Алгоритмы и формы представления. Алгоритмы и формы их представления. Практическая работа Алгоритмы и их свойства. Формы записи алгоритмов словесные, графические
 Скачать 456.5 Kb.
|
1 2 Практическая работа: «Алгоритмыиихсвойства.Формызаписиалгоритмов:словесные,графические» Задание: Используя теоретическую часть ,в тетради написать подробный конспект. Теоретическая часть. Алгоритмизация, как раздел дисциплины Информатика, который изучает процессы создания алгоритмов, традиционно относится к теоретической информатике вследствие своего фундаментального характера. При этом сторонники «пользовательского» подхода при изучении дисциплины «Информатика», говорит об отсутствии практического значимости этого раздела для развития навыков пользователя современного программного обеспечения. Вследствие развития новых информационных технологий появляется возможность в пределах раздела «Основы алгоритмизации и программирования» давать общенаучные понятия информатики и в то же время формировать и развивать умение и навыки, необходимые пользователю при работе с современным программным обеспечением, т.е. появляется возможность сделать раздел «Основы алгоритмизации» мостиком между теоретической и практической информатикой. Шаги в этом направлении делали авторы многих программ по информатике. Стоит вспомнить работы А.Г. Кушниренко, Ю.А. Первина, А.Л. Семенова по внедрению «конструктивистской» парадигмы при изучении теоретической информатики. Одним из принципов этой парадигмы является самостоятельное добывание студентами знаний, которые формируются при работе с реальными и виртуальными объектами. Реализация этого принципа основывается на использовании творческих деятельностных сред, таких как ЛогоМиры, Кумир, Роботландия. Эти творческие среды, конечно, развивают алгоритмическое мышление, но напрямую не связаны ни с какой практической деятельностью. Поэтому лучше пойти другим путем. Используя принципы развивающего обучения, постараться акцентировать проблемы алгоритмизации при изучении всех (в том числе и традиционно «технологических») тем курса информатики и ИКТ. Это позволяет развивать и реализовывать алгоритмические способности студентов не только при работе в различных программных средах, но и при формировании знаний, умений и навыков работы в различных прикладных программах (при создании текстовых документов, электронных таблиц, презентаций). Каждый человек в повседневной жизни, во время учебы или на работе решает огромное количество задач самой разной сложности. Некоторые задачи просты и привычны, мы решаем их, не задумываясь (собраться на занятия, закрыть дверь, перейти улицу …). Другие задачи, так трудны, что требуется длительный срок для поиска решения и достижения поставленной цели. Решение даже самой простой задачи обычно осуществляется за несколько последовательных шагов. Одним из важнейших этапов решения задач на ЭВМ – составление алгоритма. О том, что такое алгоритмы, какими общими свойствами они обладают и как исполняются, мы и поговорим на этом занятии. В настоящее время слово «алгоритм» является одним из важнейших понятий науки информатики и имеет следующее определение: Алгоритм – это описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов. С понятием «алгоритм» тесно связано понятие «исполнитель». Чтобы достичь цели, алгоритм должен быть кем-то или чем-то исполнен. Это может быть человек, механическое устройство, робот, компьютер и другие, способные понимать и выполнять команды алгоритма. Каждый исполнитель имеет свою систему команд – конечный перечень доступных пониманию указаний. Эта совокупность команд называется системой команд исполнителя (СКИ). Пример. Робот должен выполнить следующее задание: продвигаясь по цеху, взять деталь и установить ее. Представим цех в виде клеток (рабочих полей), по которым должен продвигаться робот. Стрелки указывают направление его движения (рис.1). Исполнитель действует формально (не вникая в содержание, выполняет некоторые правила, инструкции), но получает требуемый результат. Следовательно, алгоритм формализует процесс решения задачи, позволяя механически использовать команды алгоритма в указанной последовательности. Итак, алгоритм – понятное и точное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение поставленной цели.  Рис. 1 Рассмотрим информационный процесс редактирования текста. При работе с текстом возможны различные операции: удаление, копирование, перемещение или замена его фрагментов. Что необходимо для того, чтобы преобразовать текст? Первое. Требуется исполнитель. Второе. Процесс должен быть разбит на этапы, понятные исполнителю. Третье. Должно быть определено начальное состояние текста и его требуемое конечное состояние. Теория алгоритмов имеет большое практическое значение. Алгоритмический тип деятельности важен не только как одна из эффективных форм труда человека. Через алгоритмизацию, через расчленение сложных действий на все более простые, на действия, выполнение которых доступно машинам, пролегает путь к автоматизации различных процессов. Алгоритм обладает следующими свойствами: Понятность– исполнитель алгоритма должен знать, как его выполнять. Конечность– выполняемый алгоритм должен приводиться к результату за конечное число шагов. Дискретность– любой алгоритм должен состоять из конкретных действий, следующих в определенном порядке. Массовость– один и тот же алгоритм можно использовать с различными исходными данными. На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов: словесная (запись на естественном языке); графическая (изображения из графических символов); псевдокоды (полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке, включающие в себя как элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и др.; программная (тексты на языках программирования). 