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二分查找
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输入:有序列表个元素,最多步找到,与简单查找相比最多需要n步
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输出:找到的位置/
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数据结构:使用数组,不断更新首尾index(low,high)
def binary_search(list, item): low = 0 high = len(list)-1 while low <= high: #只要范围没有缩小到只含1个元素 mid = (low+high)/2 guess = list[mid] if guess == item: return mid if guess > item: high = mid - 1 else: low = mid + 1 return None my_list = [1,3,5,7,9] print(binary_search(my_list, 3)) #1 print(binary_search(my_list, -1)) #None
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算法运行时间用表示,由快到慢的5中:
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旅行商问题:
- 问题描述:前往n个城市,同时确保旅程最短,对每种顺序都需要计算总旅程,再挑选旅程最短的路线
- 近似答案,见K近邻
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数组和链表:
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数组:元素内存中相连,同一数组中,所有元素类型必须相同,支持顺序访问+随机访问(被应用的更多)
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链表:元素可存储在内存的任何地方,只支持顺序访问
数组 链表 读取 插入 删除 [如何能够立即访问要删除的元素时]
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选择排序:
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双层循环,时间复杂度
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解释1:遍历待排序列表,找出列表中最小/最大的元素,将该元素添加到一个新的列表中,将该元素从原列表中删除。
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解释2:首先,找到数组中最小的元素,拎出来,将它和数组的第一个元素交换位置,第二步,在剩下的元素中继续寻找最小的元素,拎出来,和数组的第二个元素交换位置,如此循环,直到整个数组排序完成。至于选大还是选小,这个都无所谓,你也可以每次选择最大的拎出来排,也可以每次选择最小的拎出来的排,只要你的排序的手段是这种方式,都叫选择排序
def findSmallest(arr): smallest = arr[0] smallest_index = 0 for i in range(1, len(arr)): if arr[i] < smallest: smallest = arr[i] smallest_index = i return smallest_index def selectionSort(arr): newArr = [] for i in range(len(arr)): smallest = findSmallest(arr) newArr.append(arr.pop(smallest))#.pop返回移除的元素值 return newArr print(selectionSort([5,3,6,2,10]))
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队列:先进先出(First In First Out, FIFO)
- 类似于栈,不能随机地访问队列中的元素,只支持两种操作:入队和出队
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调用栈(call stack):后进先出(Last In First Out, LIFO)
- 用于存储多个函数的变量即调用栈。所有函数调用都进入调用栈
- 每当调用函数时,计算机都会将函数调用涉及的所有变量的值存储到内存中,当函数调用返回后,栈顶的内存块被弹出
- 栈包含两种操作:压入(插入)和弹出(删除并读取),栈作为一种数据结构,但不能用于查找
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递归
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函数式编程:
- 诸如Haskell等函数式编程语言没有循环,因此只能使用递归来编写即使可以使用循环就可以轻松实现的函数
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分治法(divide and conquer, D&C):
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D&C并非可用于解决问题的算法,而是一种解决问题的思路
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D&C算法是递归的,解决该问题的过程包含两个步骤
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步骤1: 找出边界条件,必须尽可能简单,在使用D&C处理列表时,边界条件很可能是空数组或者只包含一个元素的数组
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步骤2:不断将问题分解/缩小规模,直到符合边界条件
