授课内容【按照层次分】 设计理论 算法分析与设计 分析方法 实现技术 测试技术 应用范围 请华大学 宋斌恒 Contents【按照内容分】 教学目的 ■ Divide and conquer【分治】 理论分析能力培养:掌握算法分析与设计的基 ■ Dynamic Programming【动态规划】 本理论和方法,具有设计新算法和分析复杂性 ■ Greedy method【贪婪算法】 的能力 ■ Amortized Analysis【均摊分析法】 ■实践能力的培养:学会如何实现设计好的算 ■ Algorithms in Graphics【图论中算法】 法,如何测试其正确性和效率,应用与实际问 ■ NP-Completeness【NP完全问题,算法理 题 团队能力培养:和各种人员合作工作能力 ■ Selected Topics【专题讲座】 ■交流能力的培养:表达和接受能力 ■ Comprehensive Training【综合训练】 ■独立研究能力培养:具有独立开展研究的能力 上课的必要条件 基本要求 ■数据结构(没修过的请修过后再选) 上课不应迟到,迟到一次扣1分,自己申报,如果迟到 ■掌握一门对面向对象编程语言(C+十或 没有申报被发现扣10分 不得抄袭、剽窃。参考文献、著作、教材和包括其它 Java 同学的作业在内的所有资 ■文献、著作、教材类公开出版的参考资料,按照文献索 网络资料,除指出网络路徑URL,还应当提供资料电子 参考同学作业应当指出作业编号和提供原作业拷贝。多 人讨论的成果,应当在作业中反映 ■引用他人成果而没有指出出处的以抄袭论处。如有 次发现,总成绩减去该阶段分值 现,成绩记0分,并以考试作弊向上汇报
1 算法分析与设计 清华大学 宋斌恒 清华大学 宋斌恒 2 授课内容【按照层次分】 n 设计理论 n 分析方法 n 实现技术 n 测试技术 n 应用范围 清华大学 宋斌恒 3 Contents【按照内容分】 n Divide and conquer【分治】 n Dynamic Programming【动态规划】 n Greedy method【贪婪算法】 n Amortized Analysis【均摊分析法】 n Algorithms in Graphics【图论中算法】 n NP-Completeness【NP完全问题，算法理 论】 n Selected Topics【专题讲座】 n Comprehensive Training【综合训练】 清华大学 宋斌恒 4 教学目的 n 理论分析能力培养：掌握算法分析与设计的基 本理论和方法，具有设计新算法和分析复杂性 的能力 n 实践能力的培养：学会如何实现设计好的算 法，如何测试其正确性和效率，应用与实际问 题 n 团队能力培养：和各种人员合作工作能力 n 交流能力的培养：表达和接受能力 n 独立研究能力培养：具有独立开展研究的能力 清华大学 宋斌恒 5 上课的必要条件 n 数据结构（没修过的请修过后再选） n 掌握一门对面向对象编程语言（C＋＋或 Java） 清华大学 宋斌恒 6 基本要求 n 上课不应迟到，迟到一次扣1分，自己申报，如果迟到 没有申报被发现扣10分。 n 不得抄袭、剽窃。参考文献、著作、教材和包括其它 同学的作业在内的所有资料，必须指明出处。其中 n 文献、著作、教材类公开出版的参考资料，按照文献索 引方式引用。有可能的话最好提供电子拷贝。 n 网络资料，除指出网络路径URL，还应当提供资料电子 拷贝。 n 参考同学作业应当指出作业编号和提供原作业拷贝。多 人讨论的成果，应当在作业中反映。 n 引用他人成果而没有指出出处的以抄袭论处。如有抄 袭，第一次发现，总成绩减去该阶段分值，第二次发 现，成绩记0分，并以考试作弊向上汇报
