Algorytmy struktury danych i techniki programowania Wydanie VI Lublin

Algorytmy i struktury danych - szybko, łatwo, skutecznie! Poznaj najważniejsze algorytmy i techniki programistyczne Naucz się skutecznie wykorzystywać typy i struktury danych Dowiedz się, jak w praktyce zastosować zdobytą wiedzę Algorytmika to dziedzina, która w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat dostarczyła wielu efektywnych narzędzi wspomagających rozwiązywanie różnorodnych zagadnień za pomocą komputera. Dla niektórych stanowi swego rodzaju książkę kucharską, do której sięgają jedynie po wybrane przepisy, a dla innych - pole do rozwinięcia umiejętności skutecznego rozwiązywania problemów i szkołę niestandardowego myślenia. Niezależnie od podejścia jest to dziedzina, z którą wypada się zapoznać, jeśli ma się ambicję zostać zawodowym programistą lub po prostu być osobą nowoczesną i wszechstronnie wykształconą. Ten przewodnik prezentuje szerokie spektrum zagadnień algorytmicznych, najważniejsze informacje na temat struktur danych, technik rekurencyjnych i złożonych metod algorytmicznych. Teoria jest tu poparta przykładowymi programami napisanymi w języku C++, łatwymi do analizy i skompilowania z wykorzystaniem standardowych narzędzi. Autor nie poprzestaje na suchym kodzie, lecz stara się przedstawić praktyczne zastosowanie opisywanych rozwiązań. Podręcznik przyda się zarówno osobom niemającym solidnych podstaw teoretycznych, jak i specjalistom, którzy zawodowo zajmują się programowaniem. Nowe wydanie zostało gruntownie odświeżone i poprawione, a listingi dostosowane do wymagań najnowszych kompilatorów. Książka zawiera opis zasad kompilacji dla środowiska Visual Studio 2017 i kilku wybranych środowisk używających GNU C++ (Dev-C++ i Cygwin). Historia algorytmiki Mechanizm rekurencji Systemy liczbowe i kodowanie Typy i struktury danych Analiza złożoności algorytmów Derekursywacja algorytmów Optymalizacja algorytmów Algorytmy sortowania i wyszukiwania Elementy algorytmiki grafów Sztuczna inteligencja Szyfrowanie i kompresja danych Biblioteka STL Jedyny podręcznik do algorytmiki, którego będziesz potrzebować! Spis treści: Przedmowa 9 Uwagi do wydania VI 9 Co odróżnia tę książkę od innych podręczników? 10 Dlaczego C++? 11 Jak należy czytać tę książkę? 11 Co zostało opisane w tej książce? 12 Programy przykładowe 14 Konwencje typograficzne i oznaczenia 15 Rozdział 1. Zanim wystartujemy 17 Czym powinien się charakteryzować algorytm? 18 Jak to wcześniej bywało, czyli wyjątki z historii maszyn algorytmicznych 20 - 1804 - 20 - 1830 i później - 21 - 1890 - 21 - lata 30. XX w. - 21 - lata 40. XX w. - 22 - okres powojenny - 22 - 1969 - 23 - teraz - 23 Jak to się niedawno odbyło, czyli o tym, kto "wymyślił" metodologię programowania 24 Proces koncepcji programów 25 Poziomy abstrakcji opisu i wybór języka 26 Modelowanie działania algorytmów (maszyna Turinga) 28 Poprawność algorytmów 29 Zadania 31 Rozwiązania i wskazówki do zadań 31 Rozdział 2. Rekurencja 33 Definicja rekurencji 33 Ilustracja pojęcia rekurencji 35 Jak wykonują się programy rekurencyjne? 36 Niebezpieczeństwa rekurencji 38 Ciąg Fibonacciego 38 Stack overflow! 40 Pułapek ciąg dalszy 42 Stąd do wieczności 43 Definicja poprawna, ale... 43 Typy programów rekurencyjnych 45 Myślenie rekurencyjne 46 Przykład 1. Spirala 47 Przykład 2. Kwadraty "parzyste" 48 Uwagi praktyczne na temat technik rekurencyjnych 50 Zadania 51 Rozwiązania i wskazówki do zadań 53 Rozdział 3. Systemy obliczeniowe i podstawy kodowania 59 System dziesiętny i kilka definicji 60 System dwójkowy 60 Operacje arytmetyczne na liczbach dwójkowych 61 Operacje logiczne na liczbach dwójkowych 62 Kod BCD 64 System ósemkowy 65 System szesnastkowy 65 Kodowanie liczb ze znakiem 65 Kod znak-moduł (ZM) 66 Kod U2 (system uzupełnienia dwójkowego) 66 