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欧几里得算法(用来求两个正整数最大公约数的算法),又称辗转相除法,例如求1997与615之间的最大公约数
1997=615*3+152 615=152*4+7 152=7*21+5 7=5*1+2 5=2*2+1 2=2*1+0(当被加数为0时,得出1997与615之间最大公约数为1) -
问题变形:将一块矩形的土地(1680*640)均匀分成方块,且分出的方块要尽可能大
- 边界条件:一条边的长度是另一条边的整数倍
- 递归找出剩余面积可容纳的最大方块,1680*640 -> (640*2+400)*640 -> 400*640 -> (400+240)*400 -> 240*400 -> (240+160)*240 -> 160*240 -> (160+80)*160 -> 80*60(边界条件)
1680*640 -> (640*2+400)*640 400*640 -> (400+240)*400 240*400 -> (240+160)*240 160*240 -> (160+80)*160 80*60(边界条件),因此对于(1680*640)的土地,适用的最大方块为80*80
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快速排序(最快的排序算法之一):
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核心思想:分治法。它的实现方式是每次从序列中选出一个基准值(pivot),其他数依次和基准值做比较,比基准值大的放右边,比基准值小的放左边(数组分成两个子数组),然后再对左边和右边的两组数分别选出一个基准值,进行同样的比较移动(对这两个子数组递归进行快速排序),重复步骤,直到最后都变成单个元素,整个数组就成了有序的序列
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边界条件:空数组/只含一个元素的数组不用排序
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速度取决于pivot的选择,平均时间复杂度,最坏情况,实现时应随机选择用作pivot的元素
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最坏情况:假设总是将第一个元素作为pivot,且要处理的数组是有序的,数组并没有分成两半,其中一个子数组始终为空,使得调用栈很长,而最佳情况栈长为(最佳情况也是平均情况),每层需要时间均为。因为快速排序不检查输入数组是否有序,因此它依然尝试对其进行排序
def quicksort(array): if len(array) < 2: return array else: pivot = array[0] less = [i for i in array[1:] if i <= pivot]#所有小于等于基准值的 greater = [i for i in array[1:] if i > pivot]#所有大于基准值的 return quicksort(less)+[pivot]+quicksort(greater) print(quicksort([10,5,2,3]))
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快速排序与合并排序
- 在大O表示法中,实际上是指,其中指算法所需的固定时间量,被称为常量。
- 常量的影响一般很小,例如对于二分查找()和简单查找()来说,在40亿个元素列表中查找所需时间,前者()后者(),二分查找还是快的多,常量没什么影响
- 常量的影响可能很大,例如对于快速查找和合并查找,快速查找的常量比合并查找小,如果二者运行时间都是,快速查找的速度将更快,实际上,快速查找的速度确实更快,对于最坏情况,遇上平均情况的可能性要大得多
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散列函数
- 将输入映射到数字
- 函数满足的要求:必须是一致的,即每次输入相同时,输出也要相同|||将不同的输入映射到不同的数字(在最理想情况,散列函数将键均匀地映射到散列表的不同位置)
- 良好的散列函数:让数组中的值呈均匀分布,可以使用SHA函数
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填装因子
- 度量散列表中有多少位置是空的,一旦填装因子开始增大,需要调整长度(resizing),通常将数组增长一倍,然后使用函数hash将所有元素插入到新的散列表中
- 一个不错的经验:一旦,就调整散列表的长度
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冲突(collision)
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散列表(hash table)
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也被成为散列映射、映射、字典、关联数组,适合用于模拟映射关系,用于防止重复等场景
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使用散列函数和数组创建的数据结构:散列表(一种包含额外逻辑的数据结构),因为使用数组来存储数据,因此其获取元素的速度与数组一样快
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与数组和链表直接映射到内存不同,散列表使用散列函数来确定元素的存储位置
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散列表由键和值组成。无需自己实现散列表,任一优秀的语言都提供了散列表实现,e.g. python提供的散列表实现为字典,可使用
dict()
来创建散列表,如果使用list()
进行查找,只能使用简单查找,速度会很慢 -
散列表性能:平均情况,被称为常量时间,表示不管散列表多大,所需时间都相同,兼具数组和链表的优点
散列表(平均情况) 散列表(最坏情况) 数组 链表 查找 插入 删除 -
应用1:用于查找:基于姓名查找号码的电话簿、DNS解析
