《深入浅出基础》课件

《深入浅出基础》课件PPT欢迎来到《深入浅出基础》课程，这是一套专为计算机基础、编程与算法竞赛入门者设计的全面学习材料本课程特别适合参加竞赛的初学NOIP/CSP者以及刚入学的高校新生我们将通过循序渐进的教学方法，带领你从零开始掌握程序设计与基础算法知识，建立坚实的计算机科学基础在课程中，我们注重理论与实践相结合，通过丰富的案例与实战练习，帮助你快速提升编程能力课程目标与内容结构掌握计算机基础知识理解计算机系统的基本组成、工作原理及程序执行过程，为后续学习打下坚实基础学习程序设计核心概念从变量、数据类型到控制结构，建立系统化的编程思维掌握基础算法原理学习排序、查找等经典算法，培养解决问题的能力和逻辑思维实战训练与应用通过大量实践案例，提升实际编程能力，为参加竞赛做好准备第一篇认识计算机与编程学习路径设计从零基础到掌握基本编程能力，我们设计了一套循序渐进的学习计划，确保每位学生都能跟上学习进度竞赛介绍详细了解、等信息学竞赛的规则、题型和评分标准，NOIP CSP为参赛做好准备基础知识铺垫学习计算机系统的基本组成和工作原理，为理解程序执行过程打下基础计算机系统基础硬件组成软件系统计算机的物理部分由中央处理器、内存、硬盘、软件可分为系统软件和应用软件系统软件包括操作系统、驱动CPU RAM主板和各种输入输出设备组成负责执行指令，提供程序等，控制硬件并提供运行环境；应用软件则用于完成特定任CPU RAM临时存储，硬盘则进行长期数据存储务这些硬件组件协同工作，构成了完整的计算机系统理解这些基作为程序员，我们编写的程序本质上是一系列指令的集合，通过本组件的功能，有助于我们更好地了解程序如何在计算机上运行操作系统与硬件交互，完成特定功能编程语言则是我们与计算机沟通的桥梁程序是什么程序的定义程序的作用程序是按照特定顺序排列的一组程序使计算机能够执行各种复杂指令，用于指导计算机完成特定任务，从简单的计算到复杂的数任务程序的本质是解决问题的据处理、图像识别等程序使计方法和步骤，通过编程语言表达，算机成为通用工具，能够适应各由计算机执行种不同的应用场景现实生活中的程序手机应用、网页浏览器、游戏、电子表格软件等都是程序的例子甚至家用电器如智能冰箱、微波炉也都包含程序来控制其功能编译与运行环境源代码编写编译过程链接阶段程序执行使用文本编辑器或创建编译器将高级语言转换为机将目标文件与库文件链接生操作系统加载并运行可执行IDE包含程序逻辑的源文件器码成可执行文件文件编程语言的类型高级语言低级语言更接近人类语言，易于学习和使用机器语言和汇编语言，与硬件直接相关•C/C++汇编语言•Assembly•Python机器代码••Java特定领域语言脚本语言为特定应用领域设计的语言通常解释执行，用于网页开发和自动化（数据库）•SQL•JavaScript（科学计算）•MATLAB•PHP第一个程序Hello World#include stdio.hint main{printfHello,World!\n;return0;}这是一个简单的语言程序程序首先包含标准输入输出库，然后定义函数作为程序入口函数用于在控制台输出文本，最后表示程序正常结束这个简单的程序展示C HelloWorld mainprintf return0了语言的基本结构，是理解更复杂程序的第一步C开发调试实践数据输入输出掌握学习如何使用函数接收用户输入，以及使用函数格式化输出scanf printf结果这是与用户交互的基础，也是处理数据的第一步输入输出函数的正确使用是调试的关键环节调试信息输出在代码中插入语句输出中间变量值，帮助跟踪程序执行流程printf通过观察变量在不同阶段的值变化，可以确定程序是否按预期运行，这是最基本的调试技巧断点调试技术使用的断点调试功能，逐行执行程序并观察变量变化这种IDE交互式调试方法让你可以精确控制程序执行过程，深入了解程序内部运行机制第二篇程序基本结构输出显示结果，提供反馈处理数据运算与逻辑操作输入获取必要的数据程序的基本结构可以概括为输入处理输出模式首先，程序接收来自用户或其他来源的输入数据；然后，根据程序逻辑对这些数据进--行处理和计算；最后，将处理结果以适当的形式输出给用户这一结构适用于几乎所有类型的程序，从简单的计算器应用到复杂的企业级软件理解这一基本结构，有助于我们从宏观角度把握程序设计的本质顺序结构程序设计程序启动执行函数的第一条语句main顺序执行按照代码的书写顺序，从上到下逐条执行语句程序结束执行到函数的语句或最后一条语句main