Rozdział 1. Wprowadzenie do algorytmów: Nowoczesne podejście

Czym są algorytmy i dlaczego są ważne?

Algorytm to skończona, deterministyczna i skuteczna metoda rozwiązywania problemów, nadająca się do implementacji jako program komputerowy. Algorytmy są podstawą informatyki - są centralnymi obiektami badań w tej dziedzinie.

Algorytmy są niezbędnymi narzędziami w programowaniu komputerowym i tworzeniu oprogramowania. Każdy nietrywialny program komputerowy zawiera algorytmy, które określają kroki do wykonania w celu rozwiązania problemu lub wykonania zadania. Oto przykłady obszarów, w których algorytmy odgrywają kluczową rolę:

• Obliczenia naukowe - algorytmy napędzają modele obliczeniowe i symulacje wykorzystywane w dziedzinach takich jak fizyka, biologia i inżynieria, aby poradzić sobie ze złożonymi problemami. Na przykład, algorytmy symulacji N-ciał przewidują ruchy cząstek pod wpływem sił fizycznych.

• Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe - algorytmy leżą u podstaw modeli wykorzystywanych do zadań takich jak komputerowe widzenie, przetwarzanie języka naturalnego i analityka predykcyjna. Algorytmy głębokiego uczenia umożliwiły przełomowe osiągnięcia w możliwościach SI.

• Optymalizacja i badania operacyjne - algorytmy są używane do optymalizacji złożonych systemów i procesów, takich jak harmonogramowanie lotów, logistyka łańcucha dostaw, portfele finansowe i sieci telekomunikacyjne. Programowanie liniowe i inne algorytmy optymalizacyjne dostarczają wsparcia decyzyjnego.

• Grafika komputerowa i symulacja - algorytmy generują realistyczne obrazy, animacje i interaktywne wirtualne światy w grach wideo i filmach komputerowych. Algorytmy śledzenia promieni i symulacji fizycznej tworzą realistyczne sceny.

• Cyberbezpieczeństwo i kryptografia - algorytmy zabezpieczają systemy komputerowe poprzez szyfrowanie poufnych danych, wykrywanie włamań i weryfikację tożsamości. Algorytmy kryptografii klucza publicznego umożliwiają bezpieczną komunikację i handel online.

• Bioinformatyka i biologia obliczeniowa - algorytmy są używane do analizy danych biologicznych, takich jak sekwencje DNA.Proszę o polskie tłumaczenie tego pliku Markdown. W przypadku kodu, nie tłumacz kodu, tylko komentarze. Oto plik:

Algorytmy są podstawą wielu kluczowych zastosowań informatyki, takich jak wyszukiwanie informacji, analiza danych, przewidywanie struktur białek i modelowanie systemów biochemicznych. Sekwencjonowanie i wyrównywanie genomów zrewolucjonizowały nauki biologiczne.

• Bazy danych i wyszukiwanie informacji - algorytmy napędzają przechowywanie, indeksowanie i zapytywanie ogromnych zbiorów danych. Wyszukiwarki internetowe wykorzystują algorytmy do przeczesywania, indeksowania i rankingowania, aby zapewnić natychmiastowy dostęp do informacji online.

Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej i pojawianiem się nowych zastosowań, znaczenie algorytmów będzie tylko rosło. Algorytmy dostarczają mocy rozwiązywania problemów, aby poradzić sobie z najtrudniejszymi wyzwaniami obliczeniowymi i wykorzystać potencjał nowych technologii komputerowych. Postępy w algorytmach mogą zapewnić dramatyczne ulepszenia w wydajności i możliwościach systemów komputerowych.

Chociaż nowoczesne języki programowania i narzędzia ukrywają wiele szczegółów implementacji, silne zrozumienie algorytmów pozostaje niezbędne do pisania wydajnego, skalowalnego i solidnego oprogramowania. Programiści muszą wiedzieć, jak wybierać odpowiednie algorytmy do problemu, analizować wydajność algorytmów, rozpoznawać wzorce algorytmiczne i dostosowywać istniejące algorytmy do nowych zastosowań.

Badanie algorytmów obejmuje teoretyczne podstawy, techniki projektowania i analizę matematyczną metod rozwiązywania problemów obliczeniowych. Jest to bogata dziedzina intelektualna z głębokimi powiązaniami z matematyką i wieloma ważnymi praktycznymi zastosowaniami. Każdy informatyk i inżynier oprogramowania powinien mieć praktyczną wiedzę na temat podstawowych algorytmów używanych obecnie.

