面试常问的小算法总结

Dear 丶 2022-05-23 00:21 264阅读 0赞

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxeHg2NjYx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 前言 #

本文快速回顾了面试常考的算法，用作面试复习，事半功倍。

需要说明的是，由于算法的代码实现主要注重思路的清晰，下方有代码实现的文章主要以Python为主，Java为辅，对于Python薄弱的同学敬请不用担心，几乎可以看作是伪代码，可读性比较好。如实在有困难可以自行搜索Java代码

此外，关于算法的文章之后也会单独开设**算法专栏**进行总结，敬请期待。

# 面试知识点复习手册 #

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 *  [面试常问的小算法总结][Link 1]
 *  [查找算法总结及其部分算法实现Python/Java][Python_Java]
 *  [排序算法实现与总结Python/Java][Python_Java 1]
 *  [HTTP应知应会知识点复习手册（上）][HTTP]
 *  [HTTP应知应会知识点复习手册（下）][HTTP 1]
 *  …等（**请查看全复习手册导航**）

# \-----正文开始----- #

## 图的最短路径算法 ##

### Floyd最短路算法（多源最短路） ###

参考：[https://www.cnblogs.com/ahalei/p/3622328.html][https_www.cnblogs.com_ahalei_p_3622328.html]

![在这里插入图片描述][20190221213631406.png]

上图中有4个城市8条公路，公路上的数字表示这条公路的长短。请注意这些公路是单向的。我们现在需要求任意两个城市之间的最短路程，也就是求任意两个点之间的最短路径。这个问题这也被称为“**多源最短路径**”问题。

现在需要一个数据结构来存储图的信息，我们仍然可以用一个4\*4的矩阵（二维数组e）来存储。

![在这里插入图片描述][20190221213651364.png]

核心代码：

for(k=1;k<=n;k++)
        for(i=1;i<=n;i++)
            for(j=1;j<=n;j++)
                if(e[i][j]>e[i][k]+e[k][j])
                     e[i][j]=e[i][k]+e[k][j];

这段代码的基本思想就是：

最开始只允许经过1号顶点进行中转，接下来只允许经过1和2号顶点进行中转……允许经过1~n号所有顶点进行中转，求任意两点之间的最短路程。用一句话概括就是：从i号顶点到j号顶点只经过前k号点的最短路程。

### Dijkstra最短路算法（单源最短路） ###

参考：[http://blog.51cto.com/ahalei/1387799][http_blog.51cto.com_ahalei_1387799]

指定一个点（源点）到其余各个顶点的最短路径，也叫做“单源最短路径”。例如求下图中的1号顶点到2、3、4、5、6号顶点的最短路径。

![在这里插入图片描述][20190221213659917.png]

仍然使用二维数组e来存储顶点之间边的关系，初始值如下。

![在这里插入图片描述][20190221213707307.png]

我们还需要用一个一维数组dis来存储1号顶点到其余各个顶点的初始路程，如下。

![在这里插入图片描述][20190221213712687.png]

将此时dis数组中的值称为最短路的“估计值”。

既然是求1号顶点到其余各个顶点的最短路程，那就先找一个离1号顶点最近的顶点。通过数组dis可知当前离1号顶点最近是2号顶点。当选择了2号顶点后，dis\[2\]的值就已经从“估计值”变为了“确定值”，即1号顶点到2号顶点的最短路程就是当前dis\[2\]值。

既然选了2号顶点，接下来再来看2号顶点有哪些出边呢。有2->3和2->4这两条边。先讨论通过2->3这条边能否让1号顶点到3号顶点的路程变短。也就是说现在来比较dis\[3\]和dis\[2\]+e\[2\]\[3\]的大小。其中dis\[3\]表示1号顶点到3号顶点的路程。dis\[2\]+e\[2\]\[3\]中dis\[2\]表示1号顶点到2号顶点的路程，e\[2\]\[3\]表示2->3这条边。所以dis\[2\]+e\[2\]\[3\]就表示从1号顶点先到2号顶点，再通过2->3这条边，到达3号顶点的路程。

