《计算机科学导论》第6章 程序设计与算法分析
计算机科学导论第6章程序设计与算法分析
计算机科学导论
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• ①顺序结构 把所有元素存放在一片连续的存储单元中， 逻辑上相邻的元素存储在物理位置相邻的存储 单元中，由此得到的存储表示称为顺序存储结 构。 顺序存储结构常借助于程序设计语言中的 数组来实现。优点是使用方法简单，缺点是必 须预先分析出所需定义数组的大小。
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• ②链表结构 对逻辑上相邻的元素不要求其物理位置相 邻，元素间的逻辑关系通过附设的指针域来实 现，由此得到的存储表示称为链式存储结构。 链式存储结构通常借助于程序设计语言中 的指针来实现。
初步了解程序设计的基础知识掌握结构化程序设计和面向对象程序设计的基本方法掌握数据结构中的基本数据类型及其实现掌握程序设计算法的基本思想及几种经典的算程序就是能够实现特定功能的一组指令序列的集合
第六章 程序设计与 算法分析
计算机科学导论
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本章要点
◆初步了解程序设计的基础知识 ◆掌握结构化程序设计和面向对象程序设计的基 本方法 ◆掌握数据结构中的基本数据类型及其实现 ◆掌握程序设计算法的基本思想及几种经典的算 法
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高级语言的常见类型
• • • • • • • • (1) BASIC语言 (2) FORTRAN语言 (3) COBOL语言 (4) PASCAL语言 (5) C语言 (6) C++语言 (7) 其他高级语言 基于视窗类操作系统的，如Visual Basic、Visual C++、 Delphi、Power Builder、Java等等。
第二个含义称为信息隐蔽，即尽可能隐蔽 对象的内部细节。
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5．继承性
• 继承性 是父类和子类之间共享数据和方法的机 制。 原有的类称为基类或父类，产生的新类 称为派生类。
程序设计与算法分析
程序设计与算法分析随着计算机技术的不断发展，程序设计与算法分析成为计算机领域中关键的技能之一。
程序设计是指根据特定的需求设计并实现计算机程序的过程，算法分析则是对程序中算法的效率和复杂度进行评估和优化的过程。
本文将从程序设计和算法分析两个方面进行探讨。
一、程序设计程序设计是计算机科学的核心内容之一，它涉及到对问题的分析、算法的设计和编程语言的使用。
程序设计的目标是解决实际问题，因此在设计程序时，需要根据问题的特点选择合适的算法，并合理地组织程序的结构和数据的存储。
以下是程序设计的一般步骤：1. 问题分析：对待解决的问题进行深入的分析，了解问题的特点、需求和限制条件等。
2. 算法设计：根据问题的特点选择合适的算法，并将其转化为具体的程序。
3. 编程语言选择：根据问题的需求和算法的复杂度选择合适的编程语言，并熟悉其语法和特点。
4. 程序实现：按照算法设计的要求，使用选定的编程语言将程序实现出来。
5. 调试与测试：对实现的程序进行调试和测试，确保程序的正确性和稳定性。
二、算法分析算法是程序设计的核心，它是解决问题的一种方法或步骤的描述。
算法的好坏直接影响到程序的效率和性能，因此算法分析是不可忽视的一环。
算法分析的主要目的是评估算法的时间复杂度和空间复杂度，并对其进行优化。
以下是常用的算法分析方法：1. 时间复杂度：时间复杂度用来评估算法执行所需的时间，通常用大O符号表示。
常见的时间复杂度有常数阶O(1)、线性阶O(n)、对数阶O(logn)、平方阶O(n^2)等。
2. 空间复杂度：空间复杂度用来评估算法执行所需的存储空间，也用大O符号表示。
常见的空间复杂度有常数阶O(1)、线性阶O(n)、对数阶O(logn)、平方阶O(n^2)等。
3. 算法优化：通过对算法的改进和优化，可以提高程序的执行效率。
常用的算法优化方法有分治法、动态规划、贪心算法等。
三、实践案例为了更好地理解程序设计与算法分析的重要性，我们以排序算法为例进行实践。
计算机科学导论(第4版)习题答案-第5、6章
第5章算法与复杂性习题一、选择题1. B2. D3. C4. A5. B6. B7. D8.B9.C 10.A11.A 12.C 13.A 14.A二、简答题1．什么是算法，算法的特性有哪些？答：“算法(Algorithm)是一组明确的、可以执行的步骤的有序集合，它在有限的时间内终止并产生结果”。
算法的特性有：(1) 有穷性(可终止性)：一个算法必须在有限个操作步骤内以及合理的有限时间内执行完成。
(2) 确定性：算法中的每一个操作步骤都必须有明确的含义，不允许存在二义性。
(3) 有效性(可执行性)：算法中描述的操作步骤都是可执行的，并能最终得到确定的结果。
(4) 输入及输出：一个算法应该有零个或多个输入数据、有1个或多个输出数据。
2．什么是算法的时间复杂度和空间复杂度，如何表示？答：时间复杂度是与求解问题规模、算法输入相关的函数，该函数表示算法运行所花费的时间。
记为，T(n)，其中，n代表求解问题的规模。
算法的空间复杂度(Space complexity)度量算法的空间复杂性、即执行算法的程序在计算机中运行所占用空间的大小。
简单讲，空间复杂度也是与求解问题规模、算法输入相关的函数。
记为，S(n)，其中，n代表求解问题的规模。
时间复杂度和空间复杂度同样，引入符号“O”来表示T(n)、S(n)与求解问题规模n之间的数量级关系。
3．用图示法表示语言处理的过程。
答：语言处理的过程如图所示：4．简述算法设计的策略。
答：作为实现计算机程序实现时解决问题的方法，算法研究的内容是解决问题的方法，而不是计算机程序的本身。
一个优秀的算法可以运行在比较慢的计算机上，但一个劣质的算法在一台性能很强的计算机上也不一定能满足应用的需要，因此，在计算机程序设计中，算法设计往往处于核心地位。
