(2024年)算法与程序设计课件

算法与程序设计课件12024/3/26CATALOGUE目录课程介绍与教学目标算法基础数据结构基础程序设计方法学基本控制结构与应用举例函数、数组和指针在程序设计中的应用文件操作与数据处理技术综合案例分析与实战演练22024/3/2601课程介绍与教学目标32024/3/26计算机科学与技术发展的重要组成部分算法与程序设计是计算机科学的核心内容，对于培养计算思维、提高问题解决能力具有重要意义。适应信息化时代的需求当前社会正处于信息化时代，掌握算法与程序设计技能对于应对未来挑战具有重要意义。推动相关领域的发展算法与程序设计不仅应用于计算机科学领域，还广泛涉及数学、物理、化学、生物等多个学科领域，对于推动这些领域的发展具有重要作用。课程背景与意义42024/3/26掌握算法与程序设计的基本概念、原理和方法，了解常用算法和数据结构。知识目标能够运用所学知识分析和解决实际问题，具备设计和实现算法的能力。能力目标培养学生的计算思维、创新精神和团队协作能力。素质目标教学目标与要求52024/3/26教材结构本课程教材共分为导论、基础知识、算法设计策略、数据结构、算法分析与优化、程序设计与实现等六个部分。内容概述导论部分介绍算法与程序设计的概念、历史和发展趋势；基础知识部分包括数学基础、编程基础等；算法设计策略部分讲解分治策略、动态规划、贪心算法等常用算法设计策略；数据结构部分介绍线性表、树、图等常用数据结构；算法分析与优化部分讲解时间复杂度分析、空间复杂度分析以及算法优化方法；程序设计与实现部分则以实际案例为例，讲解程序设计的流程、方法和技巧。教材结构与内容概述62024/3/2602算法基础72024/3/26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步骤。算法定义确定性、有穷性、可行性、输入项、输出项。算法特性算法概念及特性82024/3/26使用自然语言描述算法步骤，易于理解但不够精确。自然语言描述流程图描述伪代码描述使用图形符号表示算法步骤，直观形象但不易于计算机执行。使用类似于编程语言的语法描述算法，精确且易于理解。030201算法表示方法92024/3/26123评估算法执行时间随问题规模增长的变化情况，常用大O表示法。时间复杂度评估算法执行过程中所需额外空间的数量级，也常用大O表示法表示。空间复杂度对算法在不同情况下的性能进行评估和比较。最好、最坏和平均情况分析算法复杂度分析102024/3/2603数据结构基础112024/3/26线性表是一种具有n个元素的有限序列，具有顺序性、元素唯一性、元素可重复性等性质。线性表的定义和性质包括顺序存储结构和链式存储结构两种，其中顺序存储结构使用一维数组表示线性表，链式存储结构使用指针表示元素之间的逻辑关系。线性表的存储结构包括初始化、插入、删除、查找等基本操作，以及这些操作的时间复杂度和空间复杂度分析。线性表的基本操作线性表及其操作实现122024/3/26栈的基本概念及操作01栈是一种后进先出（LIFO）的线性表，只允许在一端（称为栈顶）进行插入和删除操作。基本操作包括初始化、入栈、出栈、取栈顶元素等。队列的基本概念及操作02队列是一种先进先出（FIFO）的线性表，只允许在一端（称为队尾）进行插入操作，在另一端（称为队头）进行删除操作。基本操作包括初始化、入队、出队、取队头元素等。栈和队列的应用03栈和队列在计算机科学中具有广泛的应用，如函数调用栈、表达式求值、缓冲区处理等。栈和队列及其应用132024/3/26树是一种具有层次结构的非线性数据结构，由节点和边组成，具有唯一的根节点和若干个子节点。树的基本术语包括节点、边、路径、度、叶子节点等。树的基本概念二叉树是一种特殊的树，每个节点最多只有两个子节点，分别称为左子节点和右子节点。二叉树的基本性质包括二叉树的形态、完全二叉树、满二叉树等。二叉树的基本概念包括初始化、插入节点、删除节点、遍历等操作。其中遍历操作是树和二叉树的核心操作之一，包括前序遍历、中序遍历、后序遍历和层次遍历等。树和二叉树的基本操作树和二叉树基本概念及操作142024/3/2604程序设计方法学152024/3/26从高层次开始设计，逐步细化到具体的实现细节。自顶向下设计将程序划分为若干个独立的、可重用的模块，每个模块具有特定的功能。模块化设计使用顺序、选择和循环三种基本控制结构来构建程序。结构化控制结构结构化程序设计方法162024/3/2603继承与多态通过继承实现代码重用和扩展，通过多态实现同一接口的不同实现方式。01对象与类对象是现实世界事物的抽象，类是具有相同属性和方法的对象的集合。02封装与隐藏将数据和操作封装在对象内部，隐藏内部实现细节，只对外提供必要的接口。