《Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》讀書(shū)筆記模板

《Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》讀書(shū)筆記模板主講人：目錄01數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)02算法基礎(chǔ)03Python實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)04Python實(shí)現(xiàn)算法05高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)06算法應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)PARTONE基本概念介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，它決定了數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和處理效率。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義算法復(fù)雜度包括時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，用于評(píng)估算法的效率和資源消耗。算法復(fù)雜度ADT定義了數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和操作，如棧、隊(duì)列、列表等，與具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)。抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型(ADT)010203常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組和鏈表數(shù)組提供快速的隨機(jī)訪問(wèn)，而鏈表則在插入和刪除操作上更為高效。棧和隊(duì)列棧遵循后進(jìn)先出（LIFO）原則，常用于函數(shù)調(diào)用和撤銷(xiāo)操作；隊(duì)列遵循先進(jìn)先出（FIFO）原則，用于任務(wù)調(diào)度和緩沖處理。樹(shù)和圖樹(shù)結(jié)構(gòu)用于表示層級(jí)關(guān)系，如文件系統(tǒng)；圖則用于表示復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，如社交網(wǎng)絡(luò)中的好友關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性能分析01分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作的時(shí)間效率，例如數(shù)組的訪問(wèn)時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，而鏈表的訪問(wèn)為O(n)。時(shí)間復(fù)雜度分析02評(píng)估數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用內(nèi)存的大小，如棧和隊(duì)列的空間復(fù)雜度通常為O(n)?？臻g復(fù)雜度分析03通過(guò)比較不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法效率，如二叉搜索樹(shù)與哈希表在查找操作上的效率差異。算法效率比較算法基礎(chǔ)PARTTWO算法定義與特性算法的定義算法的輸入輸出算法的確定性算法的有限性算法是一組定義明確的指令集合，用于解決特定問(wèn)題或執(zhí)行特定任務(wù)。算法必須在有限步驟后終止，不能無(wú)限循環(huán)，確保問(wèn)題能在合理時(shí)間內(nèi)解決。算法的每一步驟都必須清晰無(wú)歧義，確保每次執(zhí)行都能得到相同的結(jié)果。算法應(yīng)有明確的輸入和輸出，輸入是算法開(kāi)始前的數(shù)據(jù)，輸出是算法執(zhí)行后的結(jié)果。算法復(fù)雜度分析時(shí)間復(fù)雜度是衡量算法執(zhí)行時(shí)間隨輸入數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，例如O(n)表示線性時(shí)間復(fù)雜度?？臻g復(fù)雜度用于描述算法在運(yùn)行過(guò)程中臨時(shí)占用存儲(chǔ)空間的大小，如O(1)表示常數(shù)空間復(fù)雜度。時(shí)間復(fù)雜度空間復(fù)雜度算法復(fù)雜度分析大O表示法用于描述算法性能的上界，幫助我們理解算法效率，例如O(n^2)表示二次時(shí)間復(fù)雜度。大O表示法分析算法時(shí)，考慮最好、最壞和平均情況下的復(fù)雜度，以全面評(píng)估算法性能，如快速排序的最好情況為O(nlogn)。最好、最壞和平均情況分析常見(jiàn)算法設(shè)計(jì)技巧分治法通過(guò)將問(wèn)題分解為更小的子問(wèn)題來(lái)解決，如快速排序和歸并排序。分治法貪心算法在每一步選擇中都采取當(dāng)前狀態(tài)下最優(yōu)的選擇，如哈夫曼編碼和最小生成樹(shù)。貪心算法動(dòng)態(tài)規(guī)劃用于解決具有重疊子問(wèn)題和最優(yōu)子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，例如背包問(wèn)題和最長(zhǎng)公共子序列。動(dòng)態(tài)規(guī)劃回溯法通過(guò)試錯(cuò)來(lái)尋找問(wèn)題的解，常用于解決組合問(wèn)題，如八皇后問(wèn)題和圖的著色問(wèn)題?