这个过程有个专业术语叫做“松弛”。松弛完毕之后dis数组为：

![在这里插入图片描述][2019022121371971.png]

接下来，继续在剩下的3、4、5和6号顶点中，选出离1号顶点最近的顶点4，变为确定值，以此类推。

![在这里插入图片描述][20190221213725783.png]

最终dis数组如下，这便是1号顶点到其余各个顶点的最短路径。

![在这里插入图片描述][20190221213730789.png]

//Dijkstra算法核心语句
        for(i=1;i<=n-1;i++)
        {
        
            //找到离1号顶点最近的顶点
            min=inf;
            for(j=1;j<=n;j++)
            {
        
                if(book[j]==0 && dis[j]<min)
                {
        
                    min=dis[j];
                    u=j;
                }
            }
            book[u]=1;
            for(v=1;v<=n;v++)
            {
        
                if(e[u][v]<inf)
                {
        
                    if(dis[v]>dis[u]+e[u][v])
                        dis[v]=dis[u]+e[u][v];
                }
            }
        }

*  M：边的数量
 *  N：节点数量

通过上面的代码我们可以看出，这个算法的时间复杂度是O(N^2)。其中每次找到离1号顶点最近的顶点的时间复杂度是O(N)

优化:

*  这里我们可以用“堆”（以后再说）来优化，使得这一部分的时间复杂度降低到O(logN)。
 *  另外对于边数M少于N2的稀疏图来说（我们把M远小于N2的图称为稀疏图，而M相对较大的图称为稠密图），我们可以用邻接表来代替邻接矩阵，使得整个时间复杂度优化到O( (M+N)logN)。
 *  请注意！在最坏的情况下M就是N2，这样的话MlogN要比N2还要大。但是大多数情况下并不会有那么多边，因此(M+N)logN要比N2小很多。

### 用邻接表代替邻接矩阵存储 ###

参考：[http://blog.51cto.com/ahalei/1391988][http_blog.51cto.com_ahalei_1391988]

略微难懂，请参考原文

总结如下：

可以发现使用邻接表来存储图的时间空间复杂度是O(M)，遍历每一条边的时间复杂度是也是O(M)。如果一个图是稀疏图的话，M要远小于N^2。因此稀疏图选用邻接表来存储要比邻接矩阵来存储要好很多。

## 汉诺塔 ##

参考图例：[https://www.zhihu.com/question/24385418/answer/89435529][https_www.zhihu.com_question_24385418_answer_89435529]

关键代码：

def move(n,a,b,c):
        if n == 1:
            print(a, "--->", c)
        else:
            move(n-1,a,c,b)
            print(a, "--->", c)
            move(n-1,b,a,c)

## 杨辉三角 ##

参考：[https://blog.csdn.net/zmy\_3/article/details/51173580][https_blog.csdn.net_zmy_3_article_details_51173580]

关键代码（巧用python中的yield）：

注释：N加上一个0之后，最后一个数是1+0，直接就等于1，不会有0

def triangles():
        N=[1]
        while True:
            yield N
            N.append(0)
            N=[N[i-1] + N[i] for i in range(len(N))]
            
    n=0
    for t in triangles():
        print(t)
        n=n+1
        if n == 10:
            break

## 回文数/回文串 ##

解法一：暴力

return a == a[::-1]

解法二：分字符串和数字

# 字符串/数字
    a = len(s)
    i = 0
    while i <= (a/2):
        if s[i] == s[a-1-i]:
            i += 1
        else:
            return False
    return True
    
    # 数字
    def isPalindrome(x):
            if x < 0:
                return False
            temp = x 
            y = 0 
            while temp:
                y = y*10 + temp%10
                temp /= 10
            return x == y

## 斐波拉契数列(Fibonacci) ##

def fibonacci():  # 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89
        f = [0] * MAXSIZE
        f[0] = 1
        f[1] = 1
        for i in range(2, MAXSIZE):
            f[i] = f[i-1] + f[i-2]
        return f

fibs = [1,1]  
    for i in range(8):
        fibs.append(fibs[-2] + fibs[-1])