鼓励 教学网站 ■创新 ■清华大学网络学堂 ■提出问题 ■讨论 ■根据平时情况,可以得到加分 主要参考书 综合训练报告框架和要求 m Introduction to algorithms, Thomas H. Cormen, etc. second edition. the mit Press 这问药签漆(密是委要的扫细 m The Art of Computer Programming, Donald E. 该向念 Knuth. Volume 1-3. Second m Data Structures, Algorithms 4法考与需(影是用hc in C++(Part 3)Sartaj Sahni ■算法设计与分析,王晓东,清华大学出版社 6"提出 综合训练问题集 综合练习问题集【续】 ■大整数运算【大整数 法、减法、乘法、除 字符串【模式】匹配 法、密指数,及其模运算下的上述运算】 字符串相似度理论【字符串距离编辑等】 ■密码支撑运算1【随机数生成】 ■密码支撑运算2【素数生成算法】 索引与查找 ■密码支撑运算3【标准和经典文献算法5个左右Hash运 图文排版优化 网络任务调度 ■对称加密算法【标准和经典文献算法5个左右对称加密 算法】 ■非对称加密算法【标准和经典文献算法5个左右非对称 加密算法】
2 清华大学 宋斌恒 7 鼓励 n 创新 n 提出问题 n 讨论 n 根据平时情况，可以得到加分。 清华大学 宋斌恒 8 教学网站 n 清华大学网络学堂 清华大学 宋斌恒 9 主要参考书 n Introduction to algorithms, Thomas H. Cormen, etc., second edition, The MIT Press. n The Art of Computer Programming, Donald E. Knuth. Volume 1-3, Second Edition. n Data Structures, Algorithms, and Applications in C++(Part 3) Sartaj Sahni, China Machine Press n 算法设计与分析，王晓东，清华大学出版社 清华大学 宋斌恒 10 综合训练报告框架和要求 1. 问题表述 2. 该问题的研究历史综述【该问题与参考资料的关系】 1. 该问题的最新算法【如果有比上述典型算法效率更好的算法】介绍 3. 该问题的典型算法介绍： 1. 该算法主要思想 2. 算法描述 3. 算法正确性说明或者证明 4. 算法复杂度理论分析 5. *涉及到的理论方法总结和推广 4. 算法的实现与测试【分别用Java和C＋＋】： 1. 算法接口设计 2. 算法使用说明 3. 典型算法的实现，包括异常处理和性能估计 4. 典型算法实现的测试分析报告： 1. 结果是否正确？ 2. 不同规模输入情况下的效率分析 ，是否与理论分析一致 ，如果不一致， 为什么 ？ 5. 该问题的应用介绍： 1. 应用背景，使用条件等等 2. *部分典型算法的演示软件。 6. *提出该问题自己的算法 7. 参考资料 清华大学 宋斌恒 11 综合训练问题集 n 大整数运算【大整数表示、加法、减法、乘法、除 法、密指数，及其模运算下的上述运算】 n 密码支撑运算1【随机数生成】 n 密码支撑运算2【素数生成算法】 n 密码支撑运算3【标准和经典文献算法5个左右Hash运 算】 n 对称加密算法【标准和经典文献算法5个左右对称加密 算法】 n 非对称加密算法【标准和经典文献算法5个左右非对称 加密算法】 清华大学 宋斌恒 12 综合练习问题集【续】 n 字符串【模式】匹配 n 字符串相似度理论【字符串距离编辑等】 n 索引与查找 n 图文排版优化 n 网络任务调度
