新手如何入門Python算法？

學(xué)會了Python基礎(chǔ)知識，想進(jìn)階一下，那就來點(diǎn)算法吧！畢竟編程語言只是工具，結(jié)構(gòu)算法才是靈魂。

新手如何入門Python算法？

幾位印度小哥在GitHub上建了一個(gè)各種Python算法的新手入門大全。從原理到代碼，全都給你交代清楚了。為了讓新手更加直觀的理解，有的部分還配了動(dòng)圖。

標(biāo)星已經(jīng)達(dá)到2.7W

給出Github地址?

https://github.com/TheAlgorithms/Python

這個(gè)項(xiàng)目主要包括兩部分內(nèi)容：一是各種算法的基本原理講解，二是各種算法的代碼實(shí)現(xiàn)。

算法的代碼實(shí)現(xiàn)

算法的代碼實(shí)現(xiàn)給的資料也比較豐富，除了算法基礎(chǔ)原理部分的Python代碼，還有包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)等等代碼實(shí)現(xiàn)。

例如在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，給出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及感知機(jī)等。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代碼示例

代碼以Python文件格式保存在Github上，需要的同學(xué)可以自行保存下載。

再次給出github地址：

https://github.com/TheAlgorithms/Python

算法原理

在算法原理部分主要介紹了排序算法、搜索算法、插值算法、跳躍搜索算法、快速選擇算法、禁忌搜索算法、加密算法等。

當(dāng)然，除了文字解釋之外，還給出了幫助更好理解算法的相應(yīng)資源鏈接，包括維基百科、動(dòng)畫交互網(wǎng)站鏈接。

例如，在一些算法部分中，其給出的動(dòng)畫交互鏈接，非常完美幫助理解算法的運(yùn)行機(jī)制。

交互動(dòng)畫地址：

https://www.toptal.com/developers/sorting-algorithms/bubble-sort

排序算法

冒泡排序

冒泡排序，有時(shí)也被稱做沉降排序，是一種比較簡單的排序算法。這種算法的實(shí)現(xiàn)是通過遍歷要排序的列表，把相鄰兩個(gè)不符合排列規(guī)則的數(shù)據(jù)項(xiàng)交換位置，然后重復(fù)遍歷列表，直到不再出現(xiàn)需要交換的數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)項(xiàng)需要交換時(shí)，則表明該列表已排序。

桶排序算法

桶排序(Bucket sort) 或所謂的箱排序，是一個(gè) 排序算法 ，工作的原理是將數(shù)組分到有限數(shù)量的桶子里。每個(gè)桶子再個(gè)別排序，有可能再使用別的排序算法或是以遞歸方式繼續(xù)使用桶排序進(jìn)行排序。

雞尾酒排序

雞尾酒排序，也就是定向冒泡排序，雞尾酒攪拌排序，攪拌排序（也可以視作選擇排序的一種變形），漣漪排序，來回排序或快樂小時(shí)排序，都是冒泡排序的一種變形。此算法與冒泡排序的不同處在于排序時(shí)是以雙向在序列中進(jìn)行排序。

譯者注：

雞尾酒排序等于是冒泡排序的輕微變形。不同的地方在于從低到高然后從高到低，而冒泡排序則僅從低到高去比較序列里的每個(gè)元素。他可以得到比冒泡排序稍微好一點(diǎn)的性能，原因是冒泡排序只從一個(gè)方向進(jìn)行比對（由低到高），每次循環(huán)只移動(dòng)一個(gè)項(xiàng)目。

以序列(2,3,4,5,1)為例，雞尾酒排序只需要訪問一次序列就可以完成排序，但如果使用冒泡排序則需要四次。但是在隨機(jī)數(shù)序列的狀態(tài)下，雞尾酒排序與冒泡排序的效率都很差勁。

插入排序

插入排序（Insertion Sort）是一種簡單直觀的排序算法。它的工作原理是通過構(gòu)建有序序列，對于未排序數(shù)據(jù)，在已排序序列中從后向前掃描，找到相應(yīng)位置并插入。插入排序在實(shí)現(xiàn)上，通常采用in-place排序的額外空間的排序，因而在從后向前掃描過程中，需要反復(fù)把已排序元素逐步向后挪位，為最新元素提供插入空間。

