feat: Revised the book (#978)

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Yudong Jin
2023-12-02 06:21:34 +08:00
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commit e720aa2d24
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@ -8,15 +8,15 @@
### for 循环
`for` 循环是最常见的迭代形式之一,**适合预先知道迭代次数时使用**。
`for` 循环是最常见的迭代形式之一,**适合预先知道迭代次数时使用**。
以下函数基于 `for` 循环实现了求和 $1 + 2 + \dots + n$ ,求和结果使用变量 `res` 记录。需要注意的是Python 中 `range(a, b)` 对应的区间是“左闭右开”的,对应的遍历范围为 $a, a + 1, \dots, b-1$
以下函数基于 `for` 循环实现了求和 $1 + 2 + \dots + n$ ,求和结果使用变量 `res` 记录。需要注意的是Python 中 `range(a, b)` 对应的区间是“左闭右开”的,对应的遍历范围为 $a, a + 1, \dots, b-1$
```src
[file]{iteration}-[class]{}-[func]{for_loop}
```
下图展示了该求和函数的流程框图。
下图该求和函数的流程框图。
![求和函数的流程框图](iteration_and_recursion.assets/iteration.png)
@ -24,17 +24,17 @@
### while 循环
`for` 循环类似,`while` 循环也是一种实现迭代的方法。在 `while` 循环中,程序每轮都会先检查条件,如果条件为真则继续执行,否则就结束循环。
`for` 循环类似,`while` 循环也是一种实现迭代的方法。在 `while` 循环中,程序每轮都会先检查条件,如果条件为真则继续执行,否则就结束循环。
下面我们用 `while` 循环来实现求和 $1 + 2 + \dots + n$
下面我们用 `while` 循环来实现求和 $1 + 2 + \dots + n$
```src
[file]{iteration}-[class]{}-[func]{while_loop}
```
**`while` 循环比 `for` 循环的自由度更高**。在 `while` 循环中,我们可以自由设计条件变量的初始化和更新步骤。
**`while` 循环比 `for` 循环的自由度更高**。在 `while` 循环中,我们可以自由设计条件变量的初始化和更新步骤。
例如在以下代码中,条件变量 $i$ 每轮进行两次更新,这种情况就不太方便用 `for` 循环实现
例如在以下代码中,条件变量 $i$ 每轮进行两次更新,这种情况就不太方便用 `for` 循环实现
```src
[file]{iteration}-[class]{}-[func]{while_loop_ii}
@ -44,19 +44,19 @@
### 嵌套循环
我们可以在一个循环结构内嵌套另一个循环结构,以 `for` 循环为例:
我们可以在一个循环结构内嵌套另一个循环结构,下面`for` 循环为例:
```src
[file]{iteration}-[class]{}-[func]{nested_for_loop}
```
下图给出了该嵌套循环的流程框图。
下图该嵌套循环的流程框图。
![嵌套循环的流程框图](iteration_and_recursion.assets/nested_iteration.png)
在这种情况下,函数的操作数量与 $n^2$ 成正比,或者说算法运行时间和输入数据大小 $n$ 成“平方关系”。
我们可以继续添加嵌套循环,每一次嵌套都是一次“升维”,将会使时间复杂度提高至“立方关系”“四次方关系”以此类推。
我们可以继续添加嵌套循环,每一次嵌套都是一次“升维”,将会使时间复杂度提高至“立方关系”“四次方关系”以此类推。
## 递归
@ -86,7 +86,7 @@
- **迭代**:“自下而上”地解决问题。从最基础的步骤开始,然后不断重复或累加这些步骤,直到任务完成。
- **递归**:“自上而下”地解决问题。将原问题分解为更小的子问题,这些子问题和原问题具有相同的形式。接下来将子问题继续分解为更小的子问题,直到基本情况时停止(基本情况的解是已知的)。
