Chương 1. Bắt đầu với Thuật toán: Một Cách Tiếp Cận Hiện Đại

Thuật toán là gì và tại sao chúng lại quan trọng?

Một thuật toán là một phương pháp giải quyết vấn đề hữu hạn, xác định và hiệu quả, phù hợp để thực hiện như một chương trình máy tính. Thuật toán là chủ đề chính của khoa học máy tính - chúng là đối tượng trung tâm của nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Thuật toán là công cụ thiết yếu trong lập trình máy tính và phát triển phần mềm. Mọi chương trình máy tính không đơn giản đều chứa các thuật toán xác định các bước cần thực hiện để giải quyết một vấn đề hoặc hoàn thành một nhiệm vụ. Một số ví dụ về nơi thuật toán đóng vai trò quan trọng bao gồm:

• Tính toán khoa học - các thuật toán cung cấp sức mạnh cho các mô hình tính toán và mô phỏng được sử dụng trong các lĩnh vực như vật lý, sinh học và kỹ thuật để giải quyết các vấn đề phức tạp. Ví dụ, các thuật toán mô phỏng N-body dự đoán chuyển động của các hạt dưới các lực vật lý.

• Trí tuệ nhân tạo và học máy - các thuật toán nằm bên dưới các mô hình được sử dụng cho các nhiệm vụ như thị giác máy tính, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và phân tích dự báo. Các thuật toán học sâu đã cho phép đạt được những bước tiến đột phá trong khả năng của trí tuệ nhân tạo.

• Tối ưu hóa và nghiên cứu hoạt động - các thuật toán được sử dụng để tối ưu hóa các hệ thống và quy trình phức tạp, chẳng hạn như lịch trình bay của hãng hàng không, logistics chuỗi cung ứng, danh mục đầu tư tài chính và mạng viễn thông. Lập trình tuyến tính và các thuật toán tối ưu hóa khác cung cấp hỗ trợ ra quyết định.

• Đồ họa máy tính và mô phỏng - các thuật toán tạo ra hình ảnh, hoạt hình và thế giới ảo tương tác thực tế trong trò chơi video và phim hoạt hình máy tính. Các thuật toán truy vết tia và mô phỏng vật lý tạo ra những cảnh tượng sống động.

• An ninh mạng và mã hóa - các thuật toán bảo mật các hệ thống máy tính bằng cách mã hóa dữ liệu nhạy cảm, phát hiện xâm nhập và xác minh danh tính. Các thuật toán mã hóa khóa công khai cho phép giao tiếp và thương mại trực tuyến an toàn.

• Sinh tin học và sinh học tính toán - các thuật toán được sử dụng để phân tích dữ liệu sinh học như trình tự DNAĐây là bản dịch tiếng Việt của tệp Markdown:

Các thuật toán cung cấp sức mạnh giải quyết vấn đề để đối phó với những thách thức tính toán khó khăn nhất và hiện thực hóa tiềm năng của các công nghệ máy tính mới. Những tiến bộ trong các thuật toán có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu quả và khả năng của các hệ thống máy tính.

• Cơ sở dữ liệu và truy xuất thông tin - các thuật toán cung cấp sức mạnh cho việc lưu trữ, lập chỉ mục và truy vấn các tập dữ liệu khổng lồ. Các công cụ tìm kiếm sử dụng các thuật toán thu thập, lập chỉ mục và xếp hạng trang web để cung cấp quyền truy cập tức thời vào thông tin trực tuyến.

Trong khi các ngôn ngữ lập trình và công cụ hiện đại ẩn nhiều chi tiết triển khai, việc hiểu biết sâu sắc về các thuật toán vẫn là điều thiết yếu để viết phần mềm hiệu quả, có khả năng mở rộng và bền vững. Các lập trình viên cần biết cách lựa chọn các thuật toán phù hợp cho một vấn đề, phân tích hiệu quả của các thuật toán, nhận ra các mẫu thuật toán và điều chỉnh các thuật toán hiện có để sử dụng cho các mục đích mới.

Việc nghiên cứu các thuật toán bao gồm các nền tảng lý thuyết, kỹ thuật thiết kế và phân tích toán học của các phương pháp giải quyết vấn đề tính toán. Đây là một lĩnh vực trí tuệ phong phú với những liên kết sâu sắc với toán học và nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Mỗi nhà khoa học máy tính và kỹ sư phần mềm đều nên có kiến thức cơ bản về các thuật toán thiết yếu đang được sử dụng ngày nay.

Tổng quan về cuốn sách và cách tiếp cận của nó

Cuốn sách này cung cấp một bài giới thiệu toàn diện về việc nghiên cứu các thuật toán máy tính hiện đại. Nó trình bày nhiều thuật toán quan trọng nhất được sử dụng trong khoa học máy tính và kỹ thuật phần mềm, với trọng tâm là các ứng dụng thực tế và phân tích hiệu suất khoa học.