歸并排序

歸并排序（Merge sort，或mergesort），是創(chuàng)建在歸并操作上的一種有效的排序算法，效率為O(n log n)（大O符號）。1945年由約翰·馮·諾伊曼首次提出。該算法是采用分治法（Divide and Conquer）的一個(gè)非常典型的應(yīng)用，且各層分治遞歸可以同時(shí)進(jìn)行。

堆（Heap）

堆（Heap）是一種基于比較的排序算法。它可以被認(rèn)為是一種改進(jìn)的選擇排序。它將其輸入劃分為已排序和未排序的區(qū)域，并通過提取最大元素,將其移動(dòng)到已排序區(qū)域來迭代縮小未排序區(qū)域。

譯者注：

Heap 始于 J._W._J._Williams 在 1964 年發(fā)表的堆排序（heap sort），當(dāng)時(shí)他提出了二叉堆樹作為此算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在隊(duì)列中，調(diào)度程序反復(fù)提取隊(duì)列中第一個(gè)作業(yè)并運(yùn)行，因?yàn)閷?shí)際情況中某些時(shí)間較短的任務(wù)將等待很長時(shí)間才能結(jié)束，或者某些不短小，但具有重要性的作業(yè)，同樣應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)先權(quán)。堆即為解決此類問題設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

基數(shù)排序

基數(shù)排序（Radix sort）是一種非比較型整數(shù)排序算法，其原理是將整數(shù)按位數(shù)切割成不同的數(shù)字，然后按每個(gè)位數(shù)分別比較。由于整數(shù)也可以表達(dá)字符串（比如名字或日期）和特定格式的浮點(diǎn)數(shù)，所以基數(shù)排序也不是只能使用于整數(shù)?；鶖?shù)排序的發(fā)明可以追溯到1887年赫爾曼·何樂禮在打孔卡片制表機(jī)（Tabulation Machine）上的貢獻(xiàn)。

選擇排序

選擇排序（Selection sort）是一種簡單直觀的排序算法。它的工作原理如下。首先在未排序序列中找到最?。ù螅┰?，存放到排序序列的起始位置，然后，再從剩余未排序元素中繼續(xù)尋找最?。ù螅┰兀缓蠓诺揭雅判蛐蛄械哪┪?。以此類推，直到所有元素均排序完畢。

Shell排序

ShellSort是插入排序的一種推廣，允許交換相距很遠(yuǎn)的項(xiàng)。思路是安排元素列表，以便從任何地方開始，考慮到每個(gè)第n個(gè)元素都會給出一個(gè)排序列表。這樣的列表叫做h排序。等效地，可以被認(rèn)為是h交錯(cuò)列表，每個(gè)元素都是單獨(dú)排序的。

拓?fù)?/p>

拓?fù)渑判蚧蛴邢驁D的拓?fù)渑判蚴瞧漤旤c(diǎn)的線性排序，使得對于從頂點(diǎn)u到頂點(diǎn)v的每個(gè)有向邊uv，u在排序中位于v之前。例如，圖的頂點(diǎn)可以表示要執(zhí)行的任務(wù)，并且邊可以表示一個(gè)任務(wù)必須在另一個(gè)之前執(zhí)行的約束；在這個(gè)應(yīng)用程序中，拓?fù)渑判蛑皇侨蝿?wù)的有效序列。當(dāng)且僅當(dāng)圖形沒有有向循環(huán)時(shí)，即，如果它是有向非循環(huán)圖，則拓?fù)渑判蚴强赡艿模―AG）。任何DAG都具有至少一個(gè)拓?fù)渑判?，并且已知算法用于在線性時(shí)間內(nèi)構(gòu)建任何DAG的拓?fù)渑判颉?/p>

時(shí)間復(fù)雜折線圖

比較排序算法的復(fù)雜性（冒泡排序，插入排序，選擇排序）

比較排序算法：

Quicksort是一種非?？焖俚乃惴?，但實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)棘手。Bubble sort是一種慢速算法，但很容易實(shí)現(xiàn)。為了對小數(shù)據(jù)集進(jìn)行排序，冒泡排序可能是一個(gè)更好的選擇。