要想充分理解算法并有效地应用于实际问题，关键是对算法的分析。
通常可以利用实验对比分析、数学方法来分析算法。
实验对比分析很简单，两个算法相互比较，它们都能解决同一问题，在相同环境下，一般就会认为哪个算法的速度快这个算法性能更好。
《大学计算机基础》第6章-程序设计基础课件
《大学计算机基础》第6章-程序设计基础(2012)【OK】
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计算机开发问题求解的软件——4个阶段
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计算机软件问题求解的一般过程
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计算机开发问题求解的软件——4个阶段（续）
1. 问题求解的计划与需求分析阶段 明确问题解决要达到的目标，当问题求解能够达到共识，要综合用户需求，制
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6.1 问题求解与程序设计方法
6.1.1 问题求解 6.1.2 算法的定义与特征 6.1.3 算法的描述方法 6.1.4 程序设计方法与步骤
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6.1.1 问题求解
主持年终总结会的流程问题
4. 运行、评价与维护阶段 将软件、硬件及其他相关设备集成在一起进行系统测试，主要测试系统的安
全性、容错性，给出评价并进入系统运行与维护阶段。
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6.1.2 算法的定义与特征
算法的定义——一个可终止过程的一组有序的、无歧义的、 可执行的步骤的集合。
用自然语言编写算法
【例6.4】编写a与 b的整型数值交换问题的算法。 ① 输入a、b两个整数。 ② 若有资源c，则c=a，a=b，b=c；
否则，a=a+b，b=a-b，a=a-b。 ③ 输出a、b交换后的结果，且算法到此结束。
结论：从第①步到第③步的顺序结构叙述中，有头有尾满足了可执行。在第② 步中是有条件的选择结构（也称分支结构）中内嵌了顺序结构，也满足可执行， 符合算法的特征，可以称为两整数交换算法。
大学计算机科学教案：算法设计与分析
大学计算机科学教案：算法设计与分析1. 算法概述1.1 算法的定义和作用在计算机科学中，算法是解决问题或执行任务的有序步骤。
它们是计算机程序的基本构建模块，能够完成各种操作，从简单的排序和搜索到复杂的图像处理和人工智能。
1.2 算法设计过程•定义问题：明确需要解决的问题。
•分析问题：理解问题背后的规则和约束。
•设计解决方案：找到一个有效且高效的方法来解决问题。
•实现算法：将设计好的算法转化为可执行的计算机代码。
•测试和评估：验证算法是否正确并确定其性能。
2. 常见算法设计技巧2.1 分治策略将一个大问题划分为多个小问题，分别求解，然后将结果组合得到最终答案。
经典应用包括归并排序和快速排序。
2.2 动态规划通过将一个大问题分解成一系列重叠子问题，并通过保存子问题的结果来节省重复计算。
经典应用包括背包问题和最短路径问题。
2.3 贪心算法每一步都选择当前看起来最优的解决方案，而不考虑之后可能产生的影响。
经典应用包括霍夫曼编码和最小生成树问题。
2.4 回溯算法通过在解空间中搜索所有可能的解，并逐步构建可行解。
当发现不能满足约束条件时，回溯并尝试其他选择。
经典应用包括八皇后问题和旅行推销员问题。
2.5 图算法用于解决与图相关的问题，如最短路径问题、最小生成树和网络流问题等。
3. 算法分析和性能评估3.1 时间复杂度描述随着问题规模增长，算法所需时间的增长率。
常见的表示方法有大O记号。
3.2 空间复杂度描述算法所需的额外空间随着问题规模增长的情况。
常见表示方法有大O记号。
3.3 最坏情况与平均情况分析针对不同输入数据情况下，对算法性能进行评估。
结论本教案提供了关于算法设计与分析的基本概念、常见技巧以及性能评估方法。
通过深入学习和理解这些内容，学生将能够设计和分析各种算法，并在实际问题中应用它们。
《计算机算法设计与分析基础》
《计算机算法设计与分析基础》计算机算法设计与分析基础近年来，随着计算机技术的飞速发展，算法已成为计算机领域中的一个重要分支。
在这个以信息为重的时代里，数据挖掘、机器学习、自然语言处理等技术的不断涌现，更加需要高效、准确的算法来支持和驱动。
因此，掌握计算机算法设计与分析技术已成为计算机科学专业学生必须掌握的知识之一。
一、算法概述算法是指一种有限的、明确的、无歧义的操作序列，用于解决某一问题或完成某一任务。
一个算法必须满足以下要求：1.有限性：算法必须在有限的步骤内完成。
2.确定性：算法中每一步的计算过程必须明确而无歧义。
3.可行性：算法必须是可实现的，能够在计算机上编写程序来实现。
4.正确性：算法必须能够在所有输入数据上正确解决问题，并给出正确的输出。
在计算机领域中，算法的重要性不言而喻。
计算机程序就是一系列指令的集合，执行的效率和准确性取决于所使用的算法。
二、算法设计算法设计就是指在解决一个问题时，需要设计一种操作序列，这个序列需要满足上述算法的要求。
1.贪心算法贪心算法是一种贪心思想的应用，它根据当前状态选择当前最优解，而不考虑未来可能出现的情况。
贪心算法通常用于求解一些最优化问题，例如：-活动选择问题-背包问题-最小生成树问题2.分治算法分治算法是一种把问题分解成多个子问题进行处理的算法。
适用于以下问题：-排序问题-矩阵乘法问题-快速排序问题3.动态规划算法动态规划算法是一种基于分治思想和递归思想的算法，它主要用于刻画一个问题的最优解，适用于以下问题：-最长公共子序列问题-背包问题三、算法分析算法分析是指在设计算法之后，需要进行对算法运行时间和空间需求的评估，这可以帮助我们选择最优算法，从而提高程序的执行效率。
1.时间复杂度时间复杂度是指算法在处理规模为n的问题时，所需要的时间的增长速度。
常见的时间复杂度有：-常数复杂度O(1)-线性复杂度O(n)-对数复杂度O(logn)-平方复杂度O(n^2)-指数复杂度O(2^n)2.空间复杂度空间复杂度是指算法在执行过程中需要占用的空间大小。