return顺序结构是最基本的程序结构，程序按照代码的书写顺序从上到下依次执行在这种结构中，每条语句都会按照它们在程序中出现的顺序执行，一个接一个，没有跳转或重复以下是计算两数之和的例子首先接收用户输入的两个数，然后将它们相加，最后输出结果整个过程按照固定的顺序执行，没有任何条件判断或循环变量与数据类型数据类型关键字内存占用取值范围使用示例整型字节int4-2^31~2^31-1int age=25;短整型字节short2-short count32768~32=100;767长整型字节long4-2^31~2^31-1longdistance=10000;单精度浮点字节位有效数float46~7float price=字

29.99f;双精度浮点字节位有double815~16double pi=效数字

3.14159;字符型字节char1-128~127char grade=A;运算符与表达式算术运算符用于基本的数学运算（加）•+（减）•-（乘）•*（除）•/（取余）•%关系运算符用于比较两个值（等于）•==（不等于）•!=（小于）•（大于）•（小于等于）•=（大于等于）•=逻辑运算符用于组合条件（与）•（或）•||（非）•!输入与输出函数函数printf格式化输出数据到控制台函数scanf从控制台读取格式化输入格式控制符指定数据的输入输出格式语言中的输入输出主要通过库中的函数实现函数用于将格式化的数据输出到控制台，而函数则从控制台读取格C stdio.h printfscanf式化的输入数据这两个函数都使用格式控制符来指定数据的类型和格式常见的格式控制符包括（整数）、（浮点数）、（字符）、（字符串）等例如，会将变量%d%f%c%s printfHello,%s!,name name的值插入到输出字符串中了解并熟练使用这些函数和格式控制符，是进行语言编程的基础C分支结构条件判断语句语句嵌套语句if if-else if最基本的条件判断，当条件为真时执行指提供两种选择路径，根据条件的真假选择在或内部再使用结构，实现多层次if else if定代码块适用于需要在特定条件下执行执行不同的代码块适用于需要在两种情的条件判断适用于复杂的逻辑判断，如操作的场景，例如验证用户输入是否符合况间做选择的场景，如判断成绩是否及格根据成绩段确定学生等级要求分支结构多重分支1case1执行特定操作12case2执行特定操作23case3执行特定操作30default处理其他情况语句是处理多重分支的有效方式，尤其适合针对一个变量的不同值执行不同操作的场景与多个语句相比，结构通常switch-case if-elseifswitch更清晰、执行效率更高使用语句时，程序会根据表达式的值直接跳转到相应的标签处执行代码每个后应使用语句结束执行，否则会继续执行下一switch casecase break个的代码标签用于处理表达式值不匹配任何的情况case defaultcase循环结构基本原理循环循环循环while fordo-whilewhile条件{for初始化;条件;更新{do{//循环体//循环体//循环体}}}while条件;当条件为真时重复执行循环体，适合执将循环控制集中在一处，通常用于已知先执行一次循环体，然后检查条件，适行次数不确定的循环每次循环前都会循环次数的情况结构清晰，是最常用合至少需要执行一次的循环操作先检查条件的循环形式循环控制与嵌套常见程序输入输出陷阱输入缓冲区残留问题读取后，换行符可能留在缓冲区中，影响下一次输入解决方法是使scanf用清空缓冲区或使用函数getchar