Cuốn sách khảo sát các thuật toán cơ bản cho việc sắp xếp, tìm kiếm, đồ thị, chuỗi và các chủ đề khoa học máy tính cốt lõi khác. Nó cho thấy cách phân tích các thuật toán để hiểu hiệu quả của chúng, dự đoán hiệu suất của chúng và so sánh các phương pháp khác nhau.Dưới đây là bản dịch tiếng Việt của tệp Markdown này. Đối với mã, không dịch mã, chỉ dịch các bình luận.

Một đặc điểm nổi bật của cuốn sách này là sự tập trung vào phương pháp khoa học trong việc nghiên cứu các thuật toán. Cuốn sách trình bày mỗi thuật toán bằng cách sử dụng các triển khai hoàn chỉnh bằng Java, các mô hình toán học để phân tích hiệu suất, và các nghiên cứu thực nghiệm kiểm tra khả năng dự đoán của các mô hình trên các đầu vào thực tế. Thông qua phương pháp khoa học này, cuốn sách dạy cách hiểu các đặc điểm nổi bật của một thuật toán và dự đoán hiệu suất của nó trong các ứng dụng thực tế.

Các triển khai Java được đề cập trong cuốn sách cung cấp các giải pháp hoàn chỉnh, được thiết kế tốt, phù hợp để sử dụng trong các chương trình thực tế. Tuy nhiên, mục tiêu chính của cuốn sách không chỉ là dạy cách triển khai các thuật toán cụ thể bằng Java, mà là thúc đẩy các kỹ thuật chung để thiết kế và phân tích các thuật toán hiệu quả trong bất kỳ ngôn ngữ nào. Các triển khai phục vụ để minh họa các mẫu thiết kế thuật toán và phương pháp phân tích chung có thể áp dụng trong nhiều môi trường tính toán.

Để giữ trọng tâm vào các khái niệm cốt lõi, cuốn sách sử dụng một tập con ngắn gọn của Java và tuân thủ các mô hình lập trình và phân tích được tinh giản. Nó bao gồm các cơ chế ngôn ngữ quan trọng nhất cho các thuật toán và trừu tượng hóa dữ liệu, đồng thời tránh các tính năng khó hiểu. Cuốn sách cũng cung cấp các thư viện riêng cho đầu vào/đầu ra, tạo dữ liệu và các hàm toán học để đơn giản hóa các ví dụ.

Cuốn sách được tổ chức thành sáu chương có thể hỗ trợ một học kỳ hoặc hai học kỳ về các thuật toán. Nó cũng phù hợp để tự học cho các lập trình viên thực hành hoặc như tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia.

Chương 1 giới thiệu nền tảng của các thuật toán và phương pháp khoa học được cuốn sách ủng hộ. Nó bao gồm mô hình lập trình Java, trừu tượng hóa dữ liệu, cấu trúc dữ liệu cơ bản, các kiểu dữ liệu trừu tượng cho các bộ sưu tập, các phương pháp phân tích hiệu suất thuật toán và một nghiên cứu trường hợp.

Chương 2 bao gồm các thuật toán sắp xếp, bao gồmDưới đây là bản dịch tiếng Việt của tệp Markdown này. Đối với mã, không dịch mã, chỉ dịch các bình luận.

Chương 3 tập trung vào các thuật toán tìm kiếm và các cấu trúc dữ liệu liên quan, bao gồm tìm kiếm tuần tự, tìm kiếm nhị phân, cây tìm kiếm nhị phân, cây cân bằng và bảng băm. Nó cho thấy cách xây dựng các cấu trúc tìm kiếm hiệu quả cho cả dữ liệu đã sắp xếp và chưa sắp xếp.

Chương 4 trình bày các thuật toán đồ thị cơ bản cho kết nối, đồ thị có hướng, cây khung tối thiểu và đường đi ngắn nhất. Nó bao gồm tìm kiếm sâu, tìm kiếm rộng, sắp xếp topo, thuật toán Prim và Kruskal, và thuật toán Dijkstra và Bellman-Ford.

Chương 5 đề cập đến các thuật toán xử lý chuỗi, bao gồm sắp xếp chuỗi, cây trie, tìm kiếm con chuỗi, biểu thức chính quy và nén dữ liệu. Nó minh họa tầm quan trọng của các thuật toán hiệu quả đối với dữ liệu chuỗi trong các ứng dụng máy tính hiện đại.

Chương 6 kết thúc cuốn sách bằng cách tổng quan về các chủ đề thuật toán nâng cao và mối liên hệ của chúng với các lĩnh vực khoa học máy tính khác. Nó thảo luận về hình học tính toán, nghiên cứu hoạt động, phương pháp số và tính khó tính để thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn.