计算机算法设计与分析(第3版) 第6章
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6.3 装载问题
4. 构造最优解
找到最优值后，可以根据parent回溯到根节点，找到最优解。
// 构造当前最优解 for (int j = n - 1; j > 0; j--) { bestx[j] = bestE->LChild; bestE = bestE->parent; }
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6.3 装载问题
2. 队列式分支限界法
while (true) { // 检查左儿子结点 if (Ew + w[i] <= c) // x[i] = 1 EnQueue(Q, Ew + w[i], bestw, i, n); // 右儿子结点总是可行的 EnQueue(Q, Ew, bestw, i, n); // x[i] = 0 Q.Delete(Ew); // 取下一扩展结点 if (Ew == -1) { // 同层结点尾部 if (Q.IsEmpty()) return bestw; Q.Add(-1); // 同层结点尾部标志 Q.Delete(Ew); // 取下一扩展结点 i++;} // 进入下一层 } }
找到目标位置后，可以通过回溯方法找到这条最短路径。
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6.5
算法的思想
0-1背包问题
首先，要对输入数据进行预处理，将各物品依其单位 重量价值从大到小进行排列。 在下面描述的优先队列分支限界法中，节点的优先级 由已装袋的物品价值加上剩下的最大单位重量价值的物品 装满剩余容量的价值和。 算法首先检查当前扩展结点的左儿子结点的可行性。 如果该左儿子结点是可行结点，则将它加入到子集树和活 结点优先队列中。当前扩展结点的右儿子结点一定是可行 结点，仅当右儿子结点满足上界约束时才将它加入子集树 和活结点优先队列。当扩展到叶节点时为问题的最优值。
计算机科学导论学习课件教学课件PPT
-6-
1、数据处理器
在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理器
计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据 的黑盒
该模型过于宽泛，按照该模型定义，计算器也可以算做 一种计算机
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2、可编程数据处理器
图灵模型是一种适用于通用计算机的模型
该模型增加了额外的元素：程序 程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合 输出数据依赖于两方面因素，即输入数据和程序
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6、操作系统
在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序都 是公用的、通用的。
早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方便 的一种通用管理程序。
现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源的 系统软件。(第7章讨论)
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本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
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2、存储程序的概念
冯.诺依曼模型要求程序必须存储在存储器中，早 期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通 过操作开关或改变配线完成。
现代计算机的存储器主要用来存储程序和数据。程 序和数据都以二进制(0和1的序列)模式存储在存储 器中。
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3、指令的顺序执行
冯.诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的 指令组成
控制单元从内存中提取指令、解释指令、执行指令；指 令按照顺序执行
一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执 行，跳转后仍然会顺序执行。
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本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
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计算机组成
计算机系统由3大部分构成
计算机硬件 数据 计算机软件
《计算机科学导论》大纲
《计算机科学导论》大纲第一章介绍
1.1什么是计算机科学？
1.2计算机科学历史回顾
1.3当今的计算机科学
第二章编程规范和语言
2.1编程规范
2.2程序设计语言
2.3编程语言的分类
第三章操作系统
3.1定义操作系统
3.2操作系统的组成部分
3.3操作系统的功能
第四章算法
4.1算法的概念
4.2分析算法
4.3算法设计
第五章数据结构
5.1数据结构的定义
5.2数据结构的种类
5.3数据结构的实现方式第六章网络
6.1网络的概念
6.2网络分类
6.3网络协议
第七章存储器
7.1存储器的概念
7.2存储器的类型
7.3存储器管理
第八章数据库
8.1数据库的概念
8.2数据库的特性
8.3数据库技术