搜索算法

線性搜索

線性搜索或順序搜索是用于在列表中查找目標(biāo)值的方法。它按順序檢查列表中的每個(gè)元素的目標(biāo)值，直到找到匹配或直到搜索完所有元素。

假設(shè)一個(gè)數(shù)組中有N個(gè)元素，最好的情況就是要尋找的特定值就是數(shù)組里的第一個(gè)元素，這樣僅需要1次比較就可以。而最壞的情況是要尋找的特定值不在這個(gè)數(shù)組或者是數(shù)組里的最后一個(gè)元素，這就需要進(jìn)行N次比較。

Binary 二進(jìn)制搜索

二進(jìn)制搜索，也稱為半間隔搜索或?qū)?shù)搜索，用于查找已排序數(shù)組中目標(biāo)值的位置。它將目標(biāo)值與數(shù)組的中間元素進(jìn)行比較，如果它們不相等，則目標(biāo)的一半被消除，并且在剩下的一半上繼續(xù)搜索直到成功。

插值搜索

插值搜索是一種用于搜索已按照鍵值的數(shù)值排序的數(shù)組中鍵的算法。

最先由WW Peterson在1957年描述。插值搜索類似于人們在電話目錄中搜索名稱的方法（用于訂購書籍條目的關(guān)鍵值）：在每個(gè)步驟中，算法計(jì)算剩余搜索空間中的位置，基于搜索空間邊界處的鍵值和所尋找的鍵的值，通常可以通過線性插值來尋找項(xiàng)目。

相比之下，二進(jìn)制搜索總是選擇剩余搜索空間的中間，丟棄一半或另一半，這取決于在估計(jì)位置找到的密鑰與所尋找的密鑰之間的比較。剩余的搜索空間縮小到估計(jì)位置之前或之后的部分。線性搜索僅使用相等性，因?yàn)樗鼜囊婚_始就逐個(gè)比較元素，忽略任何排序。

平均插值搜索使得log（log（n））比較（如果元素均勻分布），其中n是要搜索的元素的數(shù)量。在最壞的情況下（例如，鍵的數(shù)值以指數(shù)方式增加），它可以構(gòu)成O（n）比較。

在插值順序搜索中，插值用于查找正在搜索的項(xiàng)目附近的項(xiàng)目，然后使用線性搜索來查找確切項(xiàng)目。

跳轉(zhuǎn)搜索

跳轉(zhuǎn)搜索是指有序列表的搜索算法。它首先檢查所有項(xiàng)目的Lkm，其中K∈N，并且m是塊大小，直到找到大于搜索關(guān)鍵字的項(xiàng)目。為了在列表中找到搜索關(guān)鍵字的確切位置，在子列表L[（k-1）m，km]上執(zhí)行線性搜索。

m的最優(yōu)值是√n，其中n是列表L的長度。因?yàn)樗惴ǖ膬蓚€(gè)步驟最多都是√n項(xiàng)，所以算法在O（√n）時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。這比線性搜索更好，但比二分搜索差。優(yōu)于后者的優(yōu)點(diǎn)是跳轉(zhuǎn)搜索只需要向后跳一次，而二進(jìn)制可以向后跳轉(zhuǎn)到記錄n次。

在最終執(zhí)行線性搜索之前，可以通過在子列表上執(zhí)行多級跳轉(zhuǎn)搜索來修改算法。對于k級跳躍搜索，第l級的最佳塊大小ml（從1開始計(jì)數(shù)）是n（k1）/k。修改后的算法將執(zhí)行k個(gè)向后跳轉(zhuǎn)并在O（kn1/（k+ 1））時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

快速選擇算法

快速選擇（Quicksort）是一種從無序列表找到第k小元素的選擇算法。它從原理上來說與快速排序有關(guān)。與快速排序一樣都由托尼·霍爾提出的，因而也被稱為霍爾選擇算法。同樣地，它在實(shí)際應(yīng)用是一種高效的算法，具有很好的平均時(shí)間復(fù)雜度，然而最壞時(shí)間復(fù)雜度則不理想?？焖龠x擇及其變種是實(shí)際應(yīng)用中最常使用的高效選擇算法。

快速選擇的總體思路與快速排序一致，選擇一個(gè)元素作為基準(zhǔn)來對元素進(jìn)行分區(qū)，將小于和大于基準(zhǔn)的元素分在基準(zhǔn)左邊和右邊的兩個(gè)區(qū)域。不同的是，快速選擇并不遞歸訪問雙邊，而是只遞歸進(jìn)入一邊的元素中繼續(xù)尋找。這降低了平均時(shí)間復(fù)雜度，從O(n log n)至O(n)，不過最壞情況仍然是O(n2)。