Bộ sưu tập bài tập, bài toán lập trình và thí nghiệm phong phú kèm theo cuốn sách giúp người đọc phát triển sâu sắc về thuật toán thông qua thực hành. Trang web của cuốn sách cung cấp thêm các tài nguyên, bao gồm tệp dữ liệu, trường hợp kiểm tra và bài toán thách thức.

Bằng cách kết hợp các thuật toán cổ điển với các kỹ thuật khoa học để thiết kế và phân tích chúng, cuốn sách này chuẩn bị cho người đọc triển khai, đánh giá và triển khai các thuật toán một cách tự tin để giải quyết các thách thức tính toán. Nó trang bị cho họ các công cụ khái niệm và kỹ năng thực tiễn để sử dụng các thuật toán một cách hiệu quả trong việc xây dựng các hệ thống phần mềm hiện đại.

Mô hình lập trình cơ bản và trừu tượng hóa dữ liệu

Mô hình lập trình của cuốn sách dựa trên ngôn ngữ Java, nhưng chỉ sử dụng một tập hợp ngắn gọnĐây là bản dịch tiếng Việt của tệp Markdown:

Java để diễn đạt các thuật toán một cách rõ ràng và súc tích. Cuốn sách tập trung vào các cơ chế ngôn ngữ liên quan nhất đến các thuật toán, đồng thời tránh các tính năng khó hiểu.

Các khối xây dựng cơ bản của mô hình lập trình là:

• Kiểu dữ liệu nguyên thủy - các kiểu dữ liệu cơ bản được xây dựng sẵn trong Java, bao gồm int, double, boolean và char. Các kiểu này có một tập hợp cố định các giá trị và phép toán.

• Câu lệnh - các lệnh định nghĩa một phép tính bằng cách tạo và thao tác các biến, kiểm soát luồng thực thi và gây ra các tác dụng phụ. Cuốn sách sử dụng các câu lệnh khai báo, gán, điều kiện, vòng lặp, gọi và trả về.

• Mảng - các chuỗi các giá trị cùng kiểu cho phép truy cập ngẫu nhiên bằng chỉ số nguyên. Mảng là cấu trúc dữ liệu đơn giản nhất để lưu trữ và xử lý các bộ sưu tập dữ liệu.

• Phương thức tĩnh - các phép tính được đặt tên và tham số hóa có thể được tái sử dụng từ nhiều điểm gọi. Các phương thức tĩnh hỗ trợ lập trình mô-đun bằng cách đóng gói các thuật toán thành các hàm có thể tái sử dụng.

• Nhập/xuất - các cơ chế tương tác với thế giới bên ngoài bằng cách đọc đầu vào và ghi đầu ra. Những cơ chế này cho phép các chương trình giao tiếp với người dùng và truy cập dữ liệu được lưu trữ trong các tệp hoặc trên web.

• Trừu tượng hóa dữ liệu - mở rộng đóng gói và tái sử dụng để cho phép chúng ta định nghĩa các kiểu dữ liệu không phải nguyên thủy, do đó hỗ trợ lập trình hướng đối tượng. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét năm điều đầu tiên trong số này. Trừu tượng hóa dữ liệu là chủ đề của phần tiếp theo.

Chạy một chương trình Java liên quan đến tương tác với một hệ điều hành hoặc một môi trường phát triển chương trình. Để rõ ràng và tiết kiệm, chúng tôi mô tả các hành động như vậy bằng cách sử dụng một thiết bị đầu cuối ảo, nơi chúng ta tương tác với các chương trình bằng cách gõ lệnh vào hệ thống. Xem trang web của cuốn sách để biết chi tiết về cách sử dụng một thiết bị đầu cuối ảo trên hệ thống của bạn, hoặc để biết thông tin về cách sử dụng một trong nhiều môi trường phát triển chương trình nâng cao hơn có sẵn trên các hệ thống hiện đại.

Ví dụ, BinarySearch là hai phương thức tĩnh, rank() và main(). Phương thức tĩnh đầu tiênVui lòng cung cấp bản dịch tiếng Việt cho tệp Markdown này. Đối với mã, không dịch mã, chỉ dịch các bình luận. Đây là tệp:

Phương thức, rank(), có bốn câu lệnh: hai khai báo, một vòng lặp (là một phép gán và hai điều kiện), và một lệnh trả về. Thứ hai, main(), có ba câu lệnh: một khai báo, một lời gọi, và một vòng lặp (là một phép gán và một điều kiện).