综合练习问题集【续2】 课程安排介绍 ■图的所有点最短距离问题 ■前面以介绍设计方法为主 应用:纹理合成中的缝合法。 ■后面以解决问题为主 ■贪婪算法理论: Matroid、 Greedoid、 GreedSet ■旅行商问题【精确解、近似解】 ■背包问题【同上】 算法简介 本课程要回答算法的几个基本问题 ■什么是算法 一个定义好的用来计算,或者 会停下来吗? 駕过奚家最黑架过寯鳇锽焱踅聳榮蕈♂ 进制的加法来说明问题 它的结果正确吗? 1001101110 它运算快吗? +111011010001 它使用了多少内存? ■=1001110101110 进一步我们需要回答: ■i=0;计++;i< Length(第二个数) 它能够应用到那些领域? ■如果第二个数=1plus(第一个数,D) 利用不同语言实现需要那些技巧? ■plus(数,i): ∥在数的第位加1 ■如果数[]==1数=0plus(数,计+1) 算术 进制问题 ■历史上,算术运算是一件非常有意思的工作, ■中国一直使用十进制来表示数字,而通过算盘 见在看起来人人都会用的算术,其广泛应用也 这种2-5-10进制可以进行快速算术计算,宋 只是最近的事。算术的关键是表示,如十进 朝开始普及。 制、罗马进制。利用罗马进制进行算术运算并 不是一件轻松的事
3 清华大学 宋斌恒 13 综合练习问题集【续2】 n 图的所有点最短距离问题 n 应用：纹理合成中的缝合法。 n 图的单源最短路径 n 贪婪算法理论：Matroid、Greedoid、GreedSet n 旅行商问题【精确解、近似解】 n 背包问题【同上】 n 自选 清华大学 宋斌恒 14 课程安排介绍 n 前面以介绍设计方法为主 n 后面以解决问题为主 清华大学 宋斌恒 15 算法简介 n 什么是算法：算法是一个定义好的用来计算，或者更 加一般地说，是用于把一定的输入转换成需要的输出 的过程。大家最熟悉不过的算法就是算术中的加法和 乘法。下面我们通过一个二进制的加法来说明问题： n 10011011101 n ＋ 111011010001 n ＝1001110101110 n 算法：一个循环： n i=0; i++; i<length(第二个数): n 如果第二个数[i]==1 plus(第一个数, i) n plus(数，i)： //在数的第i位加1 n 如果 数[i]==1 数[i]=0; plus（数，i＋1）； 清华大学 宋斌恒 16 本课程要回答算法的几个基本问题 n 它会停下来吗？ n 它的结果正确吗？ n 它运算快吗？ n 它使用了多少内存？ n 进一步我们需要回答： n 它能够应用到那些领域？ n 利用不同语言实现需要那些技巧? 清华大学 宋斌恒 17 算术 n 历史上，算术运算是一件非常有意思的工作， 现在看起来人人都会用的算术，其广泛应用也 只是最近的事。算术的关键是表示，如十进 制、罗马进制。利用罗马进制进行算术运算并 不是一件轻松的事。 清华大学 宋斌恒 18 进制问题 n 中国一直使用十进制来表示数字，而通过算盘 这种2－5－10进制可以进行快速算术计算，宋 朝开始普及
半坡时代 商朝 ■中国最早使用十进制,可以追溯到半坡时代 ■到了商朝(约公元前1400年),出现了甲骨 (约公元前4000年,陕西地区) ■根据出土的陶器上面记录的数字符号,半坡人 京:自甲学片街专计将粤进弃通进这出得考 至少掌握了三十以内的自然数,并且使用十进 基本数字的组合可以记录高达几万的整数(1) 制计数(1) ■说明这时的人已经有了“位”的概念。周朝《周 ■不过这时候的计数称之为十进制有一些勉强。 易》书中,就有“万有一千五百二十”的记载 因为它还没有“零”和“空位”的概念 ■半坡人只会记录“10°,“"20",“30”这些整十倍的 数,而对于其他十以上的数就没有办法了。 春秋战国时期 汉代 ■到春秋战国时期出现了“算筹”这种计算工具。算筹分横 ■汉代蔡伦(约公元100年)发明造纸术,大大 式和纵式两种摆法。在计数时个位放纵式,十位放横 推动了数学的发展。不久之后为了避免混淆采 就表示中间存在一个空位1)。空位”概念的出现,应 用方框来表示空位,后来又演变为圆圈(1)。可 该是现代计数方法的一个里程碑。根据《孙子算经》 以说,完备的十进制计数法最终形成了 中记载:“凡算之法,先识其位,一从十横,百立 僵,千十相望,万百相当”。可以说,这时候的计数虽 然还没有表示“零”的符号,但已经意识到了“零”这个概 念。