Zmienne w pamięci komputera 67 Kodowanie znaków 68 Kodowanie obrazów 70 Mapy bitowe na przykładzie formatu BMP 71 Rozdział 4. Typy i struktury danych 75 Typy podstawowe i złożone 76 Tablice 77 Ciągi znaków i napisy w C++ 78 Typy złożone 80 Struktury i wprowadzenie pojęcia referencji 80 Klasy i programowanie obiektowe 83 Abstrakcyjne struktury danych 83 Listy jednokierunkowe 85 Tablicowa implementacja list 106 Stos 111 Kolejki FIFO 116 Sterty i kolejki priorytetowe 119 Drzewa i ich reprezentacje 125 Zbiory 138 STL, czyli struktury danych dla leniuchów 140 Klasyczne kontenery sekwencyjne 141 Adaptery (nakładki na inne kontenery) 147 Kontenery asocjacyjne 148 Algorytmy w STL 151 Dalsze materiały na temat STL 152 Zadania 152 Rozwiązania zadań 153 Rozdział 5. Analiza złożoności algorytmów 155 Definicje i przykłady 156 Jeszcze raz funkcja silnia 160 Zerowanie fragmentu tablicy 163 Wpadamy w pułapkę 165 Różne typy złożoności obliczeniowej 166 Nowe zadanie: uprościć obliczenia! 168 Analiza programów rekurencyjnych 169 Terminologia i definicje 169 Ilustracja metody na przykładzie 170 Rozkład logarytmiczny 171 Przeszukiwanie binarne... tym razem bez matematyki wyższej! 173 Zamiana dziedziny równania rekurencyjnego 174 Funkcja Ackermanna, czyli coś dla smakoszy 174 Złożoność obliczeniowa to nie religia! 176 Techniki optymalizacji programów 176 Zadania 177 Rozwiązania i wskazówki do zadań 178 Rozdział 6. Derekursywacja i optymalizacja algorytmów 181 Jak pracuje kompilator? 182 Odrobina formalizmu nie zaszkodzi! 184 Kilka przykładów derekursywacji algorytmów 185 Derekursywacja z wykorzystaniem stosu 188 Eliminacja zmiennych lokalnych 188 Metoda funkcji przeciwnych 190 Klasyczne schematy derekursywacji 192 Schemat typu while 193 Schemat typu if-else 194 Schemat z podwójnym wywołaniem rekurencyjnym 196 Podsumowanie 198 Rozdział 7. Algorytmy sortowania 199 Sortowanie przez wstawianie, algorytm klasy O(N2) 200 Sortowanie bąbelkowe, algorytm klasy O(N2) 201 Sortowanie szybkie (Quicksort) - algorytm klasy O(N log N) 203 Heapsort - sortowanie przez kopcowanie 206 Scalanie zbiorów posortowanych 209 Sortowanie przez scalanie, algorytm klasy O(N log N) 209 Sortowanie zewnętrzne 211 Uwagi praktyczne 214 Rozdział 8. Algorytmy przeszukiwania 217 Przeszukiwanie liniowe 217 Przeszukiwanie binarne 218 Transformacja kluczowa (hashing) 220 W poszukiwaniu funkcji H 221 Najbardziej znane funkcje H 222 Obsługa konfliktów dostępu 224 Powrót do źródeł 225 Jeszcze raz tablice! 226 Próbkowanie liniowe 226 Podwójne kluczowanie 228 Zastosowania transformacji kluczowej 229 Podsumowanie metod transformacji kluczowej 230 Rozdział 9. Przeszukiwanie tekstów 233 Algorytm typu brute force 233 Nowe algorytmy poszukiwań 235 Algorytm KMP 236 Algorytm Boyera-Moorea 240 Algorytm Rabina-Karpa 242 Rozdział 10. Zaawansowane techniki programowania 245 Programowanie typu "dziel i zwyciężaj" 246 Odszukiwanie minimum i maksimum w tablicy liczb 247 Mnożenie macierzy o rozmiarze N(N 249 Mnożenie liczb całkowitych 252 Inne znane algorytmy "dziel i zwyciężaj" 253 Algorytmy "żarłoczne", czyli przekąsić coś nadszedł już czas... 253 Problem plecakowy, czyli niełatwe jest życie turysty piechura 254 Wydawanie reszty, czyli "A nie ma pan drobnych?" w praktyce 257 Programowanie dynamiczne 258 Ciąg Fibonacciego 259 Równania z wieloma zmiennymi 260 Najdłuższa wspólna podsekwencja 261 Inne techniki programowania 264 Uwagi bibliograficzne 266 Rozdział 11. Elementy algorytmiki grafów 269 Definicje i pojęcia podstawowe 270 Etykiety i wartości 271 Cykle w grafach 273 Sposoby reprezentacji grafów 276 Reprezentacja tablicowa 276 Słowniki węzłów 278 Listy kontra zbiory 279 Podstawowe operacje na grafach 279 Suma grafów 279 Kompozycja grafów 280 Graf do potęgi 280 Algorytm Roya-Warshalla 281 Algorytm Floyda-Warshalla 