第九章计算机系统安全
9.1计算机系统安全的概念9.2计算机系统安全的分类9.3计算机系统安全的保护第十章编程环境
10.1编程环境的定义
10.2编程环境的类型
10.3编程环境的开发
第十一章调试
11.1调试的概念
11.2调试的类型
11.3调试技术
第十二章系统分析与设计12.1系统分析与设计的概念12.2系统分析与设计的过程12.3系统分析与设计的工具。
《计算机科学导论》中的编程思维与算法设计教学计划
计算机科学导论中的编程思维与算法设计教学计划第一部分：导引1.1 引言•介绍计算机科学导论的重要性和目标•引出编程思维和算法设计在计算机科学中的关键作用1.2 课程背景•概述计算机科学导论课程的背景和意义•探讨计划中将涵盖的主题内容1.3 教学方法•讨论采用何种教学方法达到最佳效果•强调实践与理论相结合的重要性第二部分：编程思维入门2.1 什么是编程思维？•解释编程思维的概念与特点•描述它对问题解决能力和创造力的影响2.2 编程思维在日常生活中的应用•提供实际生活中使用编程思维解决问题的例子•强调培养学生在不同领域运用编程思维的能力2.3 编程思维的基本原则•探讨抽象化、模块化、循环等基本原则•提供示例来说明这些原则的应用第三部分：算法设计与分析3.1 算法概述•定义算法和算法设计的关系•强调算法在解决问题中的重要性3.2 常见算法范式•探讨常见的算法设计范例，如递归、贪婪法、动态规划等•描述每种范例的特点和适用场景，并给出相应案例说明3.3 算法复杂度分析•解释时间复杂度和空间复杂度的概念•提供不同算法复杂度之间的比较和实际案例分析第四部分：教学计划与课程安排4.1 整体教学计划•制定课程目标和学习结果要求•设计包含不同模块以及实践项目的课程结构4.2 单元教学内容与活动指导•细分各个单元所需掌握的知识点和技能•提供相关阅读材料、示例代码以及练习题目4.3 实践项目设计与评估方法•设计符合课程目标的实践项目，鼓励学生将所学知识应用于实际情境中•提供相应的评估方法和标准，确保学生掌握所需的编程思维和算法设计能力第五部分：总结与展望5.1 课程回顾•总结学生在整个课程中所学到的核心概念与技能•强调编程思维和算法设计在计算机科学领域的重要性5.2 展望未来发展方向•探讨如何进一步拓展计算机科学导论中的编程思维与算法设计教育内容•引入新兴技术和研究领域，以及相关职业发展方向的介绍以上是《计算机科学导论》中的编程思维与算法设计教学计划的大致内容。
计算机科学概论(第3版)第6章-程序设计语言
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6.2.6 专用语言 一个HTML程序的例子：
<html> <head> <title>标题</title> </head> <body> 这是一个HTML范例! </body> </html>
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6.3 程序设计语言的基本概念
过程化程序语言具有的共性： 1、标识符 2、变量与数据类型 3、常量和文字 4、表达式和赋值语句 5、控制语句 6、注释
6.2.1 常用高级程序语言 目前常用的程序语言大约有50多种 。 (详见表6.7) 每月对程序设计语言的使用情况有一个排名： (详见表6.8) 注：排名结果并不代表程序语言的好坏 。
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6.2.1 常用高级程序语言 按照程序的运行方式分类：
程序语言
汇编型语言
解释型语言
编译型语言
混合型语言
脚本型语言
过程化程序语言的语句： 1、声明语句：说明程序中要使用的元素。 2、命令语句：描述算法的步骤。 3、注释语句：解释程序的功能。
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6.3.1 标识符
标识符的作用：命名。 计算机通过标识符与地址的联系来操作数据。 不同的程序语言对标识符有不同的规定。 例如：
1、汇编型语言 2、解释型语言 3、编译型语言 4、混合型语言 5、脚本性语言
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6.2.1 常用高级程序语言 根据程序语言解决问题的方法及功能分类：
计算机高级语言
过程化语言
函数式语言
逻辑式语言
面向对象语言
专用语言
1、过程化语言 2、函数式语言 3、逻辑式语言 4、面向对象语言 5、专用语言
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过程化语言 Fortran 特点 高精度运算 复杂数据的处理能力 指数运算（ ） 能快速访问，更新数据库 能生成大量报表 方便的格式化输出 结构化编程 具有并行处理能力 具有一些低级指令 简洁，高效 已被ANSI和ISO标准化 适用领域 科学计算和工程应用。
计算机科学与导论课后习题答案 第6章 程序设计与算法分析
5．简述面向对象和结构化程序设计的区别。
答：面向对象是从本质上区别于传统的结构化方法的一种新方法、新思路。它吸收了结构化程序设计的全部优点，同时又考虑到现实世界与计算机之间的关系，认为现实世界是由一系列彼此相关并且能够相互通信的实体组成，这些实体就是面向对象方法中的对象，每个对象都有自己的自然属性和行为特征，而一类相似对象的共性的抽象描述，就是面向对象方法中的核心——类。
9．用图示法表示语言处理的过程。
答：语言处理的过程如图所示：
10．简述编译程序的概念。
编译程序是把高级语言程序(源程序)作为一个整体来处理，在应用源程序执行之前，就将程序源代码“翻译”成目标代码(机器语言)，编译后与系统提供的代码库链接，形成—个完整的可执行的机器语言程序(目标程序代码)。
第6章 程序设计与算法分析
习题(答案)
一、选择题
1. A 2. D 3. A 4. C 5. D
6. B 7. B 8. D 9. ABCD 10. D
11. C 12. A 13. B 14. D 15. A
二、简答题
1．简述程序的概念。
答：一个程序就是能够实现特定功能的一组指令序列的集合。或者表示为：程序＝算法＋数据结构。