Przegląd książki i jej podejścia

Ta książka zapewnia kompleksowe wprowadzenie do współczesnego badania algorytmów komputerowych. Przedstawia wiele najważniejszych algorytmów używanych w informatyce i inżynierii oprogramowania, kładąc nacisk na praktyczne zastosowania i naukową analizę wydajności.

Książka bada podstawowe algorytmy sortowania, wyszukiwania, grafów, ciągów znaków i innych podstawowych tematów informatyki. Pokazuje, jak analizować algorytmy, aby zrozumieć ich wydajnośćPoniżej znajduje się tłumaczenie na język polski pliku w formacie Markdown. Komentarze w kodzie zostały przetłumaczone, ale sam kod pozostał niezmieniony.

Efektywność, projektowanie skutecznych algorytmów przy użyciu ustalonych technik oraz zastosowanie algorytmów do rozwiązywania problemów z prawdziwego życia.

Wyróżniającą cechą tej książki jest jej skupienie się na metodzie naukowej w badaniu algorytmów. Książka przedstawia każdy algorytm przy użyciu kompletnych implementacji w Javie, modeli matematycznych do analizy wydajności oraz badań empirycznych, które testują moc predykcyjną modeli na rzeczywistych danych wejściowych. Dzięki temu naukowemu podejściu, książka uczy, jak zrozumieć kluczowe cechy algorytmu i przewidzieć jego wydajność w praktycznych zastosowaniach.

Implementacje w Javie omówione w książce zapewniają kompletne, dobrze zaprojektowane rozwiązania, nadające się do użycia w prawdziwych programach. Jednak głównym celem książki nie jest tylko nauczenie, jak implementować konkretne algorytmy w Javie, ale promowanie ogólnych technik projektowania i analizowania wydajnych algorytmów w dowolnym języku. Implementacje służą do zilustrowania ogólnych wzorców projektowania algorytmów i metod analizy, które mają zastosowanie w wielu środowiskach obliczeniowych.

Aby utrzymać skupienie na kluczowych koncepcjach, książka używa zwięzłego podzbioru Javy i przestrzega uproszczonych modeli programowania i analizy. Obejmuje ona najważniejsze mechanizmy języka dla algorytmów i abstrakcji danych, unikając przy tym cech ezoterycznych. Książka dostarcza również własnych bibliotek do wejścia/wyjścia, generowania danych i funkcji matematycznych, aby uprościć przykłady.

Książka jest podzielona na sześć rozdziałów, które mogą stanowić podstawę jednosezonowego lub dwusezonowego kursu o algorytmach. Nadaje się również do samodzielnej nauki przez praktykujących programistów lub jako materiał referencyjny dla badaczy i specjalistów.

Rozdział 1 wprowadza podstawy algorytmów i naukowe podejście promowane przez książkę. Obejmuje on model programowania w Javie, abstrakcję danych, podstawowe struktury danych, abstrakcyjne typy danych dla kolekcji, metody analizy wydajności algorytmów oraz studium przypadku.

Rozdział 2 obejmuje algorytmy sortowania, w tymPoniżej znajduje się tłumaczenie na język polski:

Rozdział 3 skupia się na algorytmach wyszukiwania i powiązanych strukturach danych, w tym na wyszukiwaniu sekwencyjnym, wyszukiwaniu binarnym, drzewach binarnych wyszukiwania, drzewach zrównoważonych i tablicach mieszających. Pokazuje, jak budować wydajne struktury wyszukiwania zarówno dla posortowanych, jak i nieposortowanych danych.

Rozdział 4 przedstawia podstawowe algorytmy grafowe dotyczące łączności, grafów skierowanych, minimalnych drzew rozpinających i najkrótszych ścieżek. Obejmuje on przeszukiwanie w głąb, przeszukiwanie wszerz, sortowanie topologiczne, algorytmy Prima i Kruskala oraz algorytmy Dijkstry i Bellmana-Forda.

Rozdział 5 obejmuje algorytmy przetwarzania ciągów znaków, w tym sortowanie ciągów, drzewa trie, wyszukiwanie podciągów, wyrażenia regularne i kompresję danych. Pokazuje on znaczenie wydajnych algorytmów dla danych tekstowych w nowoczesnych zastosowaniach komputerowych.