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应用2:用于缓存:一种常用的加速方式,提高网站的访问速度,用户能够更快看到网页,且服务器需要做的工作更少,缓存的数据存储在散列表中,键和值分别为url和页面数据
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图:
- 由节点和边组成,直接相连的节点成为邻居,分为有向图、无向图
- 实现:散列表,键:节点,值:节点的邻居构成的列表
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广度优先搜索(breadth-first search, BFS)
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BFS是一种用于图的查找算法
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解决A,B两点之间是否有路/A,B两点之间最短路径问题的算法:首先使用图建立问题模型,其次使用BFS解决问题
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应用:编写国际跳棋AI,计算最少走多少步就可以获胜|||编写拼写检查器,计算最少编辑多少个地方就可将错拼的单词改为正确的单词|||根据人际关系网络找到关系最近的医生
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实现:队列,在python中可使用函数deque创建一个双端队列,需要维护数组保存已检查过的人(searched),防止程序形成无限循环(e.g. 图中只包含两个节点,双向边)。算法将不断执行直到满足以下条件之一:
- 找到一位芒果经销商
- 队列变空,即你的人际关系网中没有芒果经销商
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运行时间:,其中为顶点(使用队列),为边数(在整个关系网中搜索)。
from collection import deque def search(name): search_queue = deque()#创建一个队列 search_queue += graph[name]#将邻居(数组)都加入到这个搜索队列中 searched = []#这个数组用于记录检查过的人 while sear_queue:#只要队列不为空 person = search_queue.popleft()#就取出其中的第一个人 if person_is_seller(person):#检查这个人是否为芒果经销商 print(person+' is a mango seller!') return True else: search_queue += graph[person]#不是,将这个人的朋友都加入到队列中 searched.append(person)#将这个人标记为检查过 return False def person_is_seller(name): return name[-1] == 'm'
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Dijkstra算法
- 广度优先搜索的应用场景针对图中边权重相同的情况【非加权图】,找到的“最短路径”是指段数最少。当图中边的权重不同时【加权图】,需要使用Dijkstra算法,只适用于权重为正的有向无环图(DAG)【使用散列表graph维护节点和有向边的权重】,即应用在有向图的场景下【无向图中每条边都是一个环,绕环的路径不可能是最短路径】,找出的是总权重最小的路径。
- 算法步骤:
- 找出可在最短时间内到达的节点
- 如果找到前往该节点的邻居的更短路径,更新该节点的邻居开销【维护costs散列表,维护节点和其开销】
- 重复这个过程,直到对图中的每个节点都这样做了
- 计算最终路径【维护parent散列表存储节点和其父节点,用于最终回溯】
- 算法假设:对处理过的节点,没有前往该节点的更短路径
- 负权边
- 负权边无法使用该算法
- 不满足算法假设(可能先增后减能够获取更短路径)
- 使用Bellman-Ford算法
def find_lowest_cost_node(costs): lowest_cost = float('inf') lowest_cost_node = None for node in costs:#遍历所有节点 cost = costs[node] if cost < lowest_cost and node not in processed:#如果当前节点开销小于当前最小开销且未被处理过 lowest_cost = cost#就将其视为开销最低的节点 lowest_cost_node = node return lowest_cost_node node = find_lowest_cost_node(costs)#在未处理的节点中找出开销最小的节点 while node is not None:#这个while循环在所有节点都被处理过后结束 cost = costs[node] neighbors = graph[node] for n in neighbors.keys():#遍历当前节点的所有邻居 new_cost = cost + neighbors[n]#开销指从起点前往该节点需要多长时间 if costs[n] > new_cost:#如果经当前节点前往该邻居更近 costs[n] = new_cost#就更新该邻居的开销 parents[n] = node#同时将该邻居的父节点设置为当前节点 processed.append(node)#将当前节点标记为处理过 node = find_lowest_cost_node(costs)#找出接下来要处理的界定啊,并循环
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贪婪算法
- 寻找局部最优解,企图以这种方式获得全局最优解,易于实现,运行速度快,是不错的近似算法
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调度问题:根据课表,将尽可能多的课安排在某间教室上
- 每次都选择结束最早的课,后选的开始时间要晚于之前的结束时间(贪婪思想)