答：语法分析是编译过程的第二个阶段，任务是在词法分析的基础上将单词序列分解成各类语法短语，如“程序”、“语句”、“表达式”等等。
14．简述语义处理的功能。
答：编译过程中的语义处理实现两个功能：
(1) 审查每个语法结构的静态语义，即验证语法结构合法的程序是否真正有意义，有时把这个工作称为静态语义分析或静态审查。
计算机导论 问题求解与程序设计
第 6 章 问题求解与程序设计——程序设计
程序设计的关键
问题的解决方案最终需要借助程序设计语言来表示，也就 是将算法转换为程序，只有在计算机上能够运行良好的程序 才能为人们解决特定的实际问题。 数据处理的核心是算法设计，一般来说，对不同求解方法 的抽象描述产生了相应的不同算法，不同的算法将设计出不 同的程序。
第 6 章 问题求解与程序设计——数据结构
数据结构的基本概念
例6.1 为学籍管理问题抽象数据模型。
第 6 章 问题求解与程序设计——数据结构
数据结构的基本概念
例6.2 为人机对弈问题抽象数据模型。
第 6 章 问题求解与程序设计——数据结构
数据结构的基本概念
例6.3 为七巧板涂色问题抽象数据模型。
情景问题——七桥问题
【想法——抽象模型】可以用A、B、C、D表示4个城区，用 7 条线表示 7 座桥，将七桥问题抽象为一个图模型。
北区
C
东区
岛区
抽象
A
B
D 南区
情景问题——七桥问题
【想法——基本思路】是否存在欧拉回路的判定规则是： （1）如果通奇数桥的地方多于两个，则不存在欧拉回路； （2）如果只有两个地方通奇数桥，可以从这两个地方之一出 发，找到欧拉回路； （3）如果没有一个地方通奇数桥，则无论从哪里出发，都能 找到欧拉回路。
第 6 章 问题求解与程序设计——程序设计
程序设计的关键
程序设计的关键是数据表示和数据处理。 数据表示完成的任务是从问题抽象出数据模型，并将该模 型从机外表示转换为机内表示； 数据处理完成的任务是对问题的求解方法进行抽象描述， 即设计算法，再将算法的指令转换为某种程序设计语言对应 的语句，转换所依据的规则就是某种程序设计语言的语法。
计算机算法设计与分析导论课程设计
计算机算法设计与分析导论课程设计简介计算机算法设计与分析导论是计算机科学与技术专业的一门必修课程，主要教授计算机算法的设计和分析方法，包括基本算法、高级算法、数据结构等内容。
本文将结合本人的学习经验，介绍针对该课程的期末设计内容、过程和思路，并详细分析设计思路和算法实现。
设计内容在该课程的期末设计中，我选择了一个涉及动态规划和图论的问题：给定一张无向图，其中每条边的权值表示两个城市之间的距离，假设你在一座城市出发，想要拜访其他所有城市并回到起点，问最短的路径长度是多少。
设计过程第一步：问题分析与模型建立首先，我们需要对问题进行深入分析，把问题转化为可以用算法解决的模型。
经过仔细思考和编写，我们成功建立了以下模型：1.假设总共有n个城市，我们可以分别从每个城市出发，并最终回到起点，这样共有n种可能；2.在每个城市出发后，我们需要选择下一个要去的城市，这个过程可以用图来描述，图中每个节点表示一个城市，每条边表示两个城市之间的道路，路径长度即为边权；3.当我们做出每个选择后，需要记录下已经选择路径上的点集S，以及从一个点到达集合S中的任意一个点所需的最小代价，即采用动态规划算法；4.当我们遍历完所有节点后，需要从所有的起点出发一遍，计算出到达起点所需的最小代价，最终取最小值。
通过这样的问题分析和模型建立，我们成功将整个问题转化为了可以用算法解决的问题。
第二步：算法设计接着，我们需要根据上述模型，设计出可以解决问题的算法。
经过深入研究和实践，我们最终设计了以下算法：1.首先，从任意一个城市出发，递归地计算出通过所有点集S中所有点的最短路程，具体算法如下：•记n为所有点的数量，S为已经经过的点集，P为当前点，cost矩阵表示任意两点之间的距离。
•如果S中包含所有点且最后一个点是起点，返回0，否则执行下一步。
•如果当前点P不在S中，则枚举S的所有点N，计算Set(P,N)，并将其与cost[Set(P,N)][N]相加，得到从P出发，经过点集S中所有点，到达N所需的代价f(S,N,P)；•如果当前点P在S中，直接返回cost[P][0]即可。
大学计算机科学导论：算法与程序设计基础
大学计算机科学导论：算法与程序设计基础1. 概述本文将介绍大学计算机科学导论中的重要内容，主要聚焦于算法与程序设计基础。
我们将探讨什么是算法以及为什么它对计算机科学至关重要，同时还将涵盖程序设计的基础知识和技巧。
2. 算法的概念和意义2.1 什么是算法？算法是一系列解决问题或完成任务的有序步骤。
它们在计算机科学领域起着至关重要的作用，可以用来解决各种实际问题。
我们将详细介绍算法的特征和常见的描述方法。
2.2 算法复杂度分析除了了解如何设计和描述算法，我们还需要了解如何评估它们的效率。
这一部分将介绍如何进行时间复杂度和空间复杂度分析，帮助我们选择最优的算法。
2.3 常见的经典算法在计算机科学中，有许多经典的算法被广泛应用于实际问题中。
我们将介绍一些常见的排序、搜索、图论等经典算法，并为每个算法提供示例代码和解析。
3. 程序设计基础3.1 编程语言学习算法和程序设计基础的关键是掌握一门编程语言。
我们将介绍几种常见的编程语言，如C、Python、Java，并对其特性及适用场景进行比较。
3.2 数据结构数据结构在程序设计中起着核心作用，它们是组织和存储数据的方式。
本节将介绍常见的数据结构，如数组、链表、栈、队列等，并探讨它们的应用场景和操作。
3.3 基本算法思想掌握各种算法思想对于问题求解至关重要。
我们将介绍分治法、贪心法、动态规划等常见的算法思想，并提供相应的例子展示如何应用这些思想解决实际问题。
4. 实践与应用4.1 算法与程序设计项目实战理论知识只有经过实践才能更好地掌握。
我们将鼓励学生参与算法与程序设计相关的项目实战，通过实际编写代码来巩固所学知识，并学习如何协作和解决实际问题。
4.2 实际应用场景本节将介绍算法与程序设计在现实生活中的应用场景，如图像处理、网络安全、人工智能等。
学生将了解到自己学习所掌握的知识在实际领域中的具体应用。
