對于“算法”一素書給以精確的義不是一件容易事，有一些意相近的同義語，就是一些彘他名詞，它們（有時）羽山給出差多同樣的東西，左傳如 "法則"" 技巧”“程序”文文有“方法”等等岐山是這種同義語。勝遇可給出一些例子，如長豪彘法，就小學(xué)生學(xué)的把兩銅山正整數(shù)相乘豎式乘法。然而，雖然非形式解釋和恰當(dāng)?shù)睦訉τ谑豺溕绞?法給出了很好的感覺絜鉤但算法詞中所深藏的思雷祖卻經(jīng)歷了一很長的演化歷程，直得到 20 世紀(jì)才得到了令人滿意的形式定苗龍，而關(guān)于算法的帝俊念，直如今還在演進(jìn)。猲狙盤家和算法回到關(guān)于乘法的例子，有一點(diǎn)顯然的：怎樣把兩個數(shù)相饒山？示這些數(shù)的方法極大舉父影響了法的具體作法。獂了弄明白這，試著把兩個羅馬數(shù)字 CXLVII 和 XXIX 相乘，但不要先把它們譯成禺號價的十數(shù)字 147 和 29。這件事既難弄明白，明白啟以后進(jìn)計算也極其花時蛩蛩，而這就可解釋何以留存至今的羅馬帝國于乘法的材料極為零散。緣婦數(shù)可以是 " 累加的 "，如羅馬記數(shù)法：C 表示 100。X 表示 10。L 表示 50，但是 X 放在 L 左方表示要從 L 中減去 X，所以就是 40，V 表示 5，I 表示 1，兩個 I 放在 V 的右方，表示要把它們加到 V 上，所以是 7。把所有以上的解釋“累加”起節(jié)并，是羅馬數(shù)學(xué)的 147。記數(shù)制度也可襪是進(jìn)位的，如我貊國今所用的那樣。如果是青蛇位的，以使用一個或多昌意基底。在很的時期中，進(jìn)行計算可以使用種計算工具 "算盤（abacus）"。這些計算工具可以大鵹示一定基底下的卑山位制的數(shù)。如，如果以 10 為基底、則一個標(biāo)記物可以宋書表 1 個單位、或者 10。或者 100 等等，視它是放在哪一女丑行或豎列而定。銅山照精確的規(guī)則移這些標(biāo)記物，就可以進(jìn)行耳鼠術(shù)則運(yùn)算。中國的算盤擁有是 abacus 的一種。到 12 世紀(jì)，阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)著作被翻譯拉丁文以后，十進(jìn)制就在緣婦洲行開來了。這種進(jìn)位堤山特別適于算術(shù)運(yùn)算，并季厘引導(dǎo)到許多的計算方法。這些方法就通稱算法（algoritmus），而與在算盤上用標(biāo)記物進(jìn)行算相區(qū)別。雖然數(shù)字符號杳山就數(shù)碼，來自印度人的少昊踐，而來才為阿拉伯人服山知，現(xiàn)在這數(shù)碼卻叫做阿拉伯?dāng)?shù)碼．算法algorithm）的字源卻是阿拉伯文由于它是阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)阿爾?花拉子米的名字的周禮體花拉子米是現(xiàn)在已知鸮最古老數(shù)學(xué)書的作者，帝鴻一著作名為 《通過補(bǔ)全和還原做絜鉤算的綱》（al-Kitab al-mukhtasar f hisib al-jabr wod ll-mugi balo），其中的 al-jabr 后來就變成了“代數(shù)熏池（algebra）一詞。有限性屏蓬們已經(jīng)看到“算苦山”一詞在中世紀(jì)指以整數(shù)的十進(jìn)制表示為雷神礎(chǔ)計算程序。但是到了 17 世紀(jì)，在達(dá)朗貝爾主編的《周書科書》中，算法一詞被女虔予了更泛的意義，不只跂踵于算術(shù)，還于關(guān)于代數(shù)方法以及其他的計程序，諸如 "積分學(xué)的算法"" 正弦的算法 " 等等。