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集合覆盖问题:你办了个广播节目,要让全美50个州的听众都听到,需要决定节目在哪些广播台播出,每个广播台播出需要支付费用,力图在尽可能少的广播台播出,每个广播台都覆盖特定的区域,不同广播台覆盖区域可能重叠
- 列出每种可能广播台集合(精确解),可能子集有,因此运行时间
- 贪婪算法(近似解):选出这样一个广播台,即它覆盖了最多的未覆盖州,即便这个广播台覆盖了一些已覆盖的州也没关系。重复第一步,直到覆盖了所有的州。运行时间
while states_needed:
best_station = None#覆盖了最多的未覆盖州的广播台
states_covered = set()#包含该广播台覆盖的所有未覆盖的州
for station, states in stations.items():
covered = states_needed & states#集合交集
if len(covered) > len(states_covered):
best_station = station
states_covered = covered
states_needed -= states_covered
final_stations.add(best_station)#存储最终选择的广播台
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近似算法优劣标准:
- 速度有多快
- 近似解与最优解的接近程度
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NP完全问题
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集合覆盖问题:为橄榄球队挑选队员,清单上列出对球队的所有要求,球队名额有限,每个候选球员都满足某些需求。
- 近似求解:找出符合最多要求的球员,不断重复这个过程直到球队满足要求(或名额已满)
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旅行商问题:近似算法(找到较短路径即可),具体的,随便选择出发城市,每次选择要去的下一个城市时,都选择还没去的最近的城市
- 找出经由指定几个点的最短路径即旅行商问题——NP完全问题
- 不指定途径点,单纯求解两点之间的最短路径即Dijkstra算法
- 两问题共同点:需计算所有解,并从中选出最小/最短的那个
- NP完全问题:没有找到快速求解精确解的方法,最佳的做法即使用近似算法。但判断问题是否为NP完全问题很难, 易于解决的问题和NP完全问题的差别通常很小。以下是一些tips:
- 元素较少时算法运行速度非常快,随着元素数量增加,速度会变得非常慢
- 涉及“所有组合”的问题通常是NP完全问题
- 不能将问题分成小问题,需考虑各种可能情况,可能是NP完全问题
- 如果问题涉及序列(e.g.旅行商问题中的城市序列)且难以解决,可能是NP完全问题
- 如果问题涉及集合(e.g.广播台集合)且难以解决,可能是NP完全问题
- 如果问题可转换为集合覆盖问题或旅行商问题,肯定是NP完全问题
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集合覆盖问题:为橄榄球队挑选队员,清单上列出对球队的所有要求,球队名额有限,每个候选球员都满足某些需求。
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动态规划:
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每个DP算法都从一个网格开始,单元格中的值通常就是你要优化的值,e.g.背包问题中,单元格值为物品价值。每个单元格都是一个子问题,应考虑如何将问题分解成子问题,这有助于你找出网格的坐标轴。
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动态规划可帮助你在给定约束条件下找到最优解。e.g.背包问题中,必须在背包容量给定的情况下,使得包含的物价总价值最高。
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背包问题:
- 问题描述:一个人有一个可装N磅的背包,可放的物品(共M件)对应不同的磅数和价值,为了让总价值最高应该选择那些物品?
- 背包问题的网格:维护一个二维表格(维),表格行为物品(M行),列为1~N不同容量的背包,不断填充表格填满后就找到问题的答案。
- 最优子结构:前者即不放当前商品的价值
- 明确最优子结构后,当增加物品种类时,无需重新执行之前所做的计算(DP逐步计算最大价值),只需添加新行填充即可
- 沿网格的一列往下走,最大价值可能降低吗?不可能,每次迭代都存储当前的最大价值,不可能比以前低
- 行的排列顺序发生变化时结果将如何?不会,各行的排列顺序无关紧要
- 可以逐列而非逐行填充网格吗?就这个问题而言不会,但对于其他问题可能有影响
- 添加一件更小的商品会怎样?最小单位从1磅变为0.5磅,需要重写调整网格,考虑的粒度更细
- 可以放商品的一部分吗?动态规划(要么放,要么不放)无法处理这样的问题,可使用贪婪算法处理这种情况(尽可能多放价值最高的物品,如果放完了,再尽可能放价值次高的物品...)
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- 问题描述:你有一个列举很多名胜所需的时间以及评分的清单,假期两天的话,能确定该去游览哪些名胜吗?
- 分析:也是一个背包问题,约束条件不是背包的容量,而是有限的时间,不是决定该装入哪些物品而是决定该去游览哪些名胜。
- DP能够解决子问题并使用这些答案解决大问题,仅当每个子问题都是离散的,即不依赖其他子问题时。当子问题见互相依赖时,无法使用DP求解。
- 计算最终的解时会涉及两个以上的子背包吗?根据DP的设计最多只需合并两个子背包,因此不会,但这些子背包可能有包含子背包
- 最优解可能导致背包没装满吗?可能
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DP中要将某个指标最大化,给定两个字符串,判断二者间的最长公共子串。网格中的值通常为要优化的值,这里为两个字符串都包含的最长子串的长度,坐标轴为两个单词。如何将问题划分为子问题呢,即网格如何填充?