284 Algorytm Dijkstry 287 Algorytm Bellmana-Forda 289 Drzewo rozpinające minimalne 289 Algorytm Kruskala 290 Algorytm Prima 291 Przeszukiwanie grafów 291 Strategia "w głąb" (przeszukiwanie zstępujące) 292 Strategia "wszerz" 294 Inne strategie przeszukiwania 295 Problem właściwego doboru 296 Podsumowanie 300 Zadania 300 Rozdział 12. Algorytmy numeryczne 301 Poszukiwanie miejsc zerowych funkcji 301 Iteracyjne obliczanie wartości funkcji 303 Interpolacja funkcji metodą Lagrangea 304 Różniczkowanie funkcji 305 Całkowanie funkcji metodą Simpsona 307 Rozwiązywanie układów równań liniowych metodą Gaussa 308 Biblioteka GSL (GNU Scientific Library) 311 Uwagi końcowe 311 Rozdział 13. Czy komputery mogą myśleć? 313 Przegląd obszarów zainteresowań sztucznej inteligencji (SI) 314 Systemy eksperckie 315 Sieci neuronowe 317 Reprezentacja problemów 318 Gry dwuosobowe i drzewa gier 320 Algorytm min-max 321 Rozdział 14. Kodowanie i kompresja danych 327 Kodowanie danych i arytmetyka dużych liczb 329 Metody prymitywne 329 Kodowanie symetryczne 331 Kodowanie asymetryczne 332 Łamanie kodów 338 Jakość klucza szyfrującego 338 Metody łamania szyfrów 339 Techniki kompresji danych 340 Kompresja za pomocą modelowania matematycznego 341 Kompresja metodą RLE 342 Kompresja danych metodą Huffmana 343 Kodowanie LZW 348 Rozdział 15. Zadania różne 355 Teksty zadań 355 Rozwiązania 357 Dodatek A. Poznaj C++ w pięć minut! 361 Elementy języka C++ na przykładach 361 Pierwszy program 361 Dyrektywa #include 362 Kod warunkowy w C++ 362 Operacje arytmetyczne i zmienne 363 Operacje logiczne 363 Wskaźniki i zmienne dynamiczne 364 Referencje 365 Typy proste i typy złożone 365 Podprogramy 367 Procedury 367 Funkcje 367 Instrukcja wyboru (switch) 368 Iteracje 369 Struktury rekurencyjne 369 Parametry programu main() 370 Operacje na plikach w C++ 370 Programowanie obiektowe w C++ 371 Terminologia 372 Obiekty na przykładzie 373 Składowe statyczne klas 376 Metody stałe klas 376 Dziedziczenie własności 376 Dodatek B. Kompilowanie programów przykładowych 381 Zawartość archiwum ZIP na FTP-ie 381 Darmowe kompilatory C++ 382 GCC (GNU Compiler Collection) 382 Microsoft Visual Studio Community 384 macOS 386 Dev-C++ (Orwell) 386 Kompilacja i uruchamianie programów w C++ 387 GCC 387 Microsoft Visual Studio 388 Dev-C++ 395 Cygwin 395 Literatura 397 Spis ilustracji 399 Spis tabel 404 Skorowidz 406 O autorze: Piotr Wróblewski — autor książek z dziedziny informatyki. Z wydawnictwem Helion współpracuje od 1992 roku, czego efektem są liczne podręczniki programowania i obsługi komputerów; najpopularniejsze, ABC komputera i Algorytmy, struktury danych i techniki programowania, doczekały się wielu wydań i nieprzerwanie cieszą się zainteresowaniem czytelników. Ostatni z wymienionych tytułów ukazał się również za granicą. Pierwotnie ilustrowany kodem C++, został przygotowany także w wariantach z językami Java i Python. Piotr Wróblewski jest absolwentem Politechniki Śląskiej i francuskiej uczelni inżynierskiej ENSSAT (w Lannion w Bretanii). Studia we Francji do dziś wspomina jako największą przygodę swojego życia. Po powrocie do Polski przez pewien czas zajmował się pisaniem oprogramowania na zamówienie i prowadzeniem szkoleń komputerowych. Główną część kariery zawodowej zajmuje mu praca w spółkach zagranicznych z branży telekomunikacyjnej, IT i konsultingu, głównie w charakterze kierownika projektów i product managera. Już w trakcie pracy zawodowej ukończył studia z zarządzania i marketingu ... Master HEC w Szkole Biznesu Politechniki Warszawskiej. Od 2006 roku mieszka we Wrocławiu. W ostatnich latach specjalizuje się w bezpieczeństwie aplikacji (klasycznych i oferowanych w chmurze) i rozwijaniu produktów wspomagających cyberbezpieczeństwo. Pełny profil zawodowy: https://www.linkedin.com/in/pwroblewski/ .