5. 结语大学计算机科学导论中的算法与程序设计基础是计算机科学领域的核心内容之一，掌握这些知识对于日后深入研究和从事相关行业至关重要。
计算机程序设计和算法分析的方法
计算机程序设计和算法分析的方法计算机已成为人类生活中不可或缺的一部分，而计算机程序设计和算法的分析则是计算机世界中的核心。
只有掌握了这些方法，才能够让计算机更好地为我们服务。
下面，我们将从程序设计和算法分析两个方面进行探讨。
一、程序设计的方法程序设计是计算机专业中最基础的教学环节之一，其目的是为了让学生掌握编写程序的方法和技巧。
在程序设计中，我们常常会用到许多流程控制语句、变量和数据类型等基本概念。
以下是程序设计的几个重要方法：1.面向对象编程(OOP)面向对象编程是近几十年来流行的编程范式。
它将数据和行为封装在一起，形成对象，然后通过对象之间的交互完成定义好的任务。
面向对象编程具有很好的可扩展性、易维护性和适应性等特点，是很多编程语言所支持的编程范式。
2.模块化编程模块化编程是将程序分成多个独立的部分，在需要时进行调用。
这样可以使程序代码更加清晰易懂，并且可以对每个模块单独进行编译、测试和调试。
模块化编程可以提高程序的可维护性和复用性，并且便于代码的组织和管理。
3.可编程化编程可编程化编程是一种允许用户在程序运行时对程序进行修改的编程方法。
这种编程方式通常使用动态语言实现，例如Python和Ruby。
可编程化编程可以在很短的时间内迅速验证智能算法或者功能模块，从而提高软件开发的效率和准确性。
二、算法分析的方法算法分析是计算机科学中与计算效率有关的一个重要环节。
对于一个好的算法，其执行时间和空间复杂度都应该足够小。
在算法分析中，我们需要通过一些手段来对一个算法进行评估，并且确定哪些算法更加适合特定的问题。
以下是一些常用的算法分析方法：1.时间复杂度分析时间复杂度是用来衡量算法的执行时间与问题规模之间的关系。
通常用大O表示法来表示时间复杂度。
比如，O(n)表示算法执行时间与问题规模n成正比；O(n^2)表示算法执行时间与问题规模的平方成正比。
时间复杂度分析可以帮助我们理解算法的大致运行时间，并且确定哪些算法可以处理大规模数据集。
计算机科学与编程导论模块6
例1
构造函数重载。
11
3
运算符重载
运算符重载是对已有的运算符赋予多重含义 必要性
– C++中预定义的运算符其运算对象只能是基本 数据类型，而不适用于用户自定义类型（如类）
实现机制
– 将指定的运算表达式转化为对运算符函数的调 用，运算对象转化为运算符函数的实参。 – 编译系统对重载运算符的选择，遵循函数重载 的选择原则。
23
例3 采用友元运算符函数实现复数 相加。
将+（双目）重载为复数类的友元函数。 两个操作数都是复数类的对象。
24
#include<iostream.h> class complex //复数类声明 { public: //外部接口 complex(double r=0.0,double i=0.0) { real=r; imag=i; } //构造函数 friend complex operator + (complex &c1,complex &c2);//运算符+重载为友元函数 void display(); //显示复数的值 private: //私有数据成员 double real; double imag; };
18
complex complex::operator +(complex &c2) //重载函数实现 { complex c; c.real=c2.real+real; c.imag=c2.imag+imag; return complex(c.real,c.imag); }
19
void complex::display() { cout<<"("<<real<<","<<imag<<“I”<<“)"<<endl; } int main() //主函数 { complex c1(3,4),c2(5,-10),c3; //声明复数类的对象 c3=c1+c2; //使用重载运算符完成复数加法 cout<<"c1="; c1.display(); cout<<"c2="; c2.display(); cout<<"c1+c2="; c3.display(); return 0; }
计算复杂性和算法分析 计算机科学导论第六讲
•
三种时间复杂性函数
– 最坏情况
=
max
IDN
k
i=1ti ei (N,
I)
k
Tmax(N)
=
max
IDN
T(N,
I)
= i=1ti ei (N, I) = T(N, I)
其中DN为规模为N的合法输入集, I是达max的输入
– 最好情况（其中I~是达min的输入）
k
Tmin(N) = ImDinN T(N, I) = i=1ti ei (N, I~) = T(N, I~)
printf(“%d\n”, j0);
temp = j1; j1 = j0 + j1; j0 = temp;
}
}
这种比较单纯反映作为算法精髓的计算方法本身
的效率，不涉及运行这些算法的实际计算机的性能
精品课件
14
复杂性的计量
• 复杂性函数
– 时间和空间复杂性函数分别是：T(N, I)和S(N, I)
N：问题规模， I：算法的输入
– 时间复杂性和空间复杂性的概念类同，计算方法 相似，且空间复杂性分析相对简单，因此下面仅讨 论时间复杂性
– 若抽象计算机有k种元运算，它们所需时间依次为
t1, t2, …, tk。若某算法用到这k种运算的次数依次是
e1, e2, …, ek，ei(1 i k)是N和I的函数, ei =ei (N, I),
int fib(int k) {
if (k == 0) return 0;
else if (k == 1) return 1; else return fib(k 1) + fib(k 2);
}
对该数列a0, a1, …, an, ak(0 k < n)被重复计算多次
大学计算机科学教案：程序设计与算法分析的基础
大学计算机科学教案：程序设计与算法分析的基础1. 引言本教案旨在介绍大学计算机科学专业中，程序设计与算法分析的基础知识。
通过本教案的学习，学生将能够理解和应用基本的编程概念，并能够分析和优化算法。
本教案适用于计算机科学专业的大一或者大二学生。