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没有找出计算公式的简单办法,必须通过尝试才能找到管用的公式。
if word_a[i] == word_b[j]:#两个字母相同 cell[i][j] = cell[i-1][j-1] + 1 else:#两个字母不同 cell[i][j] = 0
V I S T A H 0 0 0 0 0 I 0 1 0 0 0 S 0 0 2(最终答案) 0 0 H 0 0 0 0 0 -
对于该问题最终答案不一定位于最后的单元格中(与上一个背包问题最终答案总在最后的单元格中不同)
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两个单词中都有的序列包含的字母数,e.g.单词fish和fosh
if word_a[i] == word_b[j]:#两个字母相同 cell[i][j] = cell[i-1][j-1] + 1 else:#两个字母不同 cell[i][j] = max(cell[i-1][j],cell[i][j-1])
F O S H F 1 1 1 1 I 1 1 1 1 S 1 1 2 2 H 1 1 2 3
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实际应用
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K最近邻算法
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一种机器学习分类算法(编组),可用来构建推荐系统,e.g.Netflix为用户创建一个电影推荐系统,向Priyanka推荐电影,利用喜好相似(相似程度如何确定?)的用户距离较近(Priyanka与最近的K个人,e.g. Justin, JC, Joey, Lance, Chris),因此他们喜欢的电影可能Priyanka也喜欢。
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相似程度如何确定?首先需要进行特征选取(即将样本转换为一系列可比较的数字),e.g.如何判断一个水果是橙子还是柚子?可以根据颜色和个头判断,一般而言,柚子更大更红。对这个问题,个头、红的程度即问题的特征,每种水果用2个数字表示,根据特征将不同样本放到图表中,转化为一组坐标,用于求解距离远近。使用KNN时,挑选合适的特征很重要(与问题紧密相关的特征,且是不偏不倚的特征,e.g.只让用户给喜剧片打分,就无法判断他们是否喜欢动作片)
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对电影推荐系统问题,将用户放入图表中,即可计算他们之间的距离了。方法:用户注册是,要求他们指出对各种电影的喜欢程度。这样,对每位用户,都将获得一组数字(构建图表),如下表:
Priyanka Justin Morpheus 喜剧片 3 4 2 动作片 4 3 5 生活片 4 5 1 恐怖片 1 1 3 爱情片 4 5 1 每位用户都用5个数字表示。
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回归:用于预测结果,e.g. 进一步预测Priyanka将给这部电影打多少分,假设k=5,利用与其最近的5个人对该电影的评分预测Priyanka的打分,e.g. Justin:5, JC:4, Joey:4, Lance:5, Chris:3,预测结果为打分的平均值4.2。
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余弦相似度:可用于计算两位用户的距离,不计算两个矢量的距离,而比较它们的角度。
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OCR,光学字符识别,google用来实现图书数字化,使用KNN实现,通过浏览大量的图像,将字的特征提取出来(训练 training),遇到新图像时,提取该图像的特征找出它最近的邻居即可。一般而言,OCR算法提取线段、点和曲线等特征。
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创建垃圾邮件过滤器:使用朴素贝叶斯分类器,首先需使用一些数据对分类器进行训练。可研究句子中的每个单词,看它在垃圾邮件中出现的概率是多少。
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二叉查找树(binary search tree)
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对其中的每个节点,左子节点的值都比它小,右子节点的值都比它大
数组 二叉查找树 查找 插入 删除 -
缺点:不能随机访问,处在不平衡状态时,性能不佳
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高级数据结构
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反向索引
- inverted index,一种数据结构,通过构建散列表,键为单词,值为包含指定单词的页面,将单词映射到包含它的搜索页面,常用于创建搜索引擎
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傅里叶变换
- 给定数字信号,傅里叶变换能够将其中的各种频率分离出来。因此,可用于数字信号的压缩、地震预测和DNA分析、音乐识别软件
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并行算法
- 对数组进行排序是,快速排序的并行版本所需时间为
- 可改善性能和可扩展性,但速度的提升是非线性的,即pc装备了两个而非一个内核,算法的速度也不可能提高一倍,原因:
- 并行性管理开销,e.g.对一个含1000个元素的数组排序,让两个内核每个内核对其中500个元素排序,再合并成一个有序数组,合并也是需要时间的
- 负载均衡:10个任务,给每个内核都分配5个,但给内核A的任务很容易,10秒就完成了,而给内核B的任务很难,需要50秒完成,如何均匀分配工作让两个内核都一样忙?