Rozdział 6 podsumowuje książkę, przedstawiając przegląd zaawansowanych tematów algorytmicznych i ich powiązań z innymi dziedzinami informatyki. Omawia on geometrię obliczeniową, badania operacyjne, metody numeryczne i nierozstrzygalność, aby zachęcić do dalszych badań.

Obszerna kolekcja ćwiczeń, problemów programistycznych i eksperymentów dołączonych do książki umożliwia czytelnikom głębokie zrozumienie algorytmów poprzez praktykę. Strona internetowa książki dostarcza dodatkowych zasobów, w tym plików danych, przypadków testowych i problemów wyzwań.

Łącząc klasyczne algorytmy z naukowymi technikami projektowania i analizy, ta książka przygotowuje czytelników do pewnego wdrażania, oceny i wdrażania algorytmów do szerokiego zakresu wyzwań obliczeniowych. Wyposaża ich w koncepcyjne narzędzia i praktyczne umiejętności efektywnego wykorzystywania algorytmów w budowaniu nowoczesnych systemów oprogramowania.

Podstawowy model programowania i abstrakcja danych

Model programowania książki opiera się na języku Java, ale używa tylko zwięzłego podzbioruPoniżej znajduje się tłumaczenie pliku Markdown na język polski. Komentarze w kodzie zostały przetłumaczone, ale sam kod pozostał niezmieniony.

Java do wyrażania algorytmów w sposób jasny i zwięzły. Książka koncentruje się na mechanizmach języka najbardziej istotnych dla algorytmów, unikając przy tym niejednoznacznych funkcji.

Podstawowe bloki konstrukcyjne modelu programowania to:

• Typy danych pierwotnych - podstawowe typy danych wbudowane w Javę, w tym int, double, boolean i char. Te typy mają stały zestaw wartości i operacji.

• Instrukcje - polecenia, które definiują obliczenia poprzez tworzenie i manipulowanie zmiennymi, kontrolowanie przepływu wykonania i powodowanie efektów ubocznych. Książka używa deklaracji, przypisań, warunków, pętli, wywołań i zwrotów.

• Tablice - sekwencje wartości tego samego typu, które umożliwiają losowy dostęp za pomocą indeksu całkowitego. Tablice są najprostszymi strukturami danych do przechowywania i przetwarzania kolekcji danych.

• Metody statyczne - nazwane i sparametryzowane obliczenia, które mogą być ponownie wykorzystywane z wielu miejsc wywołania. Metody statyczne wspierają programowanie modularne poprzez hermetyzację algorytmów jako funkcji wielokrotnego użytku.

• Wejście/wyjście - mechanizmy do interakcji ze światem zewnętrznym poprzez odczytywanie danych wejściowych i zapisywanie danych wyjściowych. Umożliwiają one programom komunikację z użytkownikiem i dostęp do danych przechowywanych w plikach lub w Internecie.

• Abstrakcja danych - rozszerza hermetyzację i wielokrotne użycie, aby umożliwić definiowanie typów danych niebędących typami pierwotnymi, wspierając w ten sposób programowanie obiektowe. W tej sekcji omówimy kolejno pierwsze pięć z tych elementów. Abstrakcja danych jest tematem następnej sekcji.

Uruchomienie programu Java wiąże się z interakcją z systemem operacyjnym lub środowiskiem programistycznym. Dla jasności i oszczędności opisujemy takie działania w kategoriach wirtualnego terminala, gdzie komunikujemy się z programami, wpisując polecenia do systemu. Szczegółowe informacje na temat korzystania z wirtualnego terminala na Twoim systemie lub informacje na temat korzystania z jednego z wielu bardziej zaawansowanych środowisk programistycznych dostępnych w nowoczesnych systemach można znaleźć na stronie internetowej książki.

Na przykład BinarySearch to dwie metody statyczne, rank() i main(). Pierwsza metoda statycznaPoniżej znajduje się tłumaczenie pliku Markdown na język polski. Komentarze w kodzie zostały przetłumaczone, ale sam kod pozostał niezmieniony.

metoda rank() składa się z czterech instrukcji: dwóch deklaracji, pętli (która sama w sobie jest przypisaniem i dwoma warunkami) oraz zwrócenia wartości. Druga metoda, main(), składa się z trzech instrukcji: deklaracji, wywołania i pętli (która sama w sobie jest przypisaniem i warunkiem).