fflushstdin格式控制符不匹配使用不正确的格式控制符会导致数据读取或显示错误例如，用读取浮%d点数会丢失小数部分，用读取整数可能导致不可预测的结果%f缓冲区溢出风险使用函数不限制输入长度，可能导致缓冲区溢出，应改用并指gets fgets定最大读取长度文件结束处理读取文件或标准输入时，需要正确处理文件结束标志，避免无限循环EOF或读取错误第三篇数组与批量数据二维数组处理表格和矩阵数据一维数组存储同类型的数据序列单个变量存储单一数据值数组是存储同类型数据的连续内存空间，可以通过索引快速访问任意元素相比使用多个单独的变量，数组能更高效地管理大量同类数据，便于批量处理在语言中，数组下标从开始，这意味着包含个元素的数组，其索引范围是到越界访问数组（使用超出范围的索引）是常见的C0n0n-1编程错误，可能导致程序崩溃或不可预测的行为学习使用数组时，必须养成检查数组边界的良好习惯一维数组应用二维数组与矩阵操作矩阵表示矩阵加法矩阵转置二维数组可以用来表示数学中的矩阵，每矩阵加法是将两个相同维度矩阵的对应元矩阵转置是将矩阵的行和列互换实现时，个元素通过两个索引（行和列）确定位置素相加在语言中，我们可以使用嵌套循需要创建一个新矩阵，将原矩阵的行索引C这种结构非常适合处理表格数据、图像处环遍历两个二维数组的每个元素，将对应和列索引互换后复制元素，或者使用临时理和科学计算中的矩阵运算位置的元素相加后存入结果矩阵变量在原矩阵上直接交换元素字符串基础函数功能描述使用示例计算字符串长度strlen intlen=strlenstr;复制字符串strcpy strcpydest,src;连接两个字符串strcat strcatdest,src;比较两个字符串strcmp intresult=strcmps1,s2;读取一行字符不安全，建议使用gets getsstr;//fgets输出字符串并换行puts putsstr;在语言中，字符串是以空字符结尾的字符数组字符串可以存储文本数据，如姓名、地址等语言没有专门的字符串类型，而是通过字符数组来表示字符串，这使得字符C\0C串处理相对复杂但更灵活字符串处理实例计算字符串长度字符查找统计字符串中的字符数量在字符串中查找特定字符的位置回文判断字符频率统计检查字符串是否为回文（正反读相同）统计字符串中各字符出现的次数文件操作初步打开文件使用函数，指定文件名和访问模式fopen读取写入/使用、、、等函数进行文件读写操作fprintf fscanffgets fputs关闭文件使用函数释放资源，确保数据正确保存fclose文件操作是程序与外部存储交互的重要方式，能够实现数据的持久化存储和共享在语言中，文件操作主要通过指针和一系列文件处理函数实现文件操作的基本流程包括打开文C FILE件、读写操作和关闭文件三个步骤常见的文件访问模式包括（只读）、（写入，会覆盖原有内容）、（追加写入）等处理文件时，务必检查文件是否成功打开，并在操作完成后关闭文件文件操作可以应用于r wa保存程序生成的数据、读取配置信息或进行数据分析等场景第四篇函数与结构体函数的定义与调用参数传递机制函数是执行特定任务的代码块，语言中函数参数默认采用值C通过定义函数可以实现代码复传递方式，即传递参数值的副用和模块化，提高程序的可维本，函数内部对参数的修改不护性和可读性函数调用时可会影响原变量如需修改原变以传递参数，执行完成后返回量，可使用指针实现引用传递特定值结构体基础结构体是用户自定义的复合数据类型，可以包含不同类型的成员变量，适合表示复杂的数据对象，如学生信息、商品数据等常用库函数数学函数字符串处理随机数生成math.h string.h stdlib.h计算平方根计算字符串长度生成随机数•sqrt•strlen•rand计算幂、字符串复制设置随机数种子•pow•strcpy strncpy•srand、、三角函数、字符串连接获取当前时间（常用作种子）•sin costan•strcat strncat•time、对数函数、字符串比较•log log10•strcmp strncmp、绝对值函数子字符串查找随机数应用模拟实验、游戏开发、加•abs fabs•strstr密等结构体定义与应用struct Student{char name

