Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 1: Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Ngô Công Thắng
CHƯƠNG 1
CẤU TRÚC DỮ LIỆU VÀ GIẢI THUẬT
1. Mối quan hệ giữa cấu trúc dữ liệu và giải thuật
1.1. Giải thuật (thuật toán, algorithms)
l Khái niệm: Giải thuật là một hệ thống các thao
tác, các phép toán được thực hiện theo trình tự
nhất định trên một số đối tượng dữ liệu nào đó,
sao cho sau một số bước hữu hạn ta có được
kết quả mong muốn.
l Giải thuật phản ánh các phép xử lý, còn đối
tượng xử lý là dữ liệu.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.1
1.1. Giải thuật (thuật toán, algorithms)
l Giải thuật phải có các tính chất cơ bản sau:
l Tính thực hiện được:
l Tính kết thúc:
l Tính kết quả: Phải cho kết quả mong muốn.
l Tính hiệu quả:
l Tính duy nhất:
l Tính tổng quát: Phải áp dụng cho mọi bài toán cùng
loại.
l Tính hình thức
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.2
1.2. Cấu trúc dữ liệu
l Khái niệm dữ liệu: Dữ liệu là các phần tử biểu
diễn các thông tin cần thiết cho bài toán.
l Một bài toán có thể có các loại dữ liệu: Dữ liệu
vào, dữ liệu trung gian, dữ liệu ra.
l Dữ liệu vào là dữ liệu cần đưa vào để xử lý, đây
chính là đầu vào của bài toán.
l Dữ liệu trung gian là dữ liệu chứa các kết quả trung
gian trong quá trình xử lý.
l Dữ liệu ra là dữ liệu chứa kết quả mong muốn của
bài toán.
l Giải thuật thực hiện biến đổi từ các dữ liệu vào
thành các dữ liệu ra.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.3
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Ví dụ 1: Ta xét bài toán tính học bổng cho
sinh viên theo chế độ hiện hành. Các dữ
liệu của bài toán bao gồm:
l Dữ liệu vào: Họ và tên, Điểm các môn, Số
trình các môn học.
l Dữ liệu trung gian: Điểm trung bình
l Dữ liệu ra: Học bổng
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.4
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Ví dụ 2: Xét bài toán giải phương trình bậc
hai ax2 + bx + c = 0 . Các dữ liệu của bài
toán này như sau:
l Dữ liệu vào: a, b, c
l Dữ liệu trung gian: delta
l Dữ liệu ra: x1, x2
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.5
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Dữ liệu nguyên tử là phần tử dữ liệu cơ sở
không thể tách nhỏ ra được, có thể là một chữ
số, một kí tự, một giá trị logic,... Trong một bài
toán, dữ liệu bao gồm một tập các dữ liệu
nguyên tử.
l Từ các dữ liệu nguyên tử ta có thể tạo thành các
cấu trúc dữ liệu bằng các cách thức liên kết
khác. Chẳng hạn liên kết các kí tự lại với nhau
tạo thành cấu trúc dữ liệu kiểu xâu kí tự, liên kết
các số lại với nhau theo kiểu một dãy số ta được
cấu trúc dữ liệu kiểu mảng một chiều.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.6
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Tóm lại, Cấu trúc dữ liệu là tập hợp các
phần tử dữ liệu liên kết với nhau bằng một
cách nào đó. Nói tới cấu trúc dữ liệu là nói
tới cách tổ chức các phần tử dữ liệu như
thế nào.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.7
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Khái niệm về Cấu trúc lưu trữ: Cách biểu diễn
một cấu trúc dữ liệu trong bộ nhớ được gọi là
cấu trúc lưu trữ, đó chính là cách cài đặt cấu
trúc dữ liệu trên máy vi tính.
l Có thể có nhiều cấu trúc lưu trữ khác nhau cho một
cấu trúc dữ liệu. Chẳng hạn một cấu trúc dữ liệu kiểu
mảng ta có thể lưu trữ bằng các ô nhớ kế tiếp nhau
trong bộ nhớ hoặc có thể lưu trữ bằng các ô nhớ
không kế tiếp nhau trong bộ nhớ.
