)構(gòu)。類型滿二叉樹完全二叉樹平衡二叉樹二叉搜索樹1定義左子樹的所有節(jié)點(diǎn)值小于根節(jié)點(diǎn)，右子樹的所有節(jié)點(diǎn)值大于根節(jié)點(diǎn)。2查找平均時(shí)間復(fù)雜度為O(logn)。3插入和刪除操作相對簡單，但可能導(dǎo)致樹不平衡。平衡二叉樹平衡因子左右子樹高度差不超過1。旋轉(zhuǎn)操作通過旋轉(zhuǎn)維持平衡。效率保證查找、插入、刪除的時(shí)間復(fù)雜度為O(logn)。紅黑樹定義自平衡的二叉搜索樹，通過顏色屬性保持平衡。特點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)是紅色或黑色，根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)（NIL）是黑色。平衡性從根到葉子的所有路徑上，黑色節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同。應(yīng)用在很多系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中廣泛使用，如Java的TreeMap。堆1定義完全二叉樹，滿足堆屬性2類型最大堆和最小堆3操作插入、刪除、堆化4應(yīng)用優(yōu)先隊(duì)列、堆排序圖定義由頂點(diǎn)和邊組成的非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類型有向圖無向圖加權(quán)圖圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)鄰接矩陣使用二維數(shù)組表示頂點(diǎn)間的關(guān)系。鄰接表每個(gè)頂點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鏈表，存儲(chǔ)相鄰頂點(diǎn)。鄰接集使用集合存儲(chǔ)每個(gè)頂點(diǎn)的鄰接點(diǎn)。圖的遍歷算法深度優(yōu)先搜索（DFS）沿著路徑盡可能深入圖的節(jié)點(diǎn)。廣度優(yōu)先搜索（BFS）逐層訪問圖的節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用連通性分析、路徑查找。最短路徑算法1Dijkstra算法用于找到圖中單源最短路徑。2Floyd-Warshall算法用于找到所有頂點(diǎn)對之間的最短路徑。3Bellman-Ford算法可以處理負(fù)權(quán)邊的單源最短路徑問題。最小生成樹算法Prim算法從單個(gè)頂點(diǎn)開始，逐步擴(kuò)展最小生成樹。Kruskal算法按權(quán)重排序所有邊，逐步添加不形成環(huán)的邊。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、聚類分析。動(dòng)態(tài)規(guī)劃1定義通過子問題的最優(yōu)解構(gòu)建原問題的最優(yōu)解2特征重疊子問題、最優(yōu)子結(jié)構(gòu)3應(yīng)用最長公共子序列、背包問題遞歸與分治思想遞歸函數(shù)調(diào)用自身，將問題分解為更小的子問題。分治將問題分解為子問題，獨(dú)立解決后合并結(jié)果。排序算法冒泡排序O(n^2)，穩(wěn)定快速排序平均O(nlogn)，不穩(wěn)定歸并排序O(nlogn)，穩(wěn)定堆排序O(nlogn)，不穩(wěn)定查找算法1順序查找時(shí)間復(fù)雜度O(n)，適用于無序列表。2二分查找時(shí)間復(fù)雜度O(logn)，要求有序列表。3哈希查找平均時(shí)間復(fù)雜度O(1)，需要額外的存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫索引使用B樹和B+樹優(yōu)化查詢效率。網(wǎng)絡(luò)路由圖算法在網(wǎng)絡(luò)路由中的應(yīng)用。文件系統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)在文件系統(tǒng)組織中的應(yīng)用。時(shí)間復(fù)雜度分析1定義算法執(zhí)行時(shí)間與輸入規(guī)模n的關(guān)系。2大O表示法描述算法的最壞情況運(yùn)行時(shí)間。3常見復(fù)雜度O(1)、O(logn)、O(n)、O(nlogn)、O(n^2)等?？臻g復(fù)雜度分析定義算法在運(yùn)行過程中臨時(shí)占用存儲(chǔ)空間大小的量度。影響因素輸入數(shù)據(jù)的規(guī)模、算法的設(shè)計(jì)方式。常見復(fù)雜度O(1)、O(n)、O(n^2)等。權(quán)衡有時(shí)需要在時(shí)間和空間復(fù)雜度之間做出權(quán)衡。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢大數(shù)據(jù)處理適應(yīng)海量數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并行計(jì)算支持并行操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。量子計(jì)算為量子計(jì)算設(shè)計(jì)的特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。人工智能支持機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的