Aby uruchomić program Javy, najpierw kompilujemy go za pomocą polecenia javac, a następnie uruchamiamy go za pomocą polecenia java. Na przykład, aby uruchomić BinarySearch, najpierw wpisujemy polecenie javac BinarySearch.java (które tworzy plik BinarySearch.class zawierający wersję programu w kodzie bajtowym Javy w pliku BinarySearch.class). Następnie wpisujemy java BinarySearch (po którym następuje nazwa pliku z białą listą) aby przekazać kontrolę do wersji programu w kodzie bajtowym.

Aby opracować podstawę do zrozumienia efektu tych działań, następnie szczegółowo rozważymy prymitywne typy danych i wyrażenia, różne rodzaje instrukcji Javy, tablice, metody statyczne, ciągi znaków oraz wejście/wyjście.

Abstrakcja danych

Abstrakcja danych rozszerza hermetyzację i ponowne wykorzystanie, aby umożliwić nam definiowanie nieprymatywnych typów danych, wspierając w ten sposób programowanie obiektowe. Podstawowa idea polega na definiowaniu typów danych (klas), które hermetyzują wartości danych i operacje na tych wartościach danych. Klienci mogą tworzyć i manipulować obiektami (instancjami typu danych) bez znajomości sposobu reprezentacji danych lub implementacji operacji.

Kluczowe elementy definicji typu danych to:

• Zmienne instancji - dane, które każdy obiekt zawiera
• Konstruktory - metody tworzenia obiektów i inicjalizacji zmiennych instancji
• Metody instancji - metody definiujące operacje na obiektach
• Zakres - widoczność i czas życia zmiennych

Java zapewnia mechanizmy do precyzyjnej kontroli dostępu do zmiennych instancji i metod. Słowo kluczowe private zapewnia, że mogą one być dostępne tylko wewnątrz definicji typu danych, a nie przez klientów.

Definiowanie interfejsów API, kodu klienta i testowanie implementacji są istotnymi krokami w opracowywaniu abstrakcyjnego typu danych.Poniżej znajduje się tłumaczenie na język polski:

Typ. API służy do oddzielenia klientów od implementacji, umożliwiając programowanie modularne. Można opracować wiele implementacji dla tego samego API.

Kilka przykładów ilustruje te koncepcje, w tym typ danych do utrzymywania licznika, typ danych do reprezentowania dat oraz typ danych do gromadzenia wartości danych. Animacje wizualne operacji na typach danych pomagają zrozumieć ich zachowanie.

Ciągi znaków i wejście/wyjście ponownie rozpatrywane z perspektywy obiektowo-orientowanej pokazują, jak można obsługiwać wiele strumieni wejściowych, strumieni wyjściowych i okien rysowania jako obiekty w ramach pojedynczego programu.

Programowanie z abstrakcyjnymi typami danych

Abstrakcyjne typy danych są niezbędne do organizowania i zarządzania złożonymi programami. Pozwalają nam na:

• Hermetyzację powiązanych danych i operacji w modułach
• Oddzielenie interfejsu i implementacji
• Niezależne opracowywanie kodu klienta i implementacji
• Zastępowanie ulepszonych implementacji bez zmiany kodu klienta
• Ponowne wykorzystanie kodu

Przestrzeganie konwencji i dbanie o kwestie takie jak zakres, projektowanie API, testowanie i nazewnictwo są ważne dla skutecznego programowania z abstrakcyjnymi typami danych.

Podsumowanie

• Prymitywne typy danych, wyrażenia, instrukcje, tablice, metody statyczne, ciągi znaków i wejście/wyjście są podstawowymi elementami składowymi programów Java.

• Abstrakcyjne typy danych umożliwiają programowanie modularne, oddzielając klientów od implementacji.

• Definiowanie API, kodu klienta i testowanie implementacji są niezbędne w programowaniu z abstrakcyjnymi typami danych.

• Hermetyzacja danych i operacji w abstrakcyjnych typach danych ułatwia organizowanie i zarządzanie złożonymi programami.

To podsumowuje nasze wprowadzenie do podstaw programowania w Javie i abstrakcyjnych typów danych. Z tymi koncepcyjnymi narzędziami jesteśmy gotowi, aby przejść do rozważania podstawowych algorytmów i struktur danych.