## 最大子序列与最大子矩阵问题 ##

### 数组的最大子序列问题 ###

给定一个数组，其中元素有正，也有负，找出其中一个连续子序列，使和最大。

参考自己的博客：[https://blog.csdn.net/qqxx6661/article/details/78167981][https_blog.csdn.net_qqxx6661_article_details_78167981]

可以理解为动态规划：

dp[i] = dp[i-1] + s[i] (dp[i-1] >= 0)
    dp[i] = s[i] (dp[i-1] < 0)

可以用标准动态规划求解也可以用直接方法求解，但思路都是动态规划

### 最大子矩阵问题 ###

给定一个矩阵（二维数组），其中数据有大有小，请找一个子矩阵，使得子矩阵的和最大，并输出这个和。

参考：[https://blog.csdn.net/kavu1/article/details/50547401][https_blog.csdn.net_kavu1_article_details_50547401]

思路：

原始矩阵可以是二维的。假设原始矩阵是一个3 \* n 的矩阵，那么它的子矩阵可以是 1 \* k, 2 \* k, 3 \* k，（1 <= k <= n）。 如果是1\*K，这里有3种情况：子矩阵在第一行，子矩阵在第二行，子矩阵在第三行。如果是 2 \* k，这里有两种情况，子矩阵在第一、二行，子矩阵在第二、三行。如果是3 \* k，只有一种情况。

为了能够找出最大的子矩阵，我们需要考虑所有的情况。假设这个子矩阵是 2 \* k, 也就是说它只有两行，要找出最大子矩阵，我们要从左到右不断的遍历才能找出在这种情况下的最大子矩阵。**如果我们把这两行上下相加**，情况就和求“最大子段和问题” 又是一样的了。

## KMP算法 ##

原理参考：

[http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/05/Knuth–Morris–Pratt\_algorithm.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_05_Knuth_Morris_Pratt_algorithm.html]

移动位数 = 已匹配的字符数 - 对应的部分匹配值

"部分匹配值"就是"前缀"和"后缀"的最长的共有元素的长度。以"ABCDABD"为例，

－　"A"的前缀和后缀都为空集，共有元素的长度为0；
    
    －　"AB"的前缀为[A]，后缀为[B]，共有元素的长度为0；
    
    －　"ABC"的前缀为[A, AB]，后缀为[BC, C]，共有元素的长度0；
    
    －　"ABCD"的前缀为[A, AB, ABC]，后缀为[BCD, CD, D]，共有元素的长度为0；
    
    －　"ABCDA"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD]，后缀为[BCDA, CDA, DA, A]，共有元素为"A"，长度为1；
    
    －　"ABCDAB"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA]，后缀为[BCDAB, CDAB, DAB, AB, B]，共有元素为"AB"，长度为2；
    
    －　"ABCDABD"的前缀为[A, AB, ABC, ABCD, ABCDA, ABCDAB]，后缀为[BCDABD, CDABD, DABD, ABD, BD, D]，共有元素的长度为0。

实现参考自己的博客：

[https://blog.csdn.net/qqxx6661/article/details/79583707][https_blog.csdn.net_qqxx6661_article_details_79583707]

## LCS/最长公共子序列/最长公共子串 ##

参考自己的博客：

[https://blog.csdn.net/qqxx6661/article/details/79587392][https_blog.csdn.net_qqxx6661_article_details_79587392]

最长公共子序列LCS

动态规划状态转移方程式

![在这里插入图片描述][2019022121374970.png]

最长公共回文子串

动态规划状态转移方程式

![在这里插入图片描述][20190221213754585.png]

## 求圆周率 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxeHg2NjYx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

from random import random
    from math import  sqrt
    from time import clock  #计算程序运行时间
    DARTS=1200   #抛洒点的个数
    #DARTS=5000
    #DARTS=20000
    #DARTS=1000000
    hists=0    #抛洒点在1/4(半径为1)圆内点的个数
    clock()
    for i in range(1,DARTS):
        x,y=random(),random()
        dict=sqrt(x**2+y**2)
        if dict<=1.0:
            hists=hists+1    #随机设点，若抛洒点在1/4圆内，则dice+1
    pi=4*(hists/DARTS)
    print("PI的值是 %s" %pi)
    print("程序运行的时间是 %-5.5ss" %clock())

