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《算法设计与分析》教学大纲适用于四年制本科计算机应用技术、信息与计算科学专业（参考学时数：64 学时）一、课程代码7100450，7100451二、课程的性质、任务算法设计与分析是计算机科学的核心问题之一，这门课是计算机专业以及相关专业的一门重要的课程。
本课程的教学目的是：在学生学习掌握了编程的基本技术，掌握了数据结构的基本知识、理论的基础上，比较系统的学习算法理论中的基础部分内容。
在这一课程教学中，培养学生掌握算法设计的方法论，掌握常用的算法设计的方法；掌握算法分析的基本工具、方法、技巧，在解决实际问题时，对于较复杂的问题能抽象出问题的数学模型，设计出有效的算法。
在此基础上学习本课程的中级篇：结构上的算法设计（分类、图的高级部分、流），学生通过这部分的学习，了解算法优化的实现途径，很好的解决数据结构中未能解决的问题、最后是本课程的高级篇：NP完全理论、现代优化计算方法简介。
学生通过这部分的学习初步了解计算复杂性理论的基本内容、现代算法的几个主要发展分支，为今后实际应用或者搞理论研究打下一些必备的理论基础。
三、课程基本要求学生必备的先行课是：高等数学、离散数学、程序设计、数据结构。
本课程不能求快，应循序渐进，培养学生浓厚的学习热情和求知欲。
教学中注重和前期课程数据结构的衔接，使学生明白这门课不同于数据结构的是：数据结构是讨论三种基本数据结构上的基本操作的实现，它是完成“如何做”，算法设计与分析这门课强调的是：怎么巧做，做的更好。
在本课程的后期教学中，特别提倡学生广泛阅读参考书、独立思考、结合实际问题展开讨论的教学方式，并以此达到教师精讲、学生宽学的目的。
课程的基本要求是：1．掌握7种常用的算法设计方法，并能综合、灵活的使用这些基本方法，同时用所学到的知识解决一些实际问题；2．掌握算法分析的基本工具、基本技巧、基本方法；3．掌握数据结构中未能详细、深入了解的部分内容（内存分类，图的高级部分、流上的算法）；4．了解计算复杂性理论中的基本内容，包括：机器模型，NP完全、NP难题，近似计算；5．了解现代的计算算法和算法理论的发展趋势走向。
算法设计与分析课程教学大纲【适用专业】计算机科学与技术【课时】理论课时：32【学分】 2【课程性质、目标和要求】《算法设计与分析》是计算机科学与技术专业的专业课。
无论是计算科学还是计算实践，算法都在其中扮演着重要角色。
本课程的教学目的是讲授在计算机应用中常常遇到的实际问题的解法，讲授设计和分析各种算法的基本原理、方法和技术，培养学生对算法复杂性进行正确分析的能力。
课程基本要求是⑴掌握算法分析的基本概念和理论。
⑵掌握算法设计技术和分析算法以及算法复杂性。
【教学时间安排】本课程计 2 学分，理论课时32, 学时分配如下：【教学内容要点】第一章算法引论一、学习目的要求1．了解算法的计算复杂性分析方法2．理解算法分析的基本理论3．掌握算法分析的基本概念二、主要教学内容1. 算法的基本概念2. 表达算法的抽象机制3. 采用Java语言与自然语言相结合的方式描述算法的方法4. 算法的计算复杂性分析方法第二章递归与分治策略一、学习目的要求1．理解典型范例中递归与分治策略应用技巧2．掌握递归与分治策略3．掌握数学归纳法证明算法正确性方法二、主要教学内容1. 递归的概念2. 分治法的基本思想3. 二分搜索技术4. 大整数的乘法5. Strassen阵乘法6. 棋盘覆盖7. 合并排序8. 快速排序9. 线性时间选择10. 最接近点对问题11. 循环赛日程表第三章动态规划一、学习目的要求1．理解典型范例中动态规划算法的设计思想2．掌握动态规划算法的基本要求以及算法的设计要点二、主要教学内容1. 