初识算法之美

简介: 初识算法之美

对算法的理解:


计算机虽然可以高效的进行运算,但是有很多问题拼的不是算力,而是策略。如果没有策略的去计算,那再强的运算能力也只能称为“蛮力”。策略就是帮助我们如何用更少的计算步骤、更快的速度去运算出结果。换言之,策略就是你设计算法的思路,目的只有一个就是:快人一步。


计算机不同于人脑,人脑面对问题可以先去“观察”、“分析”,然后把复杂转化成简单问题(跟数学题一样,算法就是简便的解题思路)。目前在绝大多数领域计算机还不具备这个功能,离开了人脑,计算机还只是一个人的使用工具罢了。


算法有两个衡量标准:


  • 时间长短(时间复杂度)
  • 占用内存大小(空间复杂度)


先展望一下学习历程:


算法学习是一个循序渐进的过程,经常训练解题能力,逐步积累解题方法策略,最后内化成自己的知识,灵活运用去应对新的问题。


“初极狭,才通人。复行数十步,豁然开朗。”,挺喜欢这句话😁


算法知识点


  1. 高斯算法(倒序相加)
  2. 数列求和


算法题目


image.png

求: Sn=1+2+22+23+...+263=S_n = 1 + 2 + 2^2 + 2^3 + ... + 2^{63}=Sn=1+2+22+23+...+263=

该函数属于爆炸增量函数。


做题思路


方法一


公式法


如果还记得高中数学知识,不难发现,这是一个等比数列求和问题,a1=1,公比q=2,n=64a_1 = 1,公比q = 2,n = 64a1=1q=2n=64

等比数列求和公式:Sn=a1∗1−qn1−q,(q≠1)S_n = a_1 * \frac{1 - q^n}{1 - q} ,(q ≠ 1)Sn=a11q1qn(q=1)

本文暂不讲解公式推导过程

代入公式,上面的式子 = 1∗1−2641−2=264−1=184467440737095516151 * \frac{1 - 2^{64}}{1 - 2} = 2^{64} - 1 = 184467440737095516151121264=2641=18446744073709551615 ,从而转化问题,解题


方法二


忘记方法叫什么名字了,主要原理就是销项,使问题转化成第一项和最后一项的差。

根据原式,等号两边同时乘以2,得式子②2Sn=2+22+23+...+263+2642S_n = 2 + 2^2 + 2^3 + ... + 2^{63} + 2^{64}2Sn=2+22+23+...+263+264

用式子② - 原式 = Sn=264−1=18446744073709551615S_n = 2^{64} - 1 =18446744073709551615Sn=2641=18446744073709551615

据专家统计,每颗麦粒的平均重量约41.9毫克,这些麦粒的总重量为:

18446744073709551615×41.918446744073709551615×41.918446744073709551615×41.9

=772918576688430212668.5(毫克)=772918576688430212668.5(毫克)=772918576688430212668.5()

≈7729000(亿千克)≈7729000(亿千克)7729000亿

全世界人口按77亿计算,每人差不多可以分得100000千克(即100吨)!


总结


常见的算法时间复杂度有以下几类。


  1. 常数阶。 常数阶算法的运行次数是一个常数,如5、20、100。常数阶算法的时间复杂度通常用O(1)表示。


  1. 多项式阶。 很多算法的时间复杂度是多项式,通常用 0(n)、O(n2)O(n^2)O(n2)0(n3)0(n^3)0(n3)等表示。


  1. 指数阶。 指数阶算法的运行效率极差,程序员往往像躲“恶魔”一样避开这种算法。指数阶算法的时间复杂度通常用O(2n)O(2^n)O(2n)O(n!)O(n!)O(n!)O(nn)O(n^n)O(nn)等表示。


  1. 对数阶。 对数阶算法的运行效率较高,通常用O(logn)O(logn)O(logn)O(nlogn)O(nlogn)O(nlogn)等表示。 指数阶增量随着的增加而急剧增加,而对数阶增长缓慢。它们之间的关系如下:


O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n2)<O(n3)<O(2n)O(n!)<O(nn)O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n^2)<O(n^3)<O(2^n)O(n!)<O(n^n)O(1)O(logn)O(n)O(nlogn)O(n2)O(n3)O(2n)O(n!)O(nn)


在设计算法时,我们要注意算法复杂度增量的问题,尽量避免爆炸级增量。


通过上面一个算法小例子,又勾起了我对数学的兴趣。算法跟数学是息息相关的,平常也要复习一下数学知识,相信也会有所帮助的。

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