Để gọi một chương trình Java, trước tiên chúng ta biên dịch nó bằng lệnh javac, sau đó chạy nó bằng lệnh java. Ví dụ, để chạy BinarySearch, trước tiên chúng ta gõ lệnh javac BinarySearch.java (tạo ra tệp BinarySearch.class chứa phiên bản cấp thấp hơn của chương trình trong mã byte Java trong tệp BinarySearch.class). Sau đó, chúng ta gõ java BinarySearch (theo sau là tên tệp danh sách trắng) để chuyển quyền điều khiển sang phiên bản mã byte của chương trình.

Để phát triển một cơ sở để hiểu rõ hơn về tác dụng của những hành động này, chúng ta tiếp theo xem xét chi tiết các kiểu dữ liệu nguyên thủy và biểu thức, các loại câu lệnh Java khác nhau, mảng, phương thức tĩnh, chuỗi và nhập/xuất.

Trừu tượng hóa dữ liệu

Trừu tượng hóa dữ liệu mở rộng bao đóng và tái sử dụng để cho phép chúng ta định nghĩa các kiểu dữ liệu không nguyên thủy, do đó hỗ trợ lập trình hướng đối tượng. Ý tưởng cơ bản là định nghĩa các kiểu dữ liệu (lớp) bao đóng các giá trị dữ liệu và các thao tác trên những giá trị dữ liệu đó. Khách hàng có thể tạo và thao tác với các đối tượng (thể hiện của kiểu dữ liệu) mà không biết cách biểu diễn dữ liệu hoặc cách thực hiện các thao tác.

Các thành phần chính của một định nghĩa kiểu dữ liệu là:

• Biến thể hiện - dữ liệu mà mỗi đối tượng chứa
• Bộ khởi tạo - các phương thức để tạo đối tượng và khởi tạo các biến thể hiện
• Phương thức thể hiện - các phương thức định nghĩa các thao tác trên đối tượng
• Phạm vi - tính khả kiến và thời gian sống của các biến

Java cung cấp các cơ chế để kiểm soát chính xác quyền truy cập vào các biến thể hiện và phương thức. Từ khóa private đảm bảo rằng chúng chỉ có thể được truy cập từ bên trong định nghĩa kiểu dữ liệu, không phải từ khách hàng.

Định nghĩa API, mã khách hàng và kiểm tra triển khai là các bước thiết yếu trong việc phát triển một kiểu dữ liệu trừu tượng.Đây là bản dịch tiếng Việt của tệp Markdown:

Loại. API phục vụ để tách khách hàng khỏi các triển khai, cho phép lập trình mô-đun. Nhiều triển khai có thể được phát triển cho cùng một API.

Một số ví dụ minh họa các khái niệm này, bao gồm một kiểu dữ liệu để duy trì bộ đếm, một kiểu dữ liệu để biểu diễn ngày tháng và một kiểu dữ liệu để tích lũy các giá trị dữ liệu. Các hoạt ảnh trực quan về các thao tác kiểu dữ liệu giúp cung cấp hiểu biết về hành vi của chúng.

Chuỗi và nhập/xuất được xem xét lại từ quan điểm hướng đối tượng cho thấy cách xử lý nhiều luồng nhập, luồng xuất và cửa sổ vẽ như các đối tượng trong một chương trình đơn.

Lập trình với Kiểu Dữ Liệu Trừu Tượng

Các kiểu dữ liệu trừu tượng là thiết yếu để tổ chức và quản lý các chương trình phức tạp. Chúng cho phép chúng ta:

• Đóng gói dữ liệu và thao tác liên quan vào các mô-đun
• Tách biệt giao diện và triển khai
• Phát triển mã khách hàng và triển khai độc lập
• Thay thế các triển khai cải tiến mà không thay đổi mã khách hàng
• Tái sử dụng mã

Tuân thủ các quy ước và chú ý đến các vấn đề như phạm vi, thiết kế API, kiểm tra và đặt tên là quan trọng để lập trình thành công với các kiểu dữ liệu trừu tượng.

Tóm tắt

• Các kiểu dữ liệu nguyên thủy, biểu thức, câu lệnh, mảng, phương thức tĩnh, chuỗi và nhập/xuất là những khối xây dựng cơ bản cho các chương trình Java.

• Các kiểu dữ liệu trừu tượng cho phép lập trình mô-đun, tách khách hàng khỏi các triển khai.

• Định nghĩa API, mã khách hàng và kiểm tra các triển khai là thiết yếu để lập trình với các kiểu dữ liệu trừu tượng.

• Đóng gói dữ liệu và thao tác trong các kiểu dữ liệu trừu tượng giúp tổ chức và quản lý các chương trình phức tạp.

Đây kết thúc phần giới thiệu về các khái niệm cơ bản của lập trình trong Java và các kiểu dữ liệu trừu tượng. Với những công cụ khái niệm này, chúng ta sẵn sàng để tiến lên xem xét các thuật toán và cấu trúc dữ liệu cơ bản.