面向对象程序设计方法172024/3/26简洁明了代码应简洁、清晰、易于理解，避免冗余和复杂的逻辑结构。命名规范变量、函数、类等命名应符合规范，易于理解和记忆。注释规范在关键部分添加注释，解释代码的功能和实现原理，方便他人阅读和理解。代码格式化统一代码格式和缩进风格，提高代码的可读性和美观度。程序设计风格与规范182024/3/2605基本控制结构与应用举例192024/3/26示例1计算两个数的和并输出结果示例2输入一个数，求其绝对值并输出结果示例3输入两个数，交换它们的值并输出结果顺序结构程序设计举例202024/3/26示例2判断一个数是否为素数示例3根据输入的年份和月份，判断该月有多少天示例1根据输入的成绩等级，输出对应的分数段选择结构程序设计举例212024/3/26示例2输出斐波那契数列的前n项示例3输入一个正整数n，输出n的阶乘示例1求1到100之间所有整数的和循环结构程序设计举例222024/3/2606函数、数组和指针在程序设计中的应用232024/3/26要点三函数定义函数是一段可重用的代码块，用于执行特定任务。定义函数时，需要指定函数名、参数列表和返回类型。要点一要点二函数调用通过函数名及所需参数来调用函数，执行函数体内的代码。调用函数时，需要遵循函数定义的参数类型和顺序。参数传递机制参数传递是函数调用过程中的重要环节，包括值传递和引用传递两种方式。值传递是将参数值复制给函数内部变量，而引用传递则是将参数的地址传递给函数，函数内对参数的修改将影响原始数据。要点三函数定义、调用和参数传递机制242024/3/26数组定义数组是一种线性数据结构，用于存储相同类型的元素。定义数组时，需要指定数组名、元素类型和数组大小。数组初始化在定义数组时，可以直接对数组元素进行初始化。也可以通过循环或数组操作函数对数组进行赋值。数组操作技巧包括数组的遍历、查找、排序等操作。遍历数组可以使用循环结构；查找元素可以使用线性查找或二分查找等算法；排序可以使用冒泡排序、选择排序、插入排序等算法。数组定义、初始化及操作技巧252024/3/26指针概念指针是一种特殊类型的变量，用于存储内存地址。通过指针可以间接访问和操作内存中的数据。指针操作包括指针的声明、赋值、解引用等操作。声明指针时需要指定指针类型和变量名；赋值操作可以将变量的地址赋给指针；解引用操作可以通过指针访问内存中的数据。指针在程序设计中应用指针在程序设计中具有广泛的应用，如动态内存分配、数据结构实现、函数调用参数传递等。使用指针可以提高程序的灵活性和效率，但同时也需要注意内存泄漏和野指针等问题。指针概念、操作及其在程序设计中应用262024/3/2607文件操作与数据处理技术272024/3/26文件是存储在外部介质上的数据集合，通常以特定的格式进行组织和存储。根据文件的性质和用途，可分为文本文件、二进制文件、图像文件、音频文件、视频文件等。文件概念及分类文件分类文件概念282024/3/26在使用文件前，需要先打开文件，使用完毕后要关闭文件，以释放系统资源。文件打开与关闭从文件中读取数据，可以使用不同的读取方式，如逐行读取、按块读取等。文件读取向文件中写入数据，可以使用不同的写入方式，如追加写入、覆盖写入等。文件写入在文件中进行定位，可以使用文件指针或文件位置标记来实现。文件定位文件读写操作实现方法292024/3/26排序是将一组数据按照某种规则进行排列的过程，常见的排序算法有冒泡排序、选择排序、插入排序、归并排序等。排序技术查找是在数据集合中查找指定元素的过程，常见的查找算法有线性查找、二分查找、哈希查找等。查找技术数据压缩是减少数据存储空间的过程，而数据加密是保护数据安全的过程，常见的压缩算法和加密算法有多种。数据压缩与加密除了排序、查找、压缩和加密外，还有数据清洗、数据转换、数据挖掘等其他数据处理技术。数据处理其他技术数据处理技术简介（如排序、查找等）302024/3/2608综合案例分析与实战演练312024/3/26问题描述采用辗转相除法求最大公约数，利用最大公约数求最小公倍数。算法设计代码实现复杂度分析01020403分析算法的时间复杂度和空间复杂度，并给出优化建议。给定两个正整数，求解它们的最大公约数和最小公倍数。使用Python语言实现算法，并给出详细注释和测试用例。案例一：求解最大公约数和最小公倍数问题322024/3/26设计一个简单计算器，支持加、减、乘、除四种基本运算。问题描述算法设计代码实现复杂度分析采用栈数据结构实现表达式求值，处理运算符优先级和括号问题。使用Python语言实现计算器功能，包括输入处理、表达式解析和求值等部分。分析算法的时间复杂度和空间复杂度，并给出优化建议。案例二：实现简单计算器功能332024/3/26案例三：求解背包问题优化算法设计