[50];int id;float score;};int main{struct Students1={张三,10001,

92.5};struct Studentclass

[30];//结构体数组printf学生姓名:%s\n,s

1.name;printf学号:%d\n,s

1.id;printf成绩:%.1f\n,s

1.score;return0;}结构体是语言中重要的数据结构，用于将不同类型的数据组合成一个整体通过结构体，我们可以更好地表C示现实世界中的复杂对象，如学生信息、商品数据、坐标点等结构体数组是存储同类结构体对象的数组，适合批量处理同类数据例如，一个学生结构体数组可以用来存储一个班级或学校的所有学生信息，便于统计分析和信息管理结构体也可以嵌套定义，创建更复杂的数据结构指针基础与实际用途指针概念指针操作数组与指针指针是存储内存地址的变量，通过指针可指针的基本操作包括取地址（）、解引在语言中，数组名本质上是指向数组第一C以间接访问和修改内存中的数据指针的用（）和指针算术运算通过指针可以实个元素的指针常量通过指针可以高效地*声明使用星号（）操作符，如表现引用传递，使函数能够修改调用者的变遍历和操作数组，尤其在处理大型数据时，*int*p;示是指向整数的指针量值，提高程序的灵活性能够提高程序性能p综合应用练习本练习要求实现一个简单的学生信息管理系统，包括信息录入、统计分析和查找功能首先定义学生结构体，包含学号、姓名、性别、成绩等字段然后编写函数实现学生信息的输入、显示、排序和统计系统功能包括录入学生基本信息；按成绩排序显示学生列表；统计各分数段（优秀、良好、及格、不及格）的学生比例；根据学号或姓名查找特定学生这个练习综合运用了结构体、数组、函数、指针等知识点，是对前面所学内容的全面检验第五篇初步算法思想模拟算法高精度计算按照问题描述直接模拟求解过程，处理超出基本数据类型范围的大是最基本的算法思想适用于流数运算，通常使用数组存储每一程明确、步骤清晰的问题，如生位数字高精度算法常用于需要活中的各种计算过程实现时需精确计算的场景，如密码学、天注意细节处理和边界情况文计算等领域时间复杂度与空间复杂度评估算法效率的重要指标时间复杂度关注算法执行所需的时间增长率，空间复杂度关注所需内存空间的增长率设计算法时需平衡两者排序算法基础插入排序选择排序类似打牌时整理手牌，将未排序元素插入到冒泡排序每轮从未排序部分找出最小（或最大）元素，已排序部分的适当位置平均时间复杂度为通过重复比较相邻元素并交换位置，每轮将放到已排序部分的末尾时间复杂度同样为，但对于小数据集或基本有序的数据效On²最大（或最小）元素浮到正确位置实现简，但交换次数少于冒泡排序，对于交换率较高On²单，但效率较低，时间复杂度为适合开销大的情况有优势On²小数据量或基本有序的数据排序实际案例暴力枚举思想列举所有可能验证每种情况系统性地考虑问题的所有可能解对每个候选解进行条件检验优化搜索范围筛选有效结果根据问题特性缩小枚举范围保留满足所有条件的解暴力枚举是一种直接而有效的问题解决方法，通过考虑所有可能的情况来找出满足条件的解这种方法概念简单，容易实现，适用于解空间较小或没有明显规律的问题水仙花数是一个典型的枚举应用，它是指一个三位数，其各位数字的立方和等于该数本身递推与递归递推（迭代）方法1从已知结果推导后续结果递归方法问题分解为更小的同类子问题调用栈原理理解函数调用的内存管理递推和递归是两种处理序列问题的重要方法递推通常从初始条件出发，逐步计算后续结果；而递归则是将问题分解