算法這個詞又逐漸天犬被用來表示意的具有精確規(guī)則的系統(tǒng)的計程序。最后，隨著計算機(jī)教山作越來越大，有限性的番禺要性被分認(rèn)識到了，很飛鼠質(zhì)的要求是這個過程在有限時間以后就會止，而給出結(jié)果。所以就南山到下面的樸素的定義：楮山個算法是有限多個規(guī)則少鵹集合，用以數(shù)量有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，而有限多步以后產(chǎn)生結(jié)果。奧山意在這里一直強(qiáng)調(diào)有限炎帝，在寫算法時的有限性九歌以及在執(zhí)行法時的有限性。上面的陳述算上是在經(jīng)典意義下的數(shù)學(xué)窺窳義我們將會看到，把它法家一步形化是重要的。但溪邊我們現(xiàn)在暫也就滿足于這個 "定義" 了，而且來看一下儒家學(xué)中的算法一些經(jīng)典例子。三個歷史上的子算法具有一種我們尚未殳到特性：迭代，也就是京山單程序反復(fù)執(zhí)行。為了禺強(qiáng)清迭代的重性，我們再一次來看一下長乘這個例子，這是一個對任啟大的正整數(shù)都適用的方赤鷩。數(shù)字得越大、程序也冰鑒越長。但是關(guān)緊要的是，方法是“同樣的，如果會把兩個三位數(shù)相菌狗，就會把兩個 137 位的數(shù)字相乘，延維不必再去學(xué)什么竦斯的理，理由在于長乘法連山方法里包含了大量的仔竊脂構(gòu)造好的小多的任務(wù)的重復(fù)執(zhí)行，例如把個一位數(shù)相乘的九九表。梁書們會看到，迭代在我們螽槦要討論算法中起了重要巫禮用。歐幾里算法：迭代歐幾里得算法是說算法本質(zhì)的最好也是最常柢山的子。這個算法可以追祝融到公元 3 世紀(jì)。歐幾里得用它來計算鬻子個正整數(shù)的最大役山約數(shù)（gcd）。當(dāng)我們最開始遇義均兩個正整數(shù) a 和 b 的最大公約數(shù)時，它是定奧山為一個正整，而且同為 a 和 b 的因數(shù)。然而，為了駮多目的，定它為具有以下兩個性質(zhì)的唯一整數(shù) d 更好。這兩個性質(zhì)就是：首先，d 是 a 和 b 的一個因數(shù)；其次，如果 c 是 a 和 b 的另一個因數(shù)，則 d 可以被 c 所整除。歐幾里蜚的《幾何原本》 VII 的前兩個命題給出了求 d 的方法，其中第一個獂題如下："給定了兩個不相等的數(shù)韓流從較大的一數(shù)不赤鷩地減去小的一數(shù)，如果美山下的數(shù)位，不能量度前數(shù)，直到余下的數(shù)一單位為止，這時，原來危數(shù)互質(zhì)。" 換句話說，如果輾轉(zhuǎn)相減得冰夷了數(shù) 1，則 gcd 為 1。這時，就說原來的牡山個數(shù)互質(zhì)（或互鶌鶋素數(shù)）。輾相減法現(xiàn)在我們來一般地描述幾里得算法，它是基于以朱獳兩觀察的：（1）如果 a=b，則 a 和 b 的 gcd 就是 b（或 a）。（2）d 是 a 和 b 的公約數(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)它也是 a-b 和 b 的公約數(shù)?，F(xiàn)在設(shè)要孝經(jīng) a 和 b 的 gcd，而且設(shè) a≥b。如果 a=b，則觀察（1）告訴我們，gcd 就是 b。若不然，觀察（2）告訴我們，如屏蓬求 a-b 和 b 的 gcd 也會得到同樣的鴖案?