l Có thể có nhiều cấu trúc dữ liệu khác nhau được cài
đặt trong bộ nhớ bằng một cấu trúc lưu trữ. Chẳng
hạn cấu trúc xâu kí tự, cấu trúc mảng đều có thể cài
đặt trong bộ bằng các ô kế tiếp nhau.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.8
1.2. Cấu trúc dữ liệu (tiếp)
l Mỗi một ngôn ngữ lập trình đều có các
cấu trúc dữ liệu tiền định (định sẵn), bởi
vậy khi chọn ngôn ngữ lập trình nào thì ta
phải chấp nhận cấu trúc dữ liệu tiền định
của nó, phải vận dụng linh hoạt các cấu
trúc dữ liệu này vào bài toán cần giải
quyết.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.9
1.3. Mối quan hệ giữa cấu trúc dữ liệu
và giải thuật
l Xét tới giải thuật thì phải xét giải thuật đó tác
động trên cấu trúc dữ liệu nào.
l Xét tới cấu trúc dữ liệu thì phải hiểu cấu trúc dữ
liệu đó cần được tác động bằng giải thuật gì để
được kết quả mong muốn.
l Cấu trúc dữ liệu nào thì giải thuật đó. Khi cấu
trúc dữ liệu thay đổi giải thuật cũng thay đổi
theo.
l Mối quan hệ giữa cấu trúc dữ liệu và giải thuật
được Niklaus Wirth tổng kết như sau:
Cấu trúc dữ liệu + Giải thuật = Chương trình
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.10
2. Các cách diễn đạt giải thuật
2.1. Liệt kê các bước bằng lời
l Trong cách diễn đạt này ta phải viết từng bước
làm công việc gì: Bước 1, Bước 2….
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.11
2. Các cách diễn đạt giải thuật
2.2. Lưu đồ giải thuật
l Lưu đồ giải thuật là một sơ đồ có hướng diễn
đạt các bước thực hiện của giải thuật.
l Lưu đồ giải thuật giúp người lập trình xem xét
sự làm việc của giải thuật khá chi tiết và cụ thể.
l Lưu đồ giải thuật bao gồm các hình cơ bản nối
với nhau bởi các đường có hướng.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.12
2.1. Lưu đồ giải thuật (tiếp)
l Các hình cơ bản trong lưu đồ giải thuật
gồm có:
l Hình elíp thể hiện sự bắt đầu và kết thúc của
giải thuật.
Bắt đầu
Kết thúc
l Hình chữ nhật chỉ các thao tác, công việc cần
thực hiện.
Công việc
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.13
2.1. Lưu đồ giải thuật (tiếp)
l Các hình cơ bản trong lưu đồ giải thuật
gồm có:
l Hình thoi thể hiện các điệu kiện. Hình này có
một đường vào và hai đường ra ứng với hai
trường hợp điều kiện đúng hoặc điều kiện sai.
Sai
Điều kiện
Đúng
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.14
Ví dụ: Lưu đồ giải thuật tìm giá trị lớn nhất
trong mảng số A có n phần tử
Bắt đầu
max := A(1)
i := 2
S
i <= n
Đ
In giá trị max
S
A(i) > max
Đ
Kết thúc
max := A(i)
i := i + 1
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.15
2.3. Giả mã
l Giả mã là giả ngôn ngữ lập trình (tựa ngôn
ngữ lập trình).
l Trong cách diễn đạt giải thuật bằng giả
mã, người ta sử dụng ngôn ngữ tự nhiên
cùng với các cấu trúc chuẩn của một ngôn
ngữ lập trình (Pascal) để mô tả giải thuật.
Vì sử dụng cả ngôn ngữ tự nhiên nên có
thể sử dụng các ký hiệu toán học để bản
mô tả giải thuật ngắn gọn, dễ hiểu hơn.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.16
2.3.1. Quy định chung
l Tên chương trình viết bằng chữ hoa, có
thể thêm dấu gạch ngang và đặt sau từ
Program
l Lời chú thích đặt giữa hai dấu ngoặc {….}.
Lời chú thích được quy ước dùng tiếng
Việt.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.17
2.2.2. Biểu thức
l Các phép toán:
l Số học: +, -, *, /, ^, DIV, MOD
l Quan hệ: < , = , > , £ , ³ , ¹
l Logic: NOT, AND, OR, XOR
l Các giá trị Logic là True, False
l Tên biến là một dãy chữ cái, chữ số, dấu gạch
nối ( _ ), bắt đầu bằng chữ cái, độ dài không
giới hạn.