为更小的子问题，直到达到易于解决的基本情况以斐波那契数列为例，递推实现通常更高效，而递归实现则更加直观递归需要注意的问题包括确保有正确的基本情况（边界条件）以避免无限递归；递归深度过大可能导致栈溢出；某些递归算法（如简单的斐波那契递归）可能存在大量重复计算，影响效率理解递归调用栈的工作原理，有助于更好地掌握和应用递归贪心算法初步贪心策略找零钱问题区间覆盖贪心算法是一种在每一步选择中都采取当给定面值不同的硬币和需要找回的金额，从一组区间中选择最少的区间，使它们的前状态下最优决策的方法它不回溯已做贪心算法会优先选择面值最大的硬币，尽并集覆盖整个目标区间贪心策略是优先出的选择，因此效率高但不一定能得到全可能多地使用，然后逐步使用更小面值的选择右端点最大（或左端点最小）的区间，局最优解贪心算法的关键在于证明局部硬币这种方法在某些货币体系（如人民逐步覆盖目标区间这类问题在资源分配最优选择能导致全局最优解币）中能得到最优解和调度中有广泛应用二分查找与答案确定搜索范围中点比较缩小范围重复过程设置查找区间的左右边界计算中点并与目标值比较根据比较结果调整搜索区间直到找到目标或区间为空简单搜索算法深度优先搜索广度优先搜索DFS BFS深度优先搜索是一种优先探索深度的搜索策略，类似于走迷宫时广度优先搜索是一种逐层探索的搜索策略，类似于水波纹扩散总是尽可能走得更深，直到无法继续前进时才回溯通常使它首先探索所有邻近节点，然后再向外扩展通常使用队列DFS BFS用递归或栈实现，适合搜索所有可能解或找到特定路径实现，适合寻找最短路径或最少步数的解使用递归或栈实现使用队列实现••空间复杂度与搜索深度成正比空间复杂度与搜索宽度成正比••适合寻找所有解或特定路径适合寻找最短路径••线性表初步链表非连续存储的线性结构顺序表基于数组的连续存储结构线性表抽象概念有序数据元素的集合线性表是一种最基本的数据结构，是具有相同数据类型的个数据元素的有限序列根据存储方式的不同，线性表主要分为顺序表和链表两种实n现顺序表基于数组实现，元素在内存中连续存储；链表则是通过指针将离散的节点连接起来顺序表的优点是随机访问高效（时间复杂度），缺点是插入和删除操作可能需要移动大量元素；链表的优点是插入和删除操作高效，缺点O1是访问特定位置元素需要从头遍历静态链表是一种结合了顺序表和链表特点的数据结构，适用于对内存管理要求较高的环境栈与队列栈（）队列（）应用案例Stack Queue后进先出数据结先进先出数据结实际编程中的应用LIFO FIFO构构括号匹配检查•只能在栈顶进行插只能在队尾插入，••中缀表达式转后缀•入和删除队首删除滑动窗口问题•主要操作入主要操作•push•消息队列实现•栈和出栈入队和popenqueue出队dequeue应用函数调用、应用缓冲区管理、••表达式求值、括号广度优先搜索、消匹配息系统二叉树初步二叉树是一种重要的非线性数据结构，每个节点最多有两个子节点（左子节点和右子节点）二叉树的基本属性包括深度（从根节点到该节点的边数）、高度（从该节点到最远叶节点的边数）和层次（节点的深度加一）二叉树的遍历方式有前序遍历（根左右）、中序遍历（左根右）和后序遍历（左右根）每种遍历方式都有其特定的应用场景例如，中序遍历二------叉搜索树可以得到有序序列；表达式树的后序遍历对应后缀表达式求值二叉树在编译器设计、数据压缩和搜索算法中有广泛应用集合与映射32并集操作交集操作结合两个集合的所有元素提取同时存在于两个集合的元素1差集操作获取存在于一个集合但不在另一个集合的元素集合是不包含重复元素的数据结构，用于表示一组相关对象集合支持成员关系测试、添加、删除等操作，以及并集、交集、差集等集合运算在程序设计中，集合常用于消除重复元素、快速查找和集合运算映射（或字典）是一种键值对的集合，每个键映射到一个值映射特别适合需要根据特定键快速查找值的场景，如统计词频、索引查找等在语言中，可以通过数组或链表实现简单的映射功C能，而在实际开发中，更常使用哈希表等高效数据结构图的基本应用图的表示方法图的基本操作和应用图是一种由顶点和连接顶点的边组成的数据结构，用于表示各种图的基本操作包括添加删除顶点和边、判断顶点间是否存在路/实体间的关系图主要有两种表示方法径、查找最短路径等常见应用包括邻接矩阵使用二维数组，适合稠密图社交网络分析••邻接表使用数组和链表组合，适合稀疏图地图导航••网络流量分析•选择合适的表示方法对算法效率有重要影响任务调度•其中，最短路径问题是图论中的经典问题，通常使用广度优先搜索或算法求解BFS