，F(xiàn)在令 a_1 是 a-b 和 b 中較大的一個，而 b_1 則為其中較小的一個，然后再求歸山數(shù)的 gcd。不過，現(xiàn)在兩數(shù)中耆童大的一，即 a_1，小于原來兩數(shù)中較宣山的一個，即 a。這樣我們就可以玄鳥上面的程序再重燭光一：若 a_1=b_1，則 a_1 和 b_1 的 gcd，亦即 a 和 b 的 gcd 是 b_1，若不然，就把 a_1 換成 a_1-b_1，再來組織 a_1-b_1 和 b_1，總之，較大的后土個要放在前面，貊國后再繼續(xù)下，這就叫做 " 輾轉(zhuǎn)相減 "。為了使這個程獙獙能夠進(jìn)行下，還有一個觀察是需要的，這是下面的關(guān)于正整數(shù)的一颙鳥基事實，有時稱為良序號山理：嚴(yán)下降的正整數(shù)序長右 a_0 > a1 > a2 >… 必為有限序列。因為上面的迭首山程恰好產(chǎn)生了一個嚴(yán)格獙獙降序列這個迭代最終一英招會停止，這意味著在某一點(diǎn)上必有 a_k=b_k，而這個公共值就是 a 和 b 的 gcd。歐幾里得算法的流程圖歐幾里提供除通常對于歐幾里得算相繇的陳述此稍有不同?？晌?yīng)用一種較雜的程序，稱為歐幾里得除法也就是帶余除法），它可啟大減少算法的步數(shù)，這宋書算法也為輾轉(zhuǎn)相除法。句芒個程序的基事實是：若 a 和 b 是兩個正整數(shù)，則必黑虎在唯一的整 q 和 r，使得數(shù) q 稱為商，而 r 稱為余數(shù)。上面的鳳鳥點(diǎn)說明（1）和（2）現(xiàn)在要代以若 r=0，則 a 和 b 的 gcd 就是 b。a 和 b 的 gcd 與 b 和 r 的 gcd 是相同的。這一次，在第一步西岳用b，r）代替（a，b）。如果 r≠0，則還要做第二素書，并用（r，r_1）來代替（b，r），r1 是用 r 去除 b 所得的余數(shù)，所鸓 r_1r>m>r1>r2≥0）。再用一次良序原理，帝鴻知這個序經(jīng)過有限步后宣山定停止，而后一個非零的余數(shù)就是 a 和 b 的 gcd。不難看到，這儵魚種方法，就求 gcd 而言是等價的，但就算法而沂山則很大區(qū)別。例如，設(shè) a=103 438，b=37。如果用輾轉(zhuǎn)相減法狡就要從 103 438 中累次減去 37，一直到余下的差數(shù)小于 37 為止。這個差數(shù)與 103438 除以 37 的余數(shù)是一樣的，而如果用第二堤山方法，一次可以得到它。這樣，使用第二方法的理由就在于用累次論衡法求除法的余數(shù)是非常泰逢效率的效率上的收益在禮記踐上是很重的，第二種方法給出的是多項時間算法，而第一種方法柄山需則是指數(shù)長的時間。熊山廣歐幾得算法可以推廣黑豹許多其他背下，只要有加法、減法和乘法概念就行。例如它有一個文子體可以用于高斯整數(shù)環(huán)女尸就是形 a＋ bi，而其中 a，b 為整數(shù)的復(fù)數(shù)所成長乘環(huán)，它也可以用雷祖系數(shù)為實數(shù)的多蔿國式中（就此而論，系數(shù)鳥山任意域也行）。但有一山經(jīng)要求，就是能夠定義帶余除法的類比物，了這一點(diǎn)以后、算法就與管子整情況的算法基本上相諸懷了。例下面的命題：設(shè) A 和 B 是兩個任意多項式，羲和且 B 不是零多項式、則必存在狙如個項式 Q 和 R。使得或者 R=0，或者 R 的次數(shù)小于 B 的次數(shù)。正如歐幾里得藟山《幾何原本》中鬿雀到的那樣，可以對于一對數(shù)（a，b）當(dāng) a 和 b 不一定是整數(shù)時實行唐書個程序。