除了不能准确表达多个连续的空位等问题以外 与阿拉伯十进制计数已己经没什么区别了。这个时期的 田齐量制,也采用了 石"的十进位制(4),可见 十进制在这个时期开始已经开始被广泛应用了 全球 参考文献 ■作为四大文明古国之一,中国在十进制计数方 ■(1)潘天骥,十进位值制的记数法首创于中国,九江 面走在了最前面。古巴比伦人(公元前2400~ 师专学报,1995年05期 前1600年)使用的是六十进制:古埃及(公元 (2)王永建,进位制的由来,江苏教育,1997年01期 前1850~前1650年)的数学虽然以十为基 (3) C Marchal,刘义燧,计数法的简史及展望,自然 数,但没有形成“位”的概念:而印度直到公元 825年才有著作描述了“完备的印度数系1),我 ■(4)宁可,有关汉代农业生产的几个数字 们所采用的阿拉伯数字及计数法,便是这之前 sp? (约公元600年)由印度经阿拉伯流传到 NewsID=455&BigclassID=26&SmalIC 世界各地的(3)。 ■(⑤)数学大事年表 ttp: l/ ljamesjoe 51. net/refrence/matheven html
4 清华大学 宋斌恒 19 半坡时代 n 中国最早使用十进制，可以追溯到半坡时代 （约公元前4000年，陕西地区）。 n 根据出土的陶器上面记录的数字符号，半坡人 至少掌握了三十以内的自然数，并且使用十进 制计数⑴。 n 不过这时候的计数称之为十进制有一些勉强。 因为它还没有“零”和“空位”的概念。 n 半坡人只会记录“10”，“20”，“30”这些整十倍的 数，而对于其他十以上的数就没有办法了。 清华大学 宋斌恒 20 商朝 n 到了商朝（约公元前1400年），出现了甲骨 文。甲骨文比半坡计数更进了一步，出现了表 示“百”“千”“万”的专门符号，并通过这些符号与 基本数字的组合可以记录高达几万的整数⑴。 n 说明这时的人已经有了“位”的概念。周朝《周 易》书中，就有“万有一千五百二十”的记载。 清华大学 宋斌恒 21 春秋战国时期 n 到春秋战国时期出现了“算筹”这种计算工具。算筹分横 式和纵式两种摆法。在计数时个位放纵式，十位放横 式，依此类推。若是两个横式或者纵式连在了一起， 就表示中间存在一个“空位”⑴。“空位”概念的出现，应 该是现代计数方法的一个里程碑。根据《孙子算经》 中记载：“凡算之法，先识其位，一从十横，百立千 僵，千十相望，万百相当”。可以说，这时候的计数虽 然还没有表示“零”的符号，但已经意识到了“零”这个概 念。除了不能准确表达多个连续的空位等问题以外， 与阿拉伯十进制计数已经没什么区别了。这个时期的 田齐量制，也采用了“升— 斗— 石”的十进位制⑷，可见 十进制在这个时期开始已经开始被广泛应用了。 清华大学 宋斌恒 22 汉代 n 汉代蔡伦（约公元100年）发明造纸术，大大 推动了数学的发展。不久之后为了避免混淆采 用方框来表示空位，后来又演变为圆圈⑴。可 以说，完备的十进制计数法最终形成了。 清华大学 宋斌恒 23 全球 n 作为四大文明古国之一，中国在十进制计数方 面走在了最前面。古巴比伦人（公元前2400～ 前1600年）使用的是六十进制；古埃及（公元 前1850～前1650年）的数学虽然以十为基 数，但没有形成“位”的概念；而印度直到公元 825年才有著作描述了“完备的印度数系”⑴，我 们所采用的阿拉伯数字及计数法，便是这之前 不久（约公元600年）由印度经阿拉伯流传到 世界各地的⑶。 清华大学 宋斌恒 24 参考文献 n ⑴ 潘天骥，十进位值制的记数法首创于中国，九江 师专学报，1995年05期 n ⑵ 王永建，进位制的由来，江苏教育，1997年01期 n ⑶ C.Marchal.，刘义燧，计数法的简史及展望，自然 杂志，1995年05期 n ⑷ 宁可，有关汉代农业生产的几个数字 n http://www.guoxue.com/economics/ReadNews.asp? NewsID=455&BigClassID=26&SmallClassID=44&Sp ecialID=120 n ⑸ 数学大事年表 http://jamesjoe.51.net/refrence/matheven.html