2. 程序设计基础2.1 编程语言选择•介绍主流的编程语言，如Python、C++、Java等，并比较它们在不同应用场景下的特点。
•提供选择一个适合初学者的编程语言进行深入学习和实践。
2.2 数据类型与变量•解释什么是数据类型，介绍不同类型的数据（整数、浮点数、字符串等）以及它们在计算机中的表示方式。
•讲解变量的概念，如何声明和初始化变量，并提供一些常见操作。
2.3 条件控制与循环结构•分别介绍条件判断和循环结构，并给出具体示例代码。
•解释if语句、switch语句以及while循环、for循环等结构。
•强调正确使用条件控制和循环结构的重要性，避免出现死循环等问题。
2.4 函数与模块•介绍函数的概念和作用，如何声明和调用函数。
•讲解常见的内置函数和如何自定义函数。
•引入模块化编程的概念，介绍如何使用现有的模块，并给出一些常用模块的例子。
3. 算法分析基础3.1 算法概述•解释什么是算法，以及为什么需要学习算法。
•引入算法复杂度分析的概念，讲解时间复杂度和空间复杂度，并提供一些常见算法示例进行分析。
3.2 排序算法•介绍常见的排序算法，如冒泡排序、插入排序、选择排序、快速排序等。
•分别对每种算法进行原理解释、代码实现和性能分析。
3.3 查找算法•讲解线性查找和二分查找算法，并进行对比分析它们的优劣势。
•提供具体示例进行演示，说明如何根据问题特点选择合适的查找算法。
3.4 数据结构与算法设计•引入数据结构的概念，讲解常见的数据结构，如数组、链表、栈和队列等。
•介绍常见的算法设计思想，如贪心算法、动态规划和分治策略，并给出相应例子进行说明。
4. 实践项目本教案将以一个实践项目作为总结和巩固。
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7.3 关系数据库
2.关系模型与关系模式 2.关系模型与关系模式
• 关系模型 (1) 关系数据结构 关系模型中， 关系模型中，关系数据结构就是表 。 (2) 关系操作 选择、投影、连接、 选择、投影、连接、除、并、交、差、查 插入、删除、 询、插入、删除、修改等 。 (3) 关系的数据约束 三种完整性约束条件：实体完整性、 三种完整性约束条件：实体完整性、参照 完整性、用户自定义的完整性。 完整性、用户自定义的完整性。
7.2 数据库系统概述
• 数据库的三级模式结构
用户视图1 用户视图2 用户视图n 外 模 式2
外 模 式1
外 模 式n
模
式
内模式
数据库
7.2 数据库系统概述
• 数据独立性 (1) 外模式 模式映像 外模式/模式映像 当模式被改变时，可以由DBA改变各个外模式 改变各个外模式/ 当模式被改变时，可以由 改变各个外模式 模式映像，以保证外模式不发生变化， 模式映像，以保证外模式不发生变化，从而使根据外 模式编写的应用程序也无需变化， 模式编写的应用程序也无需变化，这样就保证了数据 与程序的逻辑独立性。 与程序的逻辑独立性。 (2) 模式 内模式映像 模式/内模式映像 当数据的物理存储即内模式变化了， 当数据的物理存储即内模式变化了，也可以由 DBA来修改模式 内模式的映像，使得模式能够保持 来修改模式/内模式的映像 来修改模式 内模式的映像， 不变，外模式也不会变化，当然，应用程序也无需变 不变，外模式也不会变化，当然， 从而保证了数据库中数据与程序的物理独立性。 动，从而保证了数据库中数据与程序的物理独立性。
7.2 数据库系统概述
3.数据模型 3.数据模型
• 概念模型 ：也称信息模型，是按照用户的观点对数据 也称信息模型， 和信息建模，与计算机系统无关，是概念级的模型， 和信息建模，与计算机系统无关，是概念级的模型， 通常用于数据库的设计，它是数据库设计人员和用户 通常用于数据库的设计， 之间进行交互的一种形式化描述。 之间进行交互的一种形式化描述。
• 属性：关系中的每一列称为属性。 属性：关系中的每一列称为属性。 • 属性：关系中的行称为元组。 属性：关系中的行称为元组。 • 候选码：关系中能够惟一地标识一个元组的某个属性或属性组 。 • 主码：一个关系中选定的一个候选码作为关系的主码。 主码：一个关系中选定的一个属性称为主属性。 主属性：主码的各个属性称为主属性。 • 外码：在关系数据库中，为了实现表与表之间的联系，将一个表的主码 外码：在关系数据库中，为了实现表与表之间的联系，
7.2 数据库系统概述
• 数据库管理系统 ：是对数据库进行管理的软件系统， 是对数据库进行管理的软件系统， 是数据库系统的核心。 是数据库系统的核心。它位于计算机系统中操作系统 与用户或应用程序之间，主要功能包括：数据定义、 与用户或应用程序之间，主要功能包括：数据定义、 数据操纵、数据组织、存储和管理、 数据操纵、数据组织、存储和管理、数据库的建立和 维护、数据通信接口。 维护、数据通信接口。 • 数据库管理员：专门对数据库进行规划、设计、管理、 数据库管理员：专门对数据库进行规划、设计、管理、 协调和维护的工作人员。 协调和维护的工作人员。
7.2 数据库系统概述
1.基本概念 1.基本概念
• 数据 ：数据 数据(data)描述事物的符号记录称为数据。数 描述事物的符号记录称为数据。 描述事物的符号记录称为数据 据是数据库中存储的基本对象。数据的种类很多， 据是数据库中存储的基本对象。数据的种类很多，可 以包括文字、数字、声音、图形、图象等。 以包括文字、数字、声音、图形、图象等。 • 数据库：以一定的组织方式存储的相互关联的数据的 数据库： 集合，就是数据库。这些数据能够长期存储、 集合，就是数据库。这些数据能够长期存储、统一管 理和控制，且能够被不同用户所共享， 理和控制，且能够被不同用户所共享，具有数据独立 性及最小冗余度。 性及最小冗余度。
7.2 数据库系统概述
• 数据库的系统结构 (1) 模式 模式也称逻辑模式， 模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻 辑结构和特征的描述， 辑结构和特征的描述，是面向全体用户的基本数据视 图。 (2) 外模式 外模式也称子模式或用户模式， 外模式也称子模式或用户模式，是数据库用户 可见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述， 可见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是 数据库用户的数据视图。 数据库用户的数据视图。 (3) 内模式 内模式是数据物理结构和存储结构的描述， 内模式是数据物理结构和存储结构的描述，是数 据在数据库内部的表示 。