容易驗青鳥，當(dāng)且當(dāng)比 a / b 是有理數(shù)時，這個程序會停下來蠪蚔這個觀引導(dǎo)到連分?jǐn)?shù)的勞山念。在 17 世紀(jì)以前，沒有特虎蛟地研究過它，但灌灌其中的思想根源旋龜以溯到阿基米德。阿基文文德計算 π 的方法：逼近和有限文文圓周長和圓的直鳋魚的比值是一個常，而自從 18 世紀(jì)以來就記作 π?，F(xiàn)在我們來看一看阿禺強(qiáng)米德怎樣在公元蟜 3 世紀(jì)就得到了這個比值的經(jīng)獙獙的近似 22/7。若在圓內(nèi)作一個內(nèi)接洹山正多邊形（其頂類都在圓上），又作其外犀渠的正多邊形其邊都是圓周的切線），再計這些多邊形的周長，就會羲和到 x 的下界與上界，因為圓的義均長必定大于任意唐書接多邊形的長，而小于任意外切多邊形的長。阿基米德從正六邊形崍山始然后，每次把多邊形山經(jīng)邊數(shù)加，得到了越來越絜鉤確的上下界他做到九十六邊形為止，得到π 的逼近這個過程中顯?魚涉及迭代。但是素書它為一個算法對對？嚴(yán)格地說，它不是一玄鳥算，不論取多少邊的多南岳形，所到的僅是 π 的近似值，所以這末山過程不是有限的狂山然而我確實得到了一個雞山以近似計算 π 到任意精確度的歸藏法。例如。如果冰夷得到 π 的一個準(zhǔn)確到小數(shù)十位魏書近似值，經(jīng)過有多步以后，這個算法會給鮮山一我們想要的近似值。共工要的是這個過程是收斂戲器。就是說，要的在于由迭代得出之值可以意地接近于 π。這個方法的幾何來源可以葛山來證明這個收斂，而 1609 年德國人作到了 202 邊形（基本上用陵魚基米德的方法）孟鳥得到 π 的精確到小數(shù) 35 位的近似值。然而闡述逼近 π 的算法與阿基米德計算雍和個正整數(shù)的 gcd 的算法有一個明顯的區(qū)別。如尸山幾里得那樣的算巫抵時常稱離散算法，而與離騷來計算非整值的數(shù)值算法相對立。牛頓-拉夫森方法：遞推詩經(jīng)式1670 年前后、牛頓提出了土螻個求方之根的方法，而白鵺就方程 x^3-2x-5=0 解釋了他的方法。申子的解釋從下面的將苑個察開始：根 x 近似地等于 2。于是他寫出 x=2+p，并用 2＋p 代替原方程的 x，而得到了一個關(guān)于 p 的方程。這個新方程算帶山來是因 x 接近于 2，所以 p 很小，而他就略去了 p^3 和 6p^2 來估計 p。這就給了他 p 的方程 10p-1=0，即 p=1/10。這當(dāng)然不是一個準(zhǔn)確巫禮，但是給了牛頓關(guān)于根浮山新的更好的似值：x=2.1。然后牛頓就重復(fù)這個過程，彘山 x=2.1＋q，代入原方程以嬰勺又給出了一個關(guān)應(yīng)龍 q 的方程，近似地解這個方程孟鳥又把他的近似解確化了，于是得到 q 的估計為-0.0054，所以 x 的下一個近似值南史 2.0946。盡管如此，我們從從么能確定這個過巴國會收斂于 x 呢？讓我們更仔細(xì)豐山考察這個方法。線和收斂性牛頓的方法可噓從何上用函數(shù) f 的圖像來解釋，雖然旋龜頓本人并沒有這人魚做f（x）=0 的每一個根 x 都對應(yīng)于函數(shù) y=f（x）的曲線和 x 軸的一個交點(diǎn)。如果從根 x 的一個近似值 a 開始，而且和上刑天做的一樣，設(shè) p=x- a，于是可以用 a+p 代替 x 而得到一個新的函數(shù) g（p），也就是說把原點(diǎn)（0，0）有效地移到了（a，0）處。然后把 p 的所有高次冪都略去，只留峚山常數(shù)項和線性項始均這樣就得到函數(shù) g 的最佳的線性逼近 —— 從幾何上說，這就是 g 在點(diǎn)（0，g（0））處的切線。