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!

Rozdziały:

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-Moore'a 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 Lagrange'a 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