以上述求和函数为例,设问题 $f(n) = 1 + 2 + \dots + n$ 。
以上述求和函数为例,设问题 $f(n) = 1 + 2 + \dots + n$ 。
- **迭代**:在循环中模拟求和过程,从 $1$ 遍历到 $n$ ,每轮执行求和操作,即可求得 $f(n)$ 。
- **递归**:将问题分解为子问题 $f(n) = n + f(n-1)$ ,不断(递归地)分解下去,直至基本情况 $f(1) = 1$ 时终止。
@ -102,22 +102,22 @@
![递归调用深度](iteration_and_recursion.assets/recursion_sum_depth.png)
在实际中,编程语言允许的递归深度通常是有限的,过深的递归可能导致栈溢出错。
在实际中,编程语言允许的递归深度通常是有限的,过深的递归可能导致栈溢出错
### 尾递归
有趣的是,**如果函数在返回前的最后一步才进行递归调用**,则该函数可以被编译器或解释器优化,使其在空间效率上与迭代相当。这种情况被称为「尾递归 tail recursion」。
- **普通递归**:当函数返回到上一层级的函数后,需要继续执行代码,因此系统需要保存上一层调用的上下文。
- **尾递归**:递归调用是函数返回前的最后一个操作,这意味着函数返回到上一层级后,无继续执行其他操作,因此系统无保存上一层函数的上下文。
- **尾递归**:递归调用是函数返回前的最后一个操作,这意味着函数返回到上一层级后,无继续执行其他操作,因此系统无保存上一层函数的上下文。
以计算 $1 + 2 + \dots + n$ 为例,我们可以将结果变量 `res` 设为函数参数,从而实现尾递归
以计算 $1 + 2 + \dots + n$ 为例,我们可以将结果变量 `res` 设为函数参数,从而实现尾递归
```src
[file]{recursion}-[class]{}-[func]{tail_recur}
```
尾递归的执行过程如下图所示。对比普通递归和尾递归,求和操作的执行点是不同的。
尾递归的执行过程如下图所示。对比普通递归和尾递归,两者的求和操作的执行点是不同的。
- **普通递归**:求和操作是在“归”的过程中执行的,每层返回后都要再执行一次求和操作。
- **尾递归**:求和操作是在“递”的过程中执行的,“归”的过程只需层层返回。
@ -126,7 +126,7 @@
!!! tip
请注意许多编译器或解释器并不支持尾递归优化。例如Python 默认不支持尾递归优化,因此即使函数是尾递归形式,仍然可能会遇到栈溢出问题。
请注意许多编译器或解释器并不支持尾递归优化。例如Python 默认不支持尾递归优化,因此即使函数是尾递归形式,仍然可能会遇到栈溢出问题。
### 递归树
@ -141,19 +141,19 @@
- 数列的前两个数字为 $f(1) = 0$ 和 $f(2) = 1$ 。
- 数列中的每个数字是前两个数字的和,即 $f(n) = f(n - 1) + f(n - 2)$ 。
按照递推关系进行递归调用,将前两个数字作为终止条件,便可写出递归代码。调用 `fib(n)` 即可得到斐波那契数列的第 $n$ 个数字
按照递推关系进行递归调用,将前两个数字作为终止条件,便可写出递归代码。调用 `fib(n)` 即可得到斐波那契数列的第 $n$ 个数字
```src
[file]{recursion}-[class]{}-[func]{fib}
```
观察以上代码,我们在函数内递归调用了两个函数,**这意味着从一个调用产生了两个调用分支**。如下图所示,这样不断递归调用下去,最终将产生一层数为 $n$ 的「递归树 recursion tree」。
观察以上代码,我们在函数内递归调用了两个函数,**这意味着从一个调用产生了两个调用分支**。如下图所示,这样不断递归调用下去,最终将产生一层数为 $n$ 的「递归树 recursion tree」。
![斐波那契数列的递归树](iteration_and_recursion.assets/recursion_tree.png)
本质上看,递归体现“将问题分解为更小子问题”的思维范式,这种分治策略至关重要
本质上看,递归体现“将问题分解为更小子问题”的思维范式,这种分治策略至关重要。
- 从算法角度看,搜索、排序、回溯、分治、动态规划等许多重要算法策略直接或间接地应用这种思维方式。
- 从算法角度看,搜索、排序、回溯、分治、动态规划等许多重要算法策略直接或间接地应用这种思维方式。
- 从数据结构角度看,递归天然适合处理链表、树和图的相关问题,因为它们非常适合用分治思想进行分析。
## 两者对比