；厮莘≒ython實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PARTTHREE列表和元組元組是不可變的序列類(lèi)型，一旦創(chuàng)建就不能修改，常用于存儲(chǔ)固定的數(shù)據(jù)集合。元組的定義與特性列表是Python中可變的序列類(lèi)型，支持元素的增刪改查，如使用append()添加元素。列表的定義與使用列表和元組列表由于可變性，其操作如添加元素通常比元組慢，但元組的不可變性使其在某些場(chǎng)景下更高效。列表推導(dǎo)式提供了一種簡(jiǎn)潔的創(chuàng)建列表的方法，而元組解包則允許在賦值時(shí)將元組中的元素分別賦給多個(gè)變量。列表與元組的性能比較列表推導(dǎo)式和元組解包字典和集合Python字典允許通過(guò)鍵值對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如使用字典記錄學(xué)生信息，鍵為學(xué)號(hào)，值為學(xué)生姓名。字典的使用01集合是一個(gè)無(wú)序的不重復(fù)元素序列，常用于去重和成員關(guān)系測(cè)試，如去除列表中的重復(fù)項(xiàng)。集合的特性02字典和集合在Python中基于哈希表實(shí)現(xiàn)，提供了常數(shù)時(shí)間復(fù)雜度的查找、插入和刪除操作。字典與集合的效率03字典和集合利用推導(dǎo)式可以快速構(gòu)建字典和集合，例如從一組數(shù)據(jù)中篩選出滿(mǎn)足特定條件的元素。字典推導(dǎo)式和集合推導(dǎo)式包括添加、刪除元素，以及集合的并集、交集、差集等操作，如合并兩個(gè)字典或集合。字典和集合的常見(jiàn)操作棧和隊(duì)列01棧是一種后進(jìn)先出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持push（入棧）和pop（出棧）操作，常用于實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用棧。02隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持enqueue（入隊(duì)）和dequeue（出隊(duì)）操作，用于模擬排隊(duì)等場(chǎng)景。棧的基本概念與操作隊(duì)列的基本概念與操作棧和隊(duì)列在Python中，可以使用列表（list）數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)棧的功能，通過(guò)append()和pop()方法模擬棧操作。Python中棧的實(shí)現(xiàn)Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的collections模塊提供了deque類(lèi)，它是一個(gè)雙端隊(duì)列，可以高效地實(shí)現(xiàn)隊(duì)列操作。Python中隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)Python實(shí)現(xiàn)算法PARTFOUR排序算法冒泡排序通過(guò)重復(fù)交換相鄰的元素，如果它們的順序錯(cuò)誤，直到列表被排序完成。冒泡排序01快速排序是一種分而治之的算法，通過(guò)選擇一個(gè)“基準(zhǔn)”元素然后將數(shù)組分為兩部分。快速排序02歸并排序是將數(shù)組分成兩半，分別對(duì)它們進(jìn)行排序，然后將結(jié)果合并成一個(gè)有序數(shù)組。歸并排序03排序算法插入排序插入排序通過(guò)構(gòu)建有序序列，對(duì)于未排序數(shù)據(jù)，在已排序序列中從后向前掃描，找到相應(yīng)位置并插入。0102選擇排序選擇排序每次從未排序序列中選出最?。ɑ蜃畲螅┰兀娣诺脚判蛐蛄械钠鹗嘉恢?，直到全部未排序序列結(jié)束。搜索算法線性搜索廣度優(yōu)先搜索（BFS）深度優(yōu)先搜索（DFS）二分搜索線性搜索是最簡(jiǎn)單的搜索算法，它遍歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)元素，直到找到目標(biāo)值。二分搜索適用于已排序的數(shù)據(jù)集，通過(guò)比較中間元素與目標(biāo)值，快速縮小搜索范圍。深度優(yōu)先搜索是一種用于遍歷或搜索樹(shù)或圖的算法，它盡可能深地搜索樹(shù)的分支。廣度優(yōu)先搜索從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，逐層向外擴(kuò)展，直到找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或遍歷完所有節(jié)點(diǎn)。圖算法在Python中，圖可以通過(guò)鄰接矩陣或鄰接表來(lái)表示，便于實(shí)現(xiàn)圖的遍歷和搜索算法。圖的表示方法BFS利用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，適用于求解最短路徑問(wèn)題，如在社交網(wǎng)絡(luò)中尋找最短連接路徑。廣度優(yōu)先搜索（BFS）DFS是圖算法中的一種基本搜索技術(shù)，Python通過(guò)遞歸或棧實(shí)現(xiàn)，用于遍歷或路徑查找。深度優(yōu)先搜索（DFS）Dijkstra算法和Floyd-Warshall算法是解決圖中兩點(diǎn)間最短路徑問(wèn)題的常用方法，Python實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔高效。最短路徑算法01020304高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PARTFIVE樹(shù)與二叉樹(shù)樹(shù)是由節(jié)點(diǎn)組成的層次結(jié)構(gòu)，具有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有零個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。