禁忌搜索

禁忌搜索(Tabu Search,TS,又稱禁忌搜尋法）是一種現(xiàn)代啟發(fā)式算法，由美國科羅拉多大學(xué)教授Fred Glover在1986年左右提出的，是一個(gè)用來跳脫局部最優(yōu)解的搜索方法。其先創(chuàng)立一個(gè)初始化的方案；基于此，算法“移動(dòng)”到一相鄰的方案。經(jīng)過許多連續(xù)的移動(dòng)過程，提高解的質(zhì)量。

密碼

凱撒密碼

凱撒密碼，也稱為凱撒密碼，移位密碼，凱撒代碼或凱撒移位，是最簡單和最廣為人知的加密技術(shù)之一。

它是一種替換密碼，其中明文中的每個(gè)字母都被字母表中的一些固定數(shù)量的位置的字母替換。例如，左移3，D將被A替換，E將變?yōu)锽，依此類推。

該方法以Julius Caesar的名字命名，最初是他在私人通信中使用了它。由Caesar密碼執(zhí)行的加密步驟通常作為更復(fù)雜的方案的一部分，例如Vigenère密碼，并且仍然在ROT13系統(tǒng)中具有現(xiàn)代應(yīng)用。與所有單字母替換密碼一樣，Caesar密碼很容易破解，在現(xiàn)代實(shí)踐中基本上沒有通信安全性。

Vigenère密碼

Vigenère密碼是一種通過使用基于關(guān)鍵字字母的一系列交織的凱撒密碼來加密字母文本的方法。它是一種多字母替代形式。

Vigenère密碼該方法最初由Giovan Battista Bellaso在其1553年的書“La cifra del”中提出。然而，該計(jì)劃后來在19世紀(jì)被誤用于BlaisedeVigenère，現(xiàn)在被廣泛稱為“Vigenère密碼”。

雖然該密碼易于理解和實(shí)施，但三個(gè)世紀(jì)以來它一直抵制所有打破密碼的企圖，因此也被稱為這lechiffreindéchiffrable（法語為“難以理解的密碼”）。Friedrich Kasiski是第一個(gè)在1863年發(fā)表破譯Vigenère密碼的通用方法。

轉(zhuǎn)置密碼

轉(zhuǎn)置密碼是一種加密方法，通過該加密方法，明文單元（通常是字符或字符組）所保持的位置根據(jù)常規(guī)系統(tǒng)移位，使得密文構(gòu)成明文的排列。也就是說，單位的順序改變（明文被重新排序）。

在數(shù)學(xué)上，雙字符函數(shù)用于加密字符的位置和用于解密的反函數(shù)。

RSA (Rivest–Shamir–Adleman)

RSA加密算法是一種非對稱加密算法。在公開密鑰加密和電子商業(yè)中RSA被廣泛使用。RSA是1977年由羅納德·李維斯特（Ron Rivest）、阿迪·薩莫爾（Adi Shamir）和倫納德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。當(dāng)時(shí)他們?nèi)硕荚诼槭±砉W(xué)院工作。RSA就是他們?nèi)诵帐祥_頭字母拼在一起組成的。

1973年，在英國政府通訊總部工作的數(shù)學(xué)家克利福德·柯克斯（Clifford Cocks）在一個(gè)內(nèi)部文件中提出了一個(gè)與之等效的算法，但該算法被列入機(jī)密，直到1997年才得到公開。

ROT13

ROT13（“旋轉(zhuǎn)13個(gè)位置”，有時(shí)用連字符ROT-13）是一個(gè)簡單的字母替換密碼，用字母表后面的第13個(gè)字母替換一個(gè)字母。ROT13是古羅馬開發(fā)的Caesar密碼的特例。

因?yàn)榛纠∽帜钢杏?6個(gè)字母（2×13），所以ROT13是自身的反轉(zhuǎn)，也就是說，要撤消ROT13需要相同的算法，因此可以使用相同的動(dòng)作進(jìn)行編碼和解碼。該算法幾乎不提供加密安全性，并且經(jīng)常被引用為弱加密的典型示例。