## 大数问题（加减乘除） ##

### 加法 ###

对应位置相加，考虑进位，前面不够补0

L1 = "2649821731631836529481632803462831616487712734074314936141303241873417434716340124362304724324324324324323412121323164329751831"
    L2 = "1045091731748365195814509145981509438583247509149821493213241431431319999999999999999999999999999999999999999999999999341344779"
    
    # 长度强行扭转到一致，不够前面补0
    max_len = len(L1) if len(L1) > len(L2) else len(L2)
    l1 = L1.zfill(max_len)
    l2 = L2.zfill(max_len)
    
    a1 = list(l1)
    a2 = list(l2)
    
    # 99+99最大3位所以多一位
    result_list = [0] * (max_len + 1)
    
    # 长度一致 每个对应的位置的相加的和 %10 前一位补1 如果>10 否则0  
    for index in range(max_len - 1, -1, -1):
        index_sum = result_list[index + 1] + int(a1[index]) + int(a2[index])
        less = index_sum - 10
        result_list[index + 1] = index_sum % 10
        result_list[index] = 1 if less >= 0 else 0
        
    # 若第一位为0，去除
    if result_list[0] == 0:
        result_list.pop(0)
    
    # 转为str的list
    result = [str(i) for i in result_list]
    print(''.join(result))

### 减法 ###

和相加十分类似

就是按照我们手写除法时的方法，两个数字末位对齐，从后开始，按位相减，**不够减时向前位借一。**  
最终结果需要去除首端的0.如果所有位都是0，则返回0。

### 乘法 ###

大数乘法问题及其高效算法：

[https://blog.csdn.net/u010983881/article/details/77503519][https_blog.csdn.net_u010983881_article_details_77503519]

方法：

1.  模拟小学乘法：最简单的乘法竖式手算的累加型；

> 自己实现的：[https://blog.csdn.net/qqxx6661/article/details/78119074][https_blog.csdn.net_qqxx6661_article_details_78119074]

1.  分治乘法：最简单的是Karatsuba乘法，一般化以后有Toom-Cook乘法；

> 见下方

1.  快速傅里叶变换FFT：（为了避免精度问题，可以改用快速数论变换FNTT），时间复杂度O(N lgN lglgN)。具体可参照Schönhage–Strassen algorithm；
2.  中国剩余定理：把每个数分解到一些互素的模上，然后每个同余方程对应乘起来就行；
3.  Furer’s algorithm：在渐进意义上FNTT还快的算法。不过好像不太实用，本文就不作介绍了。大家可以参考维基百科

方法2：

参考：

[https://blog.csdn.net/jeffleo/article/details/53446095][https_blog.csdn.net_jeffleo_article_details_53446095]

Karatsuba乘法（公式和下面代码实现的不同，但是原理相同，可以直接背下方代码）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxeHg2NjYx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

核心语句：

long z2 = karatsuba(a, c);
    long z0 = karatsuba(b, d);
    long z1 = karatsuba((a + b), (c + d)) - z0 - z2;
    
    return (long)(z2 * Math.pow(10, (2*halfN)) + z1 * Math.pow(10, halfN) + z0);

完整代码：

/**
     * Karatsuba乘法
     */
    public static long karatsuba(long num1, long num2){
        //递归终止条件
        if(num1 < 10 || num2 < 10) return num1 * num2;
    
        // 计算拆分长度
        int size1 = String.valueOf(num1).length();
        int size2 = String.valueOf(num2).length();
        int halfN = Math.max(size1, size2) / 2;
    
        /* 拆分为a, b, c, d */
        long a = Long.valueOf(String.valueOf(num1).substring(0, size1 - halfN));
        long b = Long.valueOf(String.valueOf(num1).substring(size1 - halfN));
        long c = Long.valueOf(String.valueOf(num2).substring(0, size2 - halfN));
        long d = Long.valueOf(String.valueOf(num2).substring(size2 - halfN));
    