算盘 陈聪同学2004年秋天的文献综述 ■算盘被誉作中国贡献于世界的“第五大发明”, 陶丸是珠算工具的这种说法,可以在网上搜索到很 谓地道中国特产了 多,姑且找一个比较权威的网站。新华网2003年10月 ■随着对陕西歧山出土文物西周陶丸的研究,中 2日报道“记者日前在岐山县采访时获悉,全县最小的 乡一-一京当乡近年来出土了大批的珍贵文物,其中 国算盘的发明时间已经提前到二千多年前的西 有18件占据了中国考古之最”,“出土的陶丸,是我国 周时期。陕西岐山县西周宫室遗址中出土的90 最早的计算工具算珠"。标明稿件来源:西安晚报。① “中国珠算协会副会长、陕西数学史研究会会长李培业 有学术争论】 对数学史最大的贡献是在珠算史研究方面”,“根据陕西 岐山县西周宫室遗址中出土的90粒青黄两色陶丸 合《数术记遗》中对珠算算具的文字注释,证明了这 是珠算工具,从而把中国古珠算的历史年代推前了 1000余年,证明中国是最早发明珠算的国家② 续 ■可见,新华网的这种说法的根据是李培业先生 的研究结果。而李培业的文章《对西周宫室j 法。1996年12月11日至13日在陕西省岐山县召开的 址出土陶丸之考察》发表于1984年《珠算》04 珠算协会第四届珠算史 员会暨陶丸鉴定 同时期研究者发表类似意见的文章还 算"有关,而不是珠算 西周原岐山文管所刘亮的《试说周原遗址出 世玉的《驳西周陶丸异义》 土的陶丸》(《珠算》1984年04期),户谷清 期)也认为陶丸与珠算无关 (日本)的《从西周宫室遗址出土的陶丸探 芋深算存法关使楚陶充建为种球算的 索算盘的起源》(《珠算》1985年05期,《齐 算珠"⑤:王为桐,王世玉和公维萍更是认为西周陶丸 鲁珠坛》1994年04期)③,以及姜克华的《西 不是珠算用珠,而是弹丸⑥ 周陶丸之研究》(《齐鲁珠坛》1994年02期) ■从以上资料可以看出,学术界对于西周陶丸究竟何用 等等。 并无一个统一的说 参考文献 Some of major successes field 生网两续山最小台出31物 中国考古之最》 a Parsing algorithms-these form the basis of the field of programming languages a Fast Fourier transform-the field of digital signal processing is built upon this algorith ■③齐鲁珠坛,1997年04期,王为榈,王世玉,贺西周陶丸研究的 ■ Line: rithm is ■④齐鲁珠坛,1997年06期,王为榈,王世玉,驳西周陶丸异义 extensively used in resource scheduling ⑤陕西经贸学院 E学报, 7年03期,张福汉,肖宗史,岐山西 a Sorting algorithms-until recently, sorting used up the bulk of computer cycles 齐鲁珠坛,1999年01期,王为桐,王世玉,公维萍,西周陶丸 用途的结论 a String matching algorithms-these are extensively used in computational biology