(1) 层次模型
有且只有一个节点没有双亲，该节点为根节点；根以外的 有且只有一个节点没有双亲，该节点为根节点； 其他节点有且只有一个双亲节点。 其他节点有且只有一个双亲节点。
(2) 网状模型
在层次模型的基础上，允许节点无父节点， 在层次模型的基础上，允许节点无父节点，或者有多个父 节点 。
(3) 网状模型
7.3 关系数据库
• 关系模式
关系的描述称为关系模式， 关系的描述称为关系模式，一个完整的关系模式 通常需要描述出一个关系的属性的集合、 通常需要描述出一个关系的属性的集合、属性所取值 的域的集合、属性向域的映像的集合、属性间数据依 的域的集合、属性向域的映像的集合、 赖关系的集合。通常，使用关系模式的简单描述： 赖关系的集合。通常，使用关系模式的简单描述： R(A1,A2,…,An) 其中， 为关系名 为关系名， ， ， ， 为属性名 为属性名。 其中，R为关系名，A1，A2，…，An为属性名。 域名和属性向域的映像直接说明为属性的类型和长度。 域名和属性向域的映像直接说明为属性的类型和长度。
7.2 数据库系统概述
(1) 概念模型的表示
用矩形表示实体型；用椭圆表示属性； 用矩形表示实体型；用椭圆表示属性；用菱形表 示联系， 示联系，并标示出联系的类型
学 号 年 龄 性 别 学生 姓 名 m 选修 成 绩 n 课程号
课程
学 分
系 别
课程名
7.2 数据库系统概述
• 数据模型 ：也称信息模型，是按照用户的观点对数据和信息 也称信息模型， 建模，与计算机系统无关，是概念级的模型， 建模，与计算机系统无关，是概念级的模型，通常用于数据库 的设计， 的设计，它是数据库设计人员和用户之间进行交互的一种形式 化描述。 化描述。
7.3 关系数据库
• 关系运算 (1) 传统的关系运算
(a)关系R；(b)关系S；(c)关系的并运算(d)关系的交运算(e)关系的差运算
7.2 数据库系统概述
• 数据库管理系统 ：是对数据库进行管理的软件系统， 是对数据库进行管理的软件系统， 是数据库系统的核心。 是数据库系统的核心。它位于计算机系统中操作系统 与用户或应用程序之间，主要功能包括：数据定义、 与用户或应用程序之间，主要功能包括：数据定义、 数据操纵、数据组织、存储和管理、 数据操纵、数据组织、存储和管理、数据库的建立和 维护、数据通信接口。 维护、数据通信接口。 • 数据库管理员：专门对数据库进行规划、设计、管理、 数据库管理员：专门对数据库进行规划、设计、管理、 协调和维护的工作人员。 协调和维护的工作人员。
7.1 信息系统概述
2.信息系统 2.信息系统
信息系统是一个由人员、活动、数据、 “信息系统是一个由人员、活动、数据、网络和 技术等要素组成的集合， 技术等要素组成的集合，主要目的是对组织的业务数 据进行采集、存储、处理和交换，以支持和改善组织 据进行采集、存储、处理和交换， 的日常业务运作， 的日常业务运作，满足管理人员解决问题和制定决策 以及对信息的各种需求” 以及对信息的各种需求”。
7.2 数据库系统概述
• 数据库系统 ：数据库系统 数据库系统(DataBase System：DBS)是DB、 ： 是 、
DBMS、DBA、用户和计算机系统 、 、用户和计算机系统CS(Computer System)的总 的总 和。
7.2 数据库系统概述
2.数据库管理技术的发展 2.数据库管理技术的发展
7.3 关系数据库
1.基本概念 1.基本概念
• 关系 ：可以看作是一个行与列交叉的二维表，每一个交叉点都必须是单 可以看作是一个行与列交叉的二维表，
值的，每一列的所有数据都是同一类型的，每一列都有惟一的列名， 值的，每一列的所有数据都是同一类型的，每一列都有惟一的列名，行和 列在表中的顺序都无关紧要；表中任意两行不能相同。 列在表中的顺序都无关紧要；表中任意两行不能相同。
• 人工管理阶段 ：数据不长期保存 ，应用程序管理数 据 ，数据不能共享 ，数据不具有独立性 。 • 文件系统阶段：数据可以长期保存 ，文件系统管理数 文件系统阶段： 数据共享性差， 据 ，数据共享性差，冗余度大 ，数据独立性差 。 • 数据库系统阶段：数据结构化 ，数据共享性高、冗余 数据库系统阶段： 数据共享性高、 度低、 度低、易扩充 ，数据独立性高 ，有专门的数据库管 理系统 。
7.2 数据库系统概述
⑦联系 不同实体集之间的联系， 不同实体集之间的联系，实体间联系通 常有一对一、一对多、多对多三种。 常有一对一、一对多、多对多三种。 一对一联系：记为“ ： 。 一对一联系：记为“1：1”。 一对多联系：记为“ ： 。 一对多联系：记为“1：M”。 多对多联系：记为“ ： 。 多对多联系：记为“M：N”。
以关系代数为基础，实体间通过公共属性实现联系， 以关系代数为基础，实体间通过公共属性实现联系，与数 据的物理结构无关。 据的物理结构无关。
7.2 数据库系统概述
• 数据模型的三要素 (1) 数据结构 数据结构是指所研究的数据库组成成分的类型 的集合。用于描述系统的静态特征。 的集合。用于描述系统的静态特征。 (2) 数据操作 指对数据库中数据允许执行的操作的集合， 指对数据库中数据允许执行的操作的集合，用 于描述系统的动态特征。 于描述系统的动态特征。数据模型中必须定义操作 (如检索、更新 的确切含义、操作符号、操作规则以 如检索、 的确切含义、 如检索 更新)的确切含义 操作符号、 及实现操作的规则。 及实现操作的规则。 (3) 数据的约束条件 是数据完整性规则的集合， 是数据完整性规则的集合，指对给定的数据模 型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。 型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。