樹(shù)的定義與特性二叉搜索樹(shù)是一種特殊的二叉樹(shù)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的左子樹(shù)只包含小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)，右子樹(shù)只包含大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)。二叉搜索樹(shù)（BST）二叉樹(shù)分為完全二叉樹(shù)、滿(mǎn)二叉樹(shù)、平衡二叉樹(shù)等，每種類(lèi)型有其特定的性質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)景。二叉樹(shù)的類(lèi)型樹(shù)與二叉樹(shù)01二叉樹(shù)遍歷算法包括前序遍歷、中序遍歷和后序遍歷，用于訪問(wèn)樹(shù)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。二叉樹(shù)的遍歷算法02在數(shù)據(jù)庫(kù)索引、文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，二叉樹(shù)被廣泛用于快速查找和排序操作。二叉樹(shù)的應(yīng)用實(shí)例堆與優(yōu)先隊(duì)列堆是一種特殊的完全二叉樹(shù)，滿(mǎn)足父節(jié)點(diǎn)的值總是大于或等于（最小堆）或小于或等于（最大堆）子節(jié)點(diǎn)的值。堆的定義與性質(zhì)優(yōu)先隊(duì)列是一種抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中的元素都有優(yōu)先級(jí)，元素的添加和移除都按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行。優(yōu)先隊(duì)列的基本概念堆與優(yōu)先隊(duì)列堆通常通過(guò)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的索引關(guān)系可以簡(jiǎn)單通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算得出，便于快速訪問(wèn)和操作。堆的實(shí)現(xiàn)方法操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度器常使用優(yōu)先隊(duì)列來(lái)管理進(jìn)程，確保高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠先被執(zhí)行。優(yōu)先隊(duì)列的應(yīng)用實(shí)例散列表散列表（HashTable）是一種通過(guò)哈希函數(shù)將鍵映射到存儲(chǔ)位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速查找。散列表的基本概念01在散列表中，不同的鍵可能映射到同一個(gè)位置，常見(jiàn)的沖突解決策略有鏈表法和開(kāi)放尋址法。沖突解決策略02為了保持散列表的效率，當(dāng)負(fù)載因子過(guò)高時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)容，即創(chuàng)建更大的散列表并重新哈希。動(dòng)態(tài)擴(kuò)容機(jī)制03例如，Python中的字典類(lèi)型就是基于散列表實(shí)現(xiàn)的，它提供了快速的鍵值對(duì)存取功能。應(yīng)用實(shí)例分析04算法應(yīng)用實(shí)例PARTSIX字符串處理如樸素字符串匹配算法，用于檢查一個(gè)字符串是否包含另一個(gè)字符串作為子串。例如KMP算法，用于在文本中高效地查找子串的位置，提高搜索效率。例如基數(shù)排序，常用于對(duì)字符串?dāng)?shù)組進(jìn)行排序，如電話(huà)號(hào)碼簿的排序。字符串搜索算法字符串匹配算法如Huffman編碼，用于減少字符串的存儲(chǔ)空間，常用于數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)優(yōu)化。字符串排序算法字符串壓縮算法數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)處理中，排序算法如快速排序、歸并排序常用于整理數(shù)據(jù)，提高檢索效率。01排序算法應(yīng)用搜索算法如二分查找在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，能快速定位信息，提高數(shù)據(jù)檢索速度。02搜索算法應(yīng)用哈希表用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索，如在數(shù)據(jù)庫(kù)索引中快速定位數(shù)據(jù)記錄，提升處理效率。03哈希表在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用算法在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用利用算法對(duì)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行排名，如PageRank算法，幫助搜索引擎優(yōu)化搜索結(jié)果的相關(guān)性和準(zhǔn)確性。搜索引擎優(yōu)化運(yùn)用圖論中的最短路徑算法，如Dijkstra算法，為