l Biến chỉ số: Tên[chỉ số] Ví dụ : a[i], b[i,j]
l Biểu thức tương tự như Pascal.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.18
2.2.3. Câu lệnh
l Các câu lệnh thể hiện các thao tác, công việc
cần thực hiện. Các câu lệnh được viết viết cách
nhau bởi dấu ;
l Phép toán gán được ký hiệu bởi dấu := hoặc ¬
l Phép hoán đổi giá trị được ký hiệu bởi dấu :=:
hoặc «
l Cấu trúc tuần tự: Liệt kê các công việc, các thao
tác theo thứ tự. Để cho việc theo dõi được thuận
tiện có thể đánh thêm thứ tự 1), 2), 3)… hoặc a),
b), c)…
l Câu lệnh ghép:
Begin s1; s2; ... ; sn; end
Trong đó si là câu lệnh i
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.19
2.2.3. Câu lệnh
lCâu lệnh điều kiện:
lif B then S;
lif B then S1 else S2;
trong đó B là biểu thức
logic, S là câu lệnh.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.20
2.2.3. Câu lệnh
l Câu lệnh lựa chọn:
CASE
B1: S1;
B2: S2;
. . .
Bn: Sn;
ELSE Sn+1;
END CASE
Với Bi (i=1, 2,…, n) là các điều kiện
Si (i=1, 2,…, n) là các câu lệnh
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.21
2.2.3. Câu lệnh
l Câu lệnh lặp:
lLặp với số lần lặp biết trước:
FOR i:=m TO n DO S;
FOR i:= n DOWNTO m DO S;
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.22
2.2.3. Câu lệnh
Lặp với số lần lặp không biết trước:
lKiểm tra điều kiện trước:
WHILE B DO S;
lKiểm tra điều kiện sau:
REPEAT S UNTIL B;
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.23
2.2.3. Câu lệnh
l Câu lệnh chuyển:
GOTO n;
trong đó n là số hiệu của một bước trong
giải thuật.
l Câu lệnh vào ra:
l READ(danh sách biến);
l WRITE(danh sách hằng, biến, biểu thức);
l Câu lệnh kết thúc: END.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.24
Cấu trúc giả mã chương trình
l Vào:
l Ra:
{Mô tả}
Program TenCT;
1)
2)
….
End.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.25
2.2.4. Chương trình con
2.2.4.1. Chương trình con dạng hàm
- Vào:
- Ra:
{Mô tả }
FUNCTION Tên_hàm(danh sách tham số)
S1; S2; . . .; Sn;
Tên_hàm:= biểu thức; {Giá trị trả về của hàm}
RETURN
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.26
2.2.4. Chương trình con
2.2.4.2. Chương trình con dạng thủ tục
- Vào:
- Ra: không có
{Mô tả}
PROCEDURE Tên_thủ_tục(danh sách tham số)
S1; S2; . . .; Sn;
RETURN
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.27
2.2.4.3. Lời gọi chương trình con
l Lời gọi chương trình con dạng hàm
Tên_hàm( danh sách tham số thực sự)
l Lời gọi chương trình con dạng thủ tục
CALL Tên_thủ_tục( danh sách tham số thực sự)
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.28
Bài tập
l Tìm USCLN của hai số nguyên dương a
và b.
l BTVN: Tính gần đúng e^x với độ c.xác
epsilon = 0.0001
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.29
Bài tập
l Viết giả mã cộng hai ma trận có kích
thước mxn. Y/c sử dụng chương trình
con.
l Viết giả mã nhân hai ma trận. Y/c sử dụng
chương trình con.
l Viết giả mã tìm và đưa ra các số nguyên
tố nhỏ hơn số nguyên dương n cho trước.
Y/c sử dụng chương trình con.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.30
3. Thiết kế và phân tích giải thuật
3.1. Thiết kế thuật giải
3.1.1. Mô đun hóa việc giải quyết bài toán
l Khi thiết kế giải thuật ta sử dụng phương pháp mô
đun hoá. Nội dung của phương pháp mô đun hoá là
coi bài toán lớn như một mô đun chính và phân chia
nó thành các mô đun con, mỗi mô đun con lại được
phân chia tiếp, cho tới những mô đun ứng với các
phần việc cơ bản mà ta đã biết cách giải quyết.
l Với phương pháp mô đun hoá bài toán thì lời giải của
bài toán được tổ chức theo cấu trúc cây (phân cấp)
có dạng như sau:
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.1
3.1.1. Mô đun hóa và việc giải quyết
bài toán
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.2
3.1.1. Mô đun hóa việc giải quyết bài toán
(tiếp)
l Chiến thuật giải quyết bài toán là chiến thuật “
chia để trị”, để thể hiện chiến thuật đó người ta
dùng cách thiết kế “từ đỉnh xuống” (Top -
Down).