        // 计算z2, z0, z1, 此处的乘法使用递归
        long z2 = karatsuba(a, c);
        long z0 = karatsuba(b, d);
        long z1 = karatsuba((a + b), (c + d)) - z0 - z2;
    
        return (long)(z2 * Math.pow(10, (2*halfN)) + z1 * Math.pow(10, halfN) + z0);
    }

### 除法 ###

**Leetcode原题（用位运算加速了手动除法）**

[https://blog.csdn.net/qqxx6661/article/details/79723357][https_blog.csdn.net_qqxx6661_article_details_79723357]

为了加速运算，可以依次将被除数减去1，2，4，8，…倍的除数，本质上只是用位运算加速了手动除法

### **计算机计算乘除法的原理** ###

位运算除法

[https://blog.csdn.net/zdavb/article/details/47108505][https_blog.csdn.net_zdavb_article_details_47108505]

## 最小生成树 ##

图解Prim算法和Kruskal算法：

[https://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/30/2615542.html][https_www.cnblogs.com_biyeymyhjob_archive_2012_07_30_2615542.html]

### 两种方法的时间复杂度 ###

Prim：

这里记顶点数v，边数e

*  邻接矩阵:O(v2)
 *  邻接表:O(elog2v)

Kruskal：

elog2e e为图中的边数

# coding=utf-8
    import sys
    
    
    class Graph(object):
        def __init__(self, maps):
            self.maps = maps
            self.nodenum = self.get_nodenum()
            self.edgenum = self.get_edgenum()
    
        def get_nodenum(self):
            return len(self.maps)
    
        def get_edgenum(self):
            count = 0
            for i in range(self.nodenum):
                for j in range(i):
                    if self.maps[i][j] > 0 and self.maps[i][j] < 9999:
                        count += 1
            return count
    
        def kruskal(self):
            res = []
            if self.nodenum <= 0 or self.edgenum < self.nodenum - 1:
                return res
            edge_list = []
            for i in range(self.nodenum):
                for j in range(i, self.nodenum):
                    if self.maps[i][j] < 9999:
                        edge_list.append([i, j, self.maps[i][j]])  # 按[begin, end, weight]形式加入
            edge_list.sort(key=lambda a: a[2])  # 已经排好序的边集合
    
            group = [[i] for i in range(self.nodenum)]
            for edge in edge_list:
                for i in range(len(group)):
                    if edge[0] in group[i]:
                        m = i
                    if edge[1] in group[i]:
                        n = i
                if m != n:
                    res.append(edge)
                    group[m] = group[m] + group[n]
                    group[n] = []
            return res
    
        def prim(self):
            res = []
            if self.nodenum <= 0 or self.edgenum < self.nodenum - 1:
                return res
            res = []
            seleted_node = [0]
            candidate_node = [i for i in range(1, self.nodenum)]
    
            while len(candidate_node) > 0:
                begin, end, minweight = 0, 0, 9999
                for i in seleted_node:
                    for j in candidate_node:
                        if self.maps[i][j] < minweight:
                            minweight = self.maps[i][j]
                            begin = i
                            end = j
                res.append([begin, end, minweight])
                seleted_node.append(end)
                candidate_node.remove(end)
            return res
    
    if __name__ == "__main__":
        # 读取第一行的n
        n = int(sys.stdin.readline().strip(''))
        cun_list = list(map(int,sys.stdin.readline().strip('').split(' ')))
        dp = [[0 for __ in range(n)] for __ in range(n)]
        for i in range(n):
            for j in range(n):
                if i == j:
                    dp[i][j] = 0
                    continue
                dp[i][j] = max(cun_list[i],cun_list[j])
    
    
        print(dp)
    
        graph = Graph(dp)
        # print('邻接矩阵为\n%s' % graph.maps)
        # print('节点数据为%d，边数为%d\n' % (graph.nodenum, graph.edgenum))
        # print('------最小生成树kruskal算法------')
        # print(graph.kruskal())
        # print('------最小生成树prim算法')
        # print(graph.prim())
        print()

# \-----正文结束----- #

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我是蛮三刀把刀，目前为后台开发工程师。主要关注后台开发，网络安全，Python爬虫等技术。

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