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MapReduce
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在并行算法只需2-4个内核时,完全可在笔记本上运行,但如果数百个内核,可让算法在多台计算机上运行
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是一种分布式算法(一种特殊的并行算法),可通过Apache Hadoop来使用它
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Map映射函数:接受一个数组,对其中的每个元素执行同样的处理。e.g. 你有一个URL清单,需要下载每个URL指向的页面并将内容存储在数组arr2中,当包含大量URL时,执行耗时很长。如果有100台计算机,map能够自动将工作分配给这些计算机去完成。
>>> arr1 = # A list of URLs >>> arr2 = map(download_page, arr1)
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reduce归并函数:将很多项归并为一项
>>> arr1 = [1,2,3,4,5] >>> reduce(lambda x,y: x+y, arr1) 15
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MapReduce使用这两个简单概念在多台计算机上执行数据查询,数据集很大(数十亿行)使用MapReduce只需几分钟就可获得查询结果,传统数据库可能要耗费数小时
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布隆过滤器和HyperLogLog
- 给定一个元素,判断它是否包含的这个集合中,为快速判断可使用散列表,但元素数量庞大(数万亿)时,散列表非常大,占用大量存储空间。
- 布隆过滤器:一种概率性的算法/数据结构,它提供的答案有可能不对,但很可能是正确的。优点:占用存储空间少,非常适合用于不要求答案绝对准确的情况。e.g.判断网页以前是否已搜集,可不使用散列表(答案绝对可靠)而使用布隆过滤器。
- 可能出现错报的情况,即Google可能指出这个网站已搜集,但实际上并没有搜集
- 不可能出现漏报的情况,如果布隆过滤器说这个网站为搜集,就肯定未搜集
- HyperLogLog:一种概率性的算法/数据结构,Google要计算用户执行不同搜索的数量,需要一个日志包含用户执行的不同搜索,有用户执行搜索时,Google必须判断该搜索是否包含在日志中,如果不在必须将其加入到日志中。这样会导致日志很大,而HyperLogLog近似计算集合中不同的元素数,它也不能给出准确答案,但很可能是正确的,而占用的内存空间却少很多。
- 面临海量数据且要求答案八九不离十时,可考虑使用概率性算法
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SHA算法
- 之前介绍的散列函数,用于确定将键关联的值放到数组中,这里希望散列函数的结果是均匀分布的,用于创建散列表的散列函数接受一个字符串,返回一个索引号
- SHA:另一种散列函数,安全散列算法(secure hash algorithm),给定一个字符串,SHA返回其散列值(一个很长的字符串)。SHA根据字符串生成另一个字符串,对于每个不同的字符串,SHA生成的散列值都不相同。
- 可使用SHA判断两个文件是否相同,在比较超大型文件时很有用,可计算它们的SHA散列值,再对结果进行比较
- 还能在不知道原始字符串的情况下对其进行比较,e.g. Gmail攻击者窃取了所有的密码,但你的密码并未暴露,因为Google存储的并非密码,而是密码的SHA散列值。输入密码时,Google计算其散列值并将结果同其数据库中的散列值进行比较。这种散列算法是单向的,可根据字符串计算出散列值,但无法根据散列值推断出原始字符串。
- SHA是一个系列算法:SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3 ,前两者已被证明存在一些缺陷,当前最安全的密码散列函数是bcrypt
- 是一个局部不敏感算法,对字符串做微小修改得到的散列值将截然不同,令攻击者无法通过比较散列值是否类似来破解密码
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局部敏感的散列算法
- Simhash算法,对字符串做细微修改,生成的散列值也只存在细微的差别,能够通过比较散列值来判断两个字符串的相似程度。用于判断网页是否已搜集,用于判断学生论文是否是从网上抄的、检查上传内容是否与某些有版权的内容类似(自动拒绝)
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Diffie-Hellman密钥交换
- 加密算法,一种双方无需知道的加密算法,不必会面协商要使用的加密算法,且破解加密的消息几乎不可能。使用两个密钥:公钥(公开的可发布,有人要向你发送消息时,使用公钥对其进行加密)和私钥(加密后的消息只有使用私钥才能解密,只有知道私钥才能解密消息)。
- 替代算法RSA
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线性规划
- 在给定约束条件下,最大限度的改善指定的指标。所有的图算法都可使用线性规划实现。
- 使用Simplex算法
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