l Cách thiết kế Top - Down hay thiết kế từ khái
quát đến đến chi tiết thể hiện như sau: Phân tích
tổng quát toàn bộ vấn đề xuất phát từ dữ liệu và
mục tiêu đề ra, đề cập đến vấn đề chủ yếu, rồi
sau đó mới đi dần vào giải quyết các vấn đề cụ
thể một cách chi tiết hơn.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.3
3.1.1. Mô đun hóa việc giải quyết bài toán
(tiếp)
l Ví dụ: Bài toán đặt ra là dùng máy vi tính để
quản lý lương của cán bộ trong xí nghiệp.
l Phân tích tổng quát bài toán:
l Dữ liệu vào là một tệp hồ sơ về lương, bao gồm các
bản ghi chứa các thông tin về lương của cán bộ. Bản
ghi gồm các trường: mã, họ và tên, đơn vị, hệ số
lương, phụ cấp, nợ.
l Chương trình lập ra phải cho người sử dụng thực
hiện được các công việc chính sau:
1. Tìm kiếm thông tin
2. Cập nhật thông tin
3. In các bảng tổng hợp lương
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.4
3.1.1. Mô đun hóa việc giải quyết bài toán
(tiếp)
l Xuất phát từ phân tích tổng quát ở trên ta
thấy thuật giải xử lý phải giải quyết được 3
vấn đề sau:
1. Đọc tệp: Đọc thông tin từ đĩa từ vào bộ nhớ
2. Xử lý tệp: Xử lý các thông tin để đưa ra kết
quả mong muốn
3. Ghi tệp: Lưu trữ thông tin mới nhất vào tệp.
Trên cơ sở này ta đưa ra sơ đồ giải thuật
tổng quát như sau:
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.5
Sơ đồ giải thuật tổng quát
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.6
Ví dụ (tiếp)
l Các nhiệm vụ trên còn phức tạp, cần phải
phân chia ra thành các nhiệm vụ con.
Chẳng hạn nhiệm vụ “ XỬ LÝ TÊP” được
phân chia ra thành 3 nhiệm vụ con:
1. Tìm kiếm bản ghi
2. Cập nhật bản ghi
3. In bản lương
Những nhiệm vụ con lại được chia ra
thành các nhiệm vụ nhỏ hơn theo sơ đồ
sau:
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.7
Sơ đồ giải thuật chi tiết
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.8
3.1.1. Mô đun hóa việc giải quyết bài toán
(tiếp)
l Ưu điểm của cách thiết kế Top - Down:
l Giải quyết bài toán có định hướng, tránh sa đà vào
các chi tiết phụ.
l Làm nền tảng cho lập trình có cấu trúc.
l Bài toán do nhiều người cùng làm, phương pháp mô
đun hoá tách bài toán thành nhiều bài toán con tạo
cho các nhóm làm việc độc lập, không ảnh hưởng
đến nhóm khác.
l Chương trình xây dựng trên giải thuật thiết kế theo
kiểu Top - Down dễ dàng trong chỉnh sửa.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.9
3.1.2. Phương pháp tinh chỉnh
từng bước
l Phương pháp tinh chỉnh từng bước là phương pháp
thiết kế giải thuật gắn liền với lập trình, nó phản ánh tinh
thần của quá trình mô đun hóa bài toán và thiết kế kiểu
Top - Down.
l Phương pháp này thể hiện như sau: Đầu tiên trình bày
giải thuật bằng ngôn ngữ tự nhiên để phản ánh ý chính
của công việc cần làm. Các bước tiếp theo sẽ chi tiết
hoá dần dần, tương ứng với các công việc nhỏ hơn, gọi
là các bước tinh chỉnh. Càng ở các bước sau thì công
việc được mô tả hướng tới các lệnh của giả mã.
Ngôn ngữ tự nhiên ® Các bước tinh chỉnh ® Giả mã
Trong quá trình này dữ liệu cũng được tinh chỉnh dần từ
dạng cấu trúc đến dạng cài đặt cụ thể.
Ngô Công Thắng
Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 01
1.10
Tải về để xem bản đầy đủ
42 trang
17020
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Chương 1: Cấu trúc dữ liệu và giải thuật - Ngô Công Thắng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_cau_truc_du_lieu_va_giai_thuat_chuong_1_cau_truc_d.pdf