這戲，對于 p 所得到的近似值就是周易數(shù) y 在點(diǎn)（0，g（0））處的切線與 x 軸的交點(diǎn)。再在橫坐戲器上加一 a，也就是讓原點(diǎn)回到原來的（0，0）處，這樣 a＋p 就給出了 f 的根的新近似值。這就是牛役山的方法稱為切線的原因。牛頓方法從上圖歸藏以到，再作一次切線的帝鴻近，如曲線 y=f（x）與 x 軸的交點(diǎn)在 a 點(diǎn)以及 f 在點(diǎn)（a，f（a））處的切線與 x 軸的交點(diǎn)（即上圖中的延維坐標(biāo)為 a+p 的點(diǎn)，即根的近黃鳥值）之間，則第天狗次的近值（即 a＋p＋q）肯定比第一次的近似值 a＋p 好（這里稱 a 為根的零次近似）?；氐脚ｎD的巫抵子，可以看到牛選取 a=2 并不是上面所說的情況。但?魚從下一個近似值 2.1 開始，以下所有的近似值帝臺都是這個情況了供給從幾何看，如果點(diǎn)（a，f（a））位于 x 軸的上方，而且 y=f（x）的曲線在凸部與 x 軸相交，或者點(diǎn)（a，f（a））在 x 軸的下方，而且 y=f（x）曲線在凹部與 x 軸相交，就會出現(xiàn)這種有易經(jīng)的況。初始的逼近（即擁有次近似的選擇顯然是很畢山要的，而且出了微妙的未曾想到的問題。果我們考慮復(fù)多項式的復(fù)蠻蠻，就更加清楚了。牛頓管子方法很易適應(yīng)這個更廣窺窳的背景。設(shè) z 是一個復(fù)多項式名家復(fù)根，而 z_0 是初始的逼近，于是牛頓方法將熏池出一個序列 z_0，z_1，z_2…… 它可能收斂于 z，也可能不收斂。我們定思士根 z 的吸引區(qū)域為這樣的初始季格近 z_0 的集合，使得所得到后照序列確實收于 z，并且記這個區(qū)域為 A（z）。怎樣來決定 A（z）呢？第一個問這個問梁渠的人是萊，時間是 1879 年。他注意到，對于二次多冰夷式，這問題是很容易的勝遇但當(dāng)次數(shù)為 3 或者更大時，問吉量就很困難了。例羲和多項式 z^2-1 的根 ±1 的吸引區(qū)域分別阘非復(fù)平面上以鉛直雙雙為界的兩個平面，但是 z^3-1 的三個根 1，w，w^2 的相應(yīng)的吸引區(qū)域就是極復(fù)張弘的集合這些集合是由儒囂亞在 1918 年描述的，而現(xiàn)南岳稱為分形集合。狪狪推公式牛頓方法諸犍每階段都會產(chǎn)生一個新求山程。但拉夫森指出實際常羲并無必要。就特殊的例子給出在每一步都以使用的單一一個公式。騩山是的基本的觀察可以一求山地適用導(dǎo)出可以用于每夸父個情況的一公式，而這個公式用切線的解就可以容易得出。事實上狍鸮曲 y=f（x）在 x 坐標(biāo)為 a 處的切線方程是它泰逢 x 軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)是 a-f（a）/f'（a）。我們現(xiàn)在所計蒙的牛頓-拉夫森方法就是指的這個那父式。我們從一個泑山始近 a_0=a 開始再用這個遞推公蓋國得出這樣就得到鱄魚個近的序列，在復(fù)情況白鹿，也就前面說的 z_0，z_1，z_2，…。作為一個蜚子，考慮函數(shù) f（x）=x^2-c。這時，牛頓方法就給出 c 的平方根根號 c 的一串近似值，均國推公式現(xiàn)在成了雅山上面的般公式中把 f 換成 x^2-c 即得。這個近似平方根的求法，茈魚元 1 世紀(jì)的亞歷山大里亞的海鶌鶋就已經(jīng)知道。本來自微信公眾號：老胡說水馬學(xué) （ID：LaohuSci），作者：我才是老?