Dijkstra位运算与进制转换运算符名称功能示例按位与对应位都为时153=1结果为1按位或对应位有一个为|5|3=7时结果为11按位异或对应位不同时结^5^3=6果为1按位取反将所有位翻转~~5=-6左移所有位向左移动51=10右移所有位向右移动51=2计数原理与排列组合整除理论初识最大公约数GCD最大公约数是能够同时整除两个或多个整数的最大正整数例如，和12的最大公约数是可以用于约分分数、解决某些计数问题，以186GCD及在密码学中的算法RSA最小公倍数LCM最小公倍数是能够被两个或多个整数整除的最小正整数例如，和4的最小公倍数是常用于处理周期性问题，如确定多个事612LCM件再次同时发生的时间点欧几里得算法一种高效计算最大公约数的古老算法，基于两个整数的最大公约数等于其中较小的数与两数取模结果的最大公约数这一递归算法简洁而高效，是许多数论算法的基础附录常用开发环境安装A推荐开发环境调试设置技巧对于编程，推荐使用有效的调试是解决程序问题的C/C++、关键建议熟悉断点设置、单Visual StudioCode或作步执行、变量监视等基本调试Code::Blocks Dev-C++为这些环境都提供代码功能合理使用条件断点和表IDE高亮、自动补全、调试工具等达式求值，可以更高效地定位功能，有助于提高编程效率复杂问题选择时应考虑系统兼容性和个人习惯代码风格建议良好的代码风格有助于提高可读性和可维护性建议使用一致的缩进（通常为个空格），变量和函数采用有意义的命名，适当添加注释4说明代码逻辑，保持代码模块化和简洁附录算法性能与复杂度B时间复杂度空间复杂度时间复杂度描述算法执行所需时间与问题规模的关系，通常使用空间复杂度描述算法执行所需额外空间与问题规模的关系，同样大符号表示常见的时间复杂度有用大符号表示评估空间需求时，需考虑O O常数时间，与输入规模无关临时变量的空间•O1•对数时间，如二分查找递归调用的栈空间•Olog n•线性时间，如遍历数组数据结构所需的空间•On•线性对数时间，如快速排序•On logn在实际应用中，通常需要在时间和空间复杂度之间进行平衡，根平方时间，如简单排序算法据具体场景选择最适合的算法•On²指数时间，如穷举组合•O2^n实战训练与竞赛资源洛谷是国内优秀的信息学在线评测系统，提供丰富的算法题库和比赛环境平台按难度和类型分类题目，从入门到高级都有覆盖，是、Luogu NOIP等竞赛的理想训练平台除洛谷外，、等国际平台也提供高质量的编程竞赛资源CSP CodeforcesAtCoder我们建议按照难度递进的方式练习，从简单的基础题目开始，逐步挑战更复杂的问题初学者可以先尝试道入门级题目，牢固掌握基本算法；50-100然后选择道中等难度题目，涵盖各种常见算法类型；最后挑战一些高难度题目，提升解题能力和思维深度200-300课程小结与学习建议概念学习系统掌握计算机基础知识和编程理论2实现练习动手编写代码，实现各种算法和数据结构实战训练解决实际问题，参与竞赛提升能力本课程系统介绍了计算机基础、编程与算法的入门知识，为竞赛和大学计算机学习打下基础学习编程和算法是一个循序渐进的过程，需要理论与实践相结合，不断积累经验和思维NOIP/CSP方法建议采用概念实现实战三步走的学习策略首先理解基本概念和原理；然后动手实现具体的算法和数据结构；最后通过大量实战练习巩固知识并提升解决问题的能力编程学习没有捷径，——重视日常积累，坚持不懈，才能取得长足进步。