矩阵连乘问题2. 动态规划算法的基本要素3. 最长公共子序列4. 最大子段和5. 凸多边形最优三角剖分6. 多边形游戏7. 图像压缩8. 电路布线9. 流水作业调度10. 0—l背包问题11. 最优二叉搜索树12. 动态规划加速原理三、课堂讨论选题1. 最长公共子序列2. 0—l背包问题第四章贪心算法一、学习目的要求1．了解贪心算法的理论基础及基本要素2. 理解典型范例中贪心算法的设计思想3. 掌握贪心算法的设计要点二、主要教学内容1. 活动安排问题2. 贪心算法的基本要素3. 最优装载4. 哈夫曼编码5. 单源最短路径6. 最小生成树7. 多机调度问题8. 贪心算法的理论基础三、课堂讨论选题1. 最优装载2. 单源最短路径第五章回溯法一、学习目的要求1．理解回溯法的效率分析方法2．掌握回溯法的算法框架和应用技巧二、主要教学内容1. 回溯法的算法框架2. 装载问题3. 批处理作业调度4. 符号三角形问题5. n后问题6. 0—l背包问题7. 最大团问题8. 图的m着色问题9. 旅行售货员问题10. 圆排列问题11. 电路板排列问题12. 连续邮资问题13. 回溯法的效率分三、课堂讨论选题1. 0—l背包问题2. 图的m着色问题第六章分支限界法一、学习目的要求1．理解分支限界法的基本思想2．掌握典型范例中分支限界法的应用技巧二、主要教学内容1. 分支限界法的基本思想2. 单源最短路径问题3. 装载问题4. 布线问题5. 0-1背包问题6. 最大团问题7. 旅行售货员问题8. 电路板排列问题9. 批处理作业调度三、课堂讨论选题1. 0-1背包问题2. 批处理作业调度第七章概率算法一、学习目的要求1．理解概率算法的基本思想2．掌握典型范例中概率算法的应用技巧二、主要教学内容1. 随机数2. 数值概率算法3. 舍伍德算法4. 拉斯维加斯算法5. 蒙特卡罗算法第八章 NP完全性理论一、学习目的要求1．了解P类与NP类问题2．了解典型的NP完全问题二、主要教学内容1. 计算模型2. P类与NP类问题3. NP完全问题4. 一些典型的NP完全问题第九章近似算法一、学习目的要求1．掌握近似算法的基本思想2．掌握常用近似算法的应用二、主要教学内容1. 近似算法的性能2. 顶点覆盖问题的近似算法3. 旅行售货员问题近似算法4. 集合覆盖问题的近似算法5. 子集和问题的近似算法第十章算法优化策略一、学习目的要求1．掌握算法优化策略2．掌握算法优化的基本方法二、主要教学内容1. 算法优化策略的比较与选择2. 动态规划加速原理3. 问题的算法特征4. 优化数据结构5. 优化搜索策略【教学（实验）内容要点】算法设计与分析实验是算法设计与分析课的一个实践性教学环节。
计算机算法的设计与分析计算机算法是计算机科学中非常重要的概念，它是解决问题和完成任务的步骤和规则。
在计算机科学领域，算法的设计与分析被广泛应用于各种领域，如数据结构、人工智能、图像处理等。
本文将重点探讨计算机算法的设计与分析，并介绍一些常见的算法。
一、算法的定义和特点算法是指解决问题的有限步骤序列，其中每个步骤具有明确的目标和执行顺序。
算法的设计与分析是通过选择和组合适当的数据结构和算法，以解决实际问题和优化计算性能。
合理设计的算法应具备以下特点：1. 正确性：算法能够解决问题，并给出正确的结果。
2. 可读性：算法的结构和步骤清晰易懂，容易被其他人理解和阅读。
3. 高效性：算法的执行时间和所需资源尽可能少，以提高计算效率。
4. 通用性：算法能够适用于不同规模和类型的问题，并具有良好的扩展性。
二、算法的设计方法在设计算法时，可以采用不同的方法和策略。
下面介绍几种常见的算法设计方法：1. 分治法：将大问题划分成若干个相同或类似的小问题，逐个解决小问题，最后将结果合并。
