FORTRAN语言的搜索算法_fortran根据条件在数组里检索-优快云博客

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FORTRAN语言中的搜索算法

引言

FORTRAN，即“FORmula TRANslation”的缩写，是一种高级程序设计语言，最初在1957年被Developed by IBM。尽管现在有许多现代编程语言如Python、Java和C++等广泛使用，FORTRAN在科学计算和工程应用领域仍然占有一席之地，尤其是在数值计算、气候模拟、流体力学等方面。在这些应用中，搜索算法作为一种重要的计算方法，有助于在给定的输入数据中寻找特定的解决方案。

本文将详细讨论FORTRAN语言中几种常见的搜索算法，包括线性搜索、二分搜索和深度优先搜索，并通过实例代码说明其实现过程及应用场景。

1. 线性搜索

线性搜索是一种最简单的搜索算法，其基本思想是从数据结构的第一个元素开始，逐个检查每个元素，直到找到目标值或搜索完所有元素。线性搜索的时间复杂度为O(n)，其中n是数据的大小。虽然效率不高，但在小规模数据或未排序的数据中特别有用。

1.1 线性搜索的实现

以下是一个使用FORTRAN实现线性搜索的示例代码：

```fortran program linear_search implicit none integer :: n, i, target, result integer, dimension(:), allocatable :: arr

print *, "请输入数组的大小："
read *, n

allocate(arr(n))
print *, "请输入数组元素："
do i = 1, n
    read *, arr(i)
end do

print *, "请输入要搜索的目标值："
read *, target

result = -1  ! 默认值表示未找到

! 线性搜索
do i = 1, n
    if (arr(i) == target) then
        result = i
        exit
    end if
end do

if (result == -1) then
    print *, "目标值未找到。"
else
    print *, "目标值在数组中的位置是：", result
end if

deallocate(arr)

end program linear_search ```

1.2 代码解析

在上述代码中，首先定义了程序的基本结构，接着通过输入数组的大小和元素，随后输入要搜索的目标值。通过一个简单的循环实现线性搜索，如果找到目标值，则记录其位置并退出循环。最后，程序输出搜索结果。

1.3 应用场景

线性搜索特别适用于以下场景：

数据量小的情况下，线性搜索的实现更简单，效率也可接受。
当数据未排序且无法进行其他高效搜索时。

2. 二分搜索

二分搜索是一种高效的搜索算法，前提是数据结构必须是已排序的。它通过将搜索区域一分为二，每次将待搜索元素与中间元素进行比较，然后缩小搜索区域的范围。二分搜索的时间复杂度为O(log n)，相较于线性搜索更加高效。

2.1 二分搜索的实现

以下是一个使用FORTRAN实现二分搜索的示例代码：

```fortran program binary_search implicit none integer :: n, target, result integer, dimension(:), allocatable :: arr integer :: low, high, mid

print *, "请输入排序后的数组大小："
read *, n

allocate(arr(n))
print *, "请输入排序后的数组元素："
do i = 1, n
    read *, arr(i)
end do

print *, "请输入要搜索的目标值："
read *, target

low = 1
high = n
result = -1  ! 默认值表示未找到

! 二分搜索
do while (low <= high)
    mid = (low + high) / 2
    if (arr(mid) == target) then
        result = mid
        exit
    else if (arr(mid) < target) then
        low = mid + 1
    else
        high = mid - 1
    end if
end do

if (result == -1) then
    print *, "目标值未找到。"
else
    print *, "目标值在数组中的位置是：", result
end if

deallocate(arr)

end program binary_search ```

2.2 代码解析

该代码中，用户输入排序后的数组及要查找的目标元素。二分搜索算法首先定义了搜索的边界（low 和 high），然后通过计算中间索引（mid）来判断目标值相对于中间元素的位置，依此逐步缩小搜索范围直至找到目标值或确认其不存在。

2.3 应用场景

二分搜索适用于以下几种情况：

当数据集较大且已排序时，二分搜索可以显著提高查找效率。
在排序不变且频繁检索的情况下，二分搜索能够很好地实现快速查找。

3. 深度优先搜索（DFS）

深度优先搜索是一种用于遍历或搜索树或图的算法。其算法思想是深度优先，即从一个顶点开始，沿着一条路径一直向下走，直到走到无法继续的地方，然后再回溯到上一个顶点，继续向下搜索其他路径。

3.1 深度优先搜索的实现

以下是一个使用FORTRAN实现深度优先搜索的示例代码，该示例以邻接矩阵的形式表示图的结构：

```fortran program depth_first_search implicit none integer :: n, i, j integer, dimension(:,:), allocatable :: graph logical, dimension(:) :: visited

print *, "请输入图的顶点数量："
read *, n

allocate(graph(n,n))
allocate(visited(n))

print *, "请输入邻接矩阵："
do i = 1, n
    do j = 1, n
        read *, graph(i,j)
    end do
end do

visited = .false.  ! 初始化为未访问

print *, "深度优先搜索结果："
call dfs(1, visited, graph, n)

contains

subroutine dfs(vertex, visited, graph, n)
    integer :: vertex, n
    integer, dimension(:,:) :: graph
    logical, dimension(:) :: visited
    integer :: i

    visited(vertex) = .true.
    print *, "访问顶点：", vertex

    do i = 1, n
        if (.not. visited(i) .and. graph(vertex, i) == 1) then
            call dfs(i, visited, graph, n)
        end if
    end do
end subroutine dfs

end program depth_first_search ```

3.2 代码解析

这个DFS的实现首先构建了一个邻接矩阵表示图结构，并用布尔数组visited来记录已访问的顶点。深度优先搜索通过递归的方式访问每个未访问的邻接顶点，并打印出访问的顺序。

3.3 应用场景

深度优先搜索常用于以下情况：

图的遍历和搜索。
求解连通性、路径查找等问题，例如迷宫问题。
解决如图的拓扑排序、强连通分量等算法。

4. 总结

在科学计算和工程应用中，搜索算法起着至关重要的作用。本文介绍了FORTRAN中几种常见的搜索算法，包括简单的线性搜索、效率更高的二分搜索以及应用于图形结构的深度优先搜索。尽管现代编程语言层出不穷，FORTRAN在处理数值计算和科学应用方面的优势依然显著。对于算法的实现，不同的搜索方法各有千秋，使用者应根据具体需求和数据特性，选择适合的搜索算法以提高程序的效率和准确性。

通过不断学习和实践，掌握这些搜索算法的实现与应用，能够为我们解决各种实际问题提供强有力的工具。希望本文能够为希望深入理解FORTRAN语言及其搜索算法的读者提供一些帮助。