8 лучших алгоритмов, которые должен знать каждый программист

В программировании алгоритм — это набор инструкций или процедура для решения конкретной проблемы или достижения конкретной задачи. Алгоритмы могут быть выражены на любом языке программирования и могут быть как простыми, как, например,последовательность основных операций, так и сложными, как многоэтапный процесс, включающий различные структуры данных и логику.

Основная цель алгоритма — принять входные данные, обработать их и предоставить ожидаемый результат. Алгоритмы можно классифицировать на основе временной и пространственной сложности, метода, используемого для решения проблемы, и типа решаемой проблемы. Примерами алгоритмов являются: сортировка, поиск, обход графа, манипуляции со строками, математические операции и многое другое.
 

Алгоритмы, о которых мы будем говорить:

1. Алгоритмы сортировки (Sorting algorithms): Сортировка является фундаментальной операцией в компьютерных науках, и для нее существует несколько эффективных алгоритмов, таких как быстрая сортировка, сортировка слиянием и сортировка в куче.
2. Алгоритмы поиска (Search algorithms): Поиск элемента в большом наборе данных — распространенная задача, и для нее существует несколько эффективных алгоритмов, таких как бинарный поиск и хеш-таблицы.
3. Алгоритмы графов (Graph algorithms): Алгоритмы графов используются для решения задач, связанных с графами, таких как поиск кратчайшего пути между двумя узлами или определение связности графа.
4. Динамическое программирование (Dynamic programming): Динамическое программирование — это метод решения проблем путем их разбиения на более мелкие подзадачи и сохранения решений этих подзадач во избежание избыточных вычислений.
5. Жадные алгоритмы (Greedy algorithms): Жадные алгоритмы используются для решения задач оптимизации, делая локально оптимальный выбор на каждом шаге в надежде найти глобальный оптимум.
6. Разделяй и властвуй (Divide and Conquer): Разделяй и властвуй — это парадигма разработки алгоритма, основанная на многоветвящейся рекурсии. Алгоритм «разделяй и властвуй» разбивает проблему на подзадачи того же или родственного типа, пока они не станут достаточно простыми, чтобы их можно было решить напрямую.
7. Отслеживание с возвратом (Backtracking): это общий алгоритмический метод, который рассматривает систематический поиск всех возможных комбинаций и отказывается от определенного пути, как только определяет, что он не может быть частью решения.
8. Рандомизированный алгоритм (Randomized Algorithm): Рандомизированные алгоритмы используют случайность для решения проблемы. Это может быть полезно для решения проблем, которые не могут быть решены детерминистически, или для повышения средней сложности задачи.
 

Эти алгоритмы широко используются в различных приложениях, и для программиста важно иметь четкое представление о них.

1. Алгоритмы сортировки (Sorting algorithms):

1) Быстрая сортировка (Quicksort): Быстрая сортировка — это алгоритм «разделяй и властвуй», который выбирает «основной» элемент из массива и разбивает остальные элементы на два подмассива в зависимости от того, меньше они или больше опорного. Затем подмассивы сортируются рекурсивно.

 

2) Сортировка слиянием (Merge Sort): Алгоритм сортировки слиянием — это алгоритм «разделяй и властвуй», который делит массив на две части, сортирует две половины, а затем снова объединяет их.



3) Сортировка кучей (Heap Sort): Алгоритм сортировки кучей — это алгоритм сортировки на основе сравнения, который строит кучу из входных элементов, а затем многократно извлекает максимальный элемент из кучи и помещает его в конец отсортированного выходного массива.

2. Алгоритмы поиска (Search algorithms):
 

1) Двоичный поиск (Binary Search). Двоичный поиск — это эффективный алгоритм поиска элемента в отсортированном списке элементов. Он работает путем многократного деления пополам искомой части массива, пока не будет найдено целевое значение.



2) Хеш-таблицы (Hash Tables): хэш-таблица — это структура данных, которая сопоставляет ключи со значениями, используя хеш-функцию для вычисления индекса в массиве сегментов или слотов, из которых можно найти желаемое значение.

3. Графический алгоритм (Graph Algorithm):

Алгоритм кратчайшего пути Дейкстры: Алгоритм кратчайшего пути Дейкстры — это алгоритм поиска кратчайшего пути между узлами в графе.



4. Динамическое программирование (Dynamic Programming): 
 

Последовательность Фибоначчи. Классическим примером проблемы, которую можно решить с помощью динамического программирования, является последовательность Фибоначчи.

5. Жадные алгоритмы (Greedy Algorithms):

Кодинг Хаффмана: алгоритм сжатия данных без потерь, в котором используется жадный алгоритм для создания префиксного кода для заданного набора символов.

6. Разделяй и властвуй (Divide and Conquer):

Сортировка слиянием (Merge Sort): уже описали выше
 

7. Бэктрекинг (Backtracking):

Проблема N-ферзей (The N-Queens Problem): классическая проблема, которую можно решить с помощью поиска с возвратом. Цель состоит в том, чтобы разместить N ферзей на шахматной доске NxN таким образом, чтобы ни один ферзь не мог атаковать другого ферзя.

Этот алгоритм начинает размещать ферзей в первом ряду и для каждого размещенного ферзя проверяет, не атакован ли он каким-либо предыдущим ферзем. Если нет, он переходит к следующей строке и повторяет процесс. Если ферзь находится в позиции, где он подвергается атаке, алгоритм отступает и пробует другую позицию. Это продолжается до тех пор, пока все ферзи не будут размещены на доске, не атакуя друг друга.
 

8. Рандомизированный алгоритм (Randomized Algorithm):

Рандомизированная быстрая сортировка: вариант алгоритма быстрой сортировки, в котором точка опоры выбирается случайным образом.

Это некоторые из наиболее часто используемых алгоритмов, с которыми должен быть знаком каждый программист. Понимание этих алгоритмов и их реализации может помочь программисту принимать лучшие решения, когда речь идет о разработке и реализации эффективных решений.

Перевод статьи: https://python.plainenglish.io/top-8-algorithms-every-programmer-should-know-93c826267938