2. 动态规划：将复杂问题划分成一系列相互联系的子问题，通过解决子问题来求解原问题。
3. 贪心算法：每次选择当前看起来最优的策略来解决问题，不考虑后续可能产生的影响。
4. 回溯法：采用试错的思想，尝试所有可能的答案，当发现不满足条件时，进行回溯重新尝试。
5. 随机算法：通过随机选择的方式求解问题，时间复杂度通常较高。
三、算法的复杂性分析算法的复杂性分析是评估算法的执行时间和所需资源的一种方法。
一般来说，常用的复杂性分析有时间复杂性和空间复杂性。
1. 时间复杂性：衡量算法执行所需的时间。
常见的时间复杂性表示方法有大O记法，表示算法执行时间的上限。
2. 空间复杂性：衡量算法执行所需的额外内存空间。
常见的空间复杂性表示方法也是大O记法，表示算法所需额外内存空间的上限。
通过复杂性分析，可以选择适当的算法来解决特定问题，并评估算法的性能。
四、常见的算法以下是几种常见的计算机算法：1. 排序算法：包括冒泡排序、选择排序、插入排序、快速排序等，用于按照一定规则对数据进行排序。
计算机科学中的算法复杂性分析在当今数字化的时代，计算机科学的影响力日益显著，而算法作为计算机科学的核心之一，其复杂性分析更是至关重要。
当我们使用各种软件、应用程序或者进行大规模的数据处理时，背后都离不开算法的支持。
而了解算法的复杂性，能够帮助我们更好地评估其效率，从而做出更明智的选择。
那么，什么是算法的复杂性呢？简单来说，算法的复杂性就是衡量一个算法在执行过程中所需要的资源量，这些资源通常包括时间和空间。
时间复杂性关注的是算法运行所需的时间，而空间复杂性则关注的是算法在运行过程中所占用的内存空间。
为了更直观地理解算法的复杂性，让我们来看一个简单的例子：冒泡排序算法。
冒泡排序的基本思想是通过反复比较相邻的元素并交换它们的位置，将最大的元素逐步“浮”到数组的末尾。
对于一个包含 n个元素的数组，冒泡排序在最坏情况下的时间复杂度为 O(n^2)。
这意味着，如果数组的元素数量增加一倍，算法运行的时间将增加大约四倍。
与冒泡排序相比，快速排序算法通常在平均情况下具有更好的性能。
快速排序通过选择一个基准元素，将数组分为小于和大于基准元素的两部分，然后对这两部分分别进行排序。
在平均情况下，快速排序的时间复杂度为 O(n log n)。
这种对数级的增长速度使得快速排序在处理大规模数据时更加高效。
算法复杂性的分析不仅仅局限于排序算法，在图论、搜索算法、动态规划等众多领域都有着广泛的应用。
例如，在图的遍历中，深度优先搜索和广度优先搜索有着不同的时间和空间复杂性。
深度优先搜索通常具有较低的空间复杂度，但在某些情况下可能会导致较长的运行时间；而广度优先搜索则在处理某些问题时能够更快地找到解，但可能需要更多的空间来存储队列。
影响算法复杂性的因素有很多。
首先是问题的规模，通常来说，问题的规模越大，算法所需的时间和空间就越多。
其次是算法的设计和实现方式，一个巧妙的算法设计能够显著降低复杂性。
此外，硬件环境和编程语言的选择也可能对算法的实际性能产生影响。
分治法1、二分搜索算法是利用（分治策略）实现的算法。
9. 实现循环赛日程表利用的算法是（分治策略）27、Strassen矩阵乘法是利用（分治策略）实现的算法。
34．实现合并排序利用的算法是（分治策略）。
实现大整数的乘法是利用的算法（分治策略）。
17．实现棋盘覆盖算法利用的算法是（分治法）。
29、使用分治法求解不需要满足的条件是（子问题必须是一样的）。
不可以使用分治法求解的是（0/1背包问题）。
动态规划下列不是动态规划算法基本步骤的是（构造最优解）下列是动态规划算法基本要素的是（子问题重叠性质）。