5 清华大学 宋斌恒 25 算盘 n 算盘被誉作中国贡献于世界的“第五大发明”， 可谓地道中国特产了。 n 随着对陜西歧山出土文物西周陶丸的研究，中 国算盘的发明时间已经提前到二千多年前的西 周时期。陕西岐山县西周宫室遗址中出土的90 粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒。【但 有学术争论】 清华大学 宋斌恒 26 陈聪同学2004年秋天的文献综述 n “陶丸是珠算工具”的这种说法，可以在网上搜索到很 多，姑且找一个比较权威的网站。新华网2003年10月 2日报道“记者日前在岐山县采访时获悉，全县最小的 乡―――京当乡近年来出土了大批的珍贵文物，其中 有18件占据了中国考古之最”，“出土的陶丸，是我国 最早的计算工具算珠”。标明稿件来源：西安晚报。① “中国珠算协会副会长、陕西数学史研究会会长李培业 对数学史最大的贡献是在珠算史研究方面”，“根据陕西 岐山县西周宫室遗址中出土的90粒青黄两色陶丸，结 合《数术记遗》中对珠算算具的文字注释，证明了这 是珠算工具，从而把中国古珠算的历史年代推前了 1000余年，证明中国是最早发明珠算的国家”② 清华大学 宋斌恒 27 续 n 可见，新华网的这种说法的根据是李培业先生 的研究结果。而李培业的文章《对西周宫室遗 址出土陶丸之考察》发表于1984年《珠算》04 期，同时期研究者发表类似意见的文章还有： 陕西周原岐山文管所刘亮的《试说周原遗址出 土的陶丸》（《珠算》1984年04期），户谷清 一（日本）的《从西周宫室遗址出土的陶丸探 索算盘的起源》（《珠算》1985年05期，《齐 鲁珠坛》1994年04期）③，以及姜克华的《西 周陶丸之研究》（《齐鲁珠坛》1994年02期） 等等。 清华大学 宋斌恒 28 n 而近十年来考古界的研究成果，很多都否定了这种说 法。1996 年12 月11 日至13 日在陕西省岐山县召开的 “中国珠算协会第四届珠算史专业委员会暨陶丸鉴定会” 认为陶丸与“三才算”有关，而不是珠算。④王为桐和王 世玉的《驳西周陶丸异义》（《齐鲁珠坛》1997年06 期）也认为陶丸与珠算无关。 n 考古界对此看法纷纭。张福汉和肖宗史认为“三才算”也 属于“珠算”的范畴，关键是确定陶丸是“哪一种珠算的 算珠”⑤；王为桐，王世玉和公维萍更是认为“西周陶丸 不是珠算用珠, 而是弹丸”⑥ n 从以上资料可以看出，学术界对于西周陶丸究竟何用 并无一个统一的说法。 清华大学 宋斌恒 29 参考文献 n ①新华网《陕西岐山最小乡出土18件文物居中国考古之最 》 http://www.xinhuanet.com/chinanews/2003- 10/23/content_1094597.htm n ②新华网《康熙数学专著发现经过大解密》 http://news.xinhuanet.com/newscenter/2003- 03/03/content_755023.htm n ③齐鲁珠坛，1997年04期，王为桐，王世玉，贺西周陶丸研究的 突破 n ④齐鲁珠坛，1997年06期，王为桐，王世玉，驳西周陶丸异义 n ⑤陕西经贸学院学报，1997年03期，张福汉，肖宗史，岐山“西 周陶丸”再考 n ⑥齐鲁珠坛，1999年01期，王为桐，王世玉，公维萍，西周陶丸 用途的结论 清华大学 宋斌恒 30 Some of major successes fields n Parsing algorithms - these form the basis of the field of programming languages n Fast Fourier transform - the field of digital signal processing is built upon this algorithm. n Linear programming - this algorithm is extensively used in resource scheduling. n Sorting algorithms - until recently, sorting used up the bulk of computer cycles. n String matching algorithms - these are extensively used in computational biology