下列算法中通常以自底向上的方式求解最优解的是（动态规划法）备忘录方法是那种算法的变形。
（动态规划法）最长公共子序列算法利用的算法是（动态规划法）。
矩阵连乘问题的算法可由（动态规划算法B）设计实现。
实现最大子段和利用的算法是（动态规划法）。
贪心算法能解决的问题：单源最短路径问题，最小花费生成树问题，背包问题，活动安排问题，不能解决的问题：N皇后问题，0/1背包问题是贪心算法的基本要素的是（贪心选择性质和最优子结构性质）。
回溯法回溯法解旅行售货员问题时的解空间树是（排列树）。
剪枝函数是回溯法中为避免无效搜索采取的策略回溯法的效率不依赖于下列哪些因素（确定解空间的时间）分支限界法最大效益优先是（分支界限法）的一搜索方式。
分支限界法解最大团问题时，活结点表的组织形式是（最大堆）。
分支限界法解旅行售货员问题时，活结点表的组织形式是（最小堆）优先队列式分支限界法选取扩展结点的原则是（结点的优先级）在对问题的解空间树进行搜索的方法中,一个活结点最多有一次机会成为活结点的是( 分支限界法).从活结点表中选择下一个扩展结点的不同方式将导致不同的分支限界法,以下除( 栈式分支限界法)之外都是最常见的方式.（1）队列式(FIFO)分支限界法：按照队列先进先出（FIFO）原则选取下一个节点为扩展节点。
（2）优先队列式分支限界法：按照优先队列中规定的优先级选取优先级最高的节点成为当前扩展节点。
数学中的随机算法设计与分析随机算法是指在算法的执行过程中引入随机性的一种计算方法。
随机算法在计算机科学和数学领域中广泛应用，它能够解决许多与随机性相关的问题，如概率、统计、优化等。
本文将介绍数学中的随机算法设计与分析，并探讨其应用领域和挑战。
一、随机算法的定义和基本思想随机算法是一种通过引入随机性来解决问题的计算方法。
它与确定性算法不同，其执行结果在相同的输入情况下可能会有不同的输出。
随机算法的基本思想是利用随机数生成器生成一系列的随机数，并根据这些随机数进行计算和决策。
随机算法通常包括以下几个步骤：1. 随机数生成：通过随机数生成器生成随机数序列。
2. 初始化：对算法进行初始化，使其获得一个合理的起始状态。
3. 迭代计算：根据生成的随机数和当前状态进行计算，得到新的状态。
4. 终止条件判断：判断是否满足终止条件，如果满足则停止计算，否则返回步骤3。
二、蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法是一种以随机采样的方式来解决问题的数值计算方法。
其基本思想是通过随机采样产生问题的一个随机样本，并利用这个样本的统计特征来估计问题的解。
蒙特卡罗方法的应用领域非常广泛，如计算机图形学中的光线跟踪算法、金融工程中的期权定价、物理学中的数值模拟等等。
该方法的优势在于能够处理复杂的数学模型和实际问题，但也存在着计算复杂度高、采样误差等问题。
三、马尔可夫链马尔可夫链是一种随机过程，具有马尔可夫性质。
它的基本思想是当前状态只与前一时刻的状态相关，与之前所有的状态无关。
在随机算法中，马尔可夫链常用于模拟和优化问题。
通过构建一个马尔可夫链模型，可以利用其平稳分布进行采样和估计。
马尔可夫链蒙特卡罗方法以及马尔可夫链蒙特卡罗近似算法是利用马尔可夫链进行随机采样和近似计算的重要技术。
四、遗传算法遗传算法是一种基于生物进化原理的优化算法。
其基本思想是通过模拟生物进化过程中的选择、交叉和变异等操作来搜索最优解。
遗传算法在解决复杂优化问题方面具有很大的优势。
计算机算法与复杂性理论计算机算法与复杂性理论是计算机科学领域中至关重要的一门学科。
本文将介绍计算机算法与复杂性理论的基本概念、原理以及在计算机科学中的应用。
一、算法的定义与分类算法是指解决问题的一系列有限指令的集合。
它根据输入数据，经过有限的计算步骤，得到期望的输出结果。
算法可以分为确定性算法和非确定性算法。
确定性算法是指在给定输入后，每一步都有确定性的处理过程，最后得到确定的输出结果。
而非确定性算法则存在多种可能的计算路径和输出结果。
二、复杂性理论与问题的可计算性复杂性理论是研究算法运行时间与所处理问题规模之间关系的学科。
它主要关注的是问题的难解性及其可计算性。
根据问题的可计算性，可以将问题分为可解问题和不可解问题。
可解问题指能找到一个算法来解决，而不可解问题则是指不存在算法能够解决。
三、时间复杂性和空间复杂性时间复杂性是指算法在解决问题时所需的时间代价。
空间复杂性则是指算法在解决问题时所需的额外存储空间。
这两个复杂性指标直接影响着算法的效率和资源利用情况。
在算法设计中需要综合考虑时间复杂性和空间复杂性，寻找一个合适的平衡点。
四、常见的算法与复杂性理论问题在实际应用中，有一些常见的算法与复杂性理论问题需要重点研究和解决。
比如最短路径问题、图着色问题、背包问题等。
这些问题涉及到的算法设计和复杂性分析都具有一定的挑战性，但它们的解决对于解决实际问题非常重要。
五、应用领域计算机算法与复杂性理论在各个领域都有广泛的应用。
在人工智能领域中，算法的设计与分析是实现智能决策和优化的基础。
在网络安全领域中，复杂性理论可以帮助研究者理解和分析密码学算法的安全性。
在金融领域中，高效的算法可以提高交易速度和准确性。
此外，在计算机图形学、数据挖掘等领域中也都有广泛的应用。
六、发展趋势与挑战随着计算机科学的不断发展，计算机算法与复杂性理论也面临着一些新的挑战。
例如，随着大数据时代的到来，处理大规模数据的算法效率需要进一步提升。
第一章算法概述1、算法的五个性质：有穷性、确定性、能行性、输入、输出。
2、算法的复杂性取决于：(1)求解问题的规模(N) , (2)具体的输入数据(I),( 3)算法本身的设计(A)，C=F(N,I,A。
3、算法的时间复杂度的上界，下界，同阶，低阶的表示。
4、常用算法的设计技术：分治法、动态规划法、贪心法、回溯法和分支界限法。
5、常用的几种数据结构：线性表、树、图。
第二章递归与分治1、递归算法的思想：将对较大规模的对象的操作归结为对较小规模的对象实施同样的操作。
递归的时间复杂性可归结为递归方程：1 11= 1T(n) <aT(n—b) + D(n) n> 1其中，a是子问题的个数，b是递减的步长，~表示递减方式，D(n)是合成子问题的开销。
递归元的递减方式~有两种：1、减法，即n -b，的形式。
2、除法，即n / b，的形式。
2、D(n)为常数c：这时，T(n) = 0(n P)。
D(n)为线形函数cn：r O(n) 当a. < b(NT(n) = < Ofnlog^n) "n = blljI O(I1P)二"A bl吋其中.p = log b a oD(n)为幕函数n x：r O(n x) 当a< D(b)II JT{ii) = O(ni1og b n) 'ia = D(b)ll].O(nr)D(b)lHJI：中，p= log b ao考虑下列递归方程：T(1) = 1⑴ T( n) = 4T(n/2) +n⑵ T(n) = 4T(n/2)+n2⑶ T(n) = 4T(n/2)+n3解：方程中均为a = 4，b = 2，其齐次解为n2。
对⑴，T a > b (D(n) = n) /• T(n) = 0(n);对⑵，•/ a = b2 (D(n) = n2) T(n) = O(n2iog n);对⑶，•/ a < b3(D(n) = n3) - T(n) = 0(n3)；证明一个算法的正确性需要证明两点：1、算法的部分正确性。