1. Словесный способ записи алгоритма Словесный способ записи алгоритмов представляет собой описание последовательных этапов обработки данных. Алгоритм задается в произвольном изложении на естественном языке. Например. Записать алгоритм нахождения наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел (алгоритм Эвклида). Словесный способ не имеет широкого распространения, так как такие описания: строго не формализуемы; страдают многословностью записей; допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний. Наибольшее распространение благодаря своей наглядности получил графический способ записи алгоритмов. При графическом представлении алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий.Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой. В блок-схеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.п.) соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блочного символа. Блочные символы соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения действий. В таблице приведены наиболее часто употребляемые символы.  Блок "процесс" применяется для обозначения действия или последовательности действий, изменяющих значение, форму представления или размещения данных. Для улучшения наглядности схемы несколько отдельных блоков обработки можно объединять в один блок. Представление отдельных операций достаточно свободно. Блок "решение" используется для обозначения переходов управления по условию. В каждом блоке "решение" должны быть указаны вопрос, условие или сравнение, которые он определяет. Блок "модификация" используется для организации циклических конструкций. (Слово модификация означает видоизменение, преобразование). Внутри блока записывается параметр цикла, для которого указываются его начальное значение, граничное условие и шаг изменения значения параметра для каждого повторения. Блок "предопределенный процесс" используется для указания обращений к вспомогательным алгоритмам, существующим автономно в виде некоторых самостоятельных модулей, и для обращений к библиотечным подпрограммам. 3. Псевдокод. Псевдокод представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов. Псевдокод занимает промежуточное место между естественным и формальным языками. С одной стороны, он близок к обычному естественному языку, поэтому алгоритмы могут на нем записываться и читаться как обычный текст. С другой стороны, в псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи. В псевдокоде не приняты строгие синтаксические правила для записи команд, присущие формальным языкам, что облегчает запись алгоритма на стадии его проектирования и дает возможность использовать более широкий набор команд, рассчитанный на абстрактного исполнителя. Однако в псевдокоде обычно имеются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от записи на псевдокоде к записи алгоритма на формальном языке. В частности, в псевдокоде, так же, как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда. Они выделяются в печатном тексте жирным шрифтом, а в рукописном тексте подчеркиваются. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных (базовых) конструкций. Существуют алгоритмы работы с величинами - числовыми, символьными, логическими и алгоритмы работы «в обстановке» (например робот). Они должны быть записаны на алгоритмическом языке, т.е. представлены в виде графического и (или) словесного описания, таблицы, последовательности формул, на учебном алгоритмическом языке, языке программирования. Иногда их записывают на псевдокодах (специальных языках). Алгоритмическийязык- это система обозначений и правил для единообразной и точной записи алгоритмов и их исполнения. Язык записи алгоритма должен быть понятным для человека. Наиболее распространен специальный графический язык описания алгоритмов - структурные схемы. Схема в стандарте определена как «графическое представление определения, анализа или метода решения задачи, в котором используются символы для отображения операций, данных, потока, оборудования и т.д.» Существуют схемы данных, программ, работы системы, взаимодействия программ, ресурсов системы. Схемы обеспечивают наглядность, читаемость, отображение последовательности выполняемых процессов. Схема - это ориентированный граф, стрелками (или линиями) указывающий порядок исполнения команд алгоритма, а вершины (события) такого графа представлены геометрическими фигурами, которые называются символами. Например, начало и конец записи алгоритма обозначаются овалом, данные (носитель которых не определен) - параллелограммом, процесс (обработка данных любого вида) - в виде прямоугольника, решение (или функция переключательного типа, например условие) - в виде ромба и т. д. (рис. 2). Стандарт на этот специальный графический язык для записи дан в ЕСПД (Единая система программной документации, стандарт - ГОСТ 19.701-90).  Рис. 2 В основе построения алгоритмических структур лежит теорема структурного программирования, включающая следующие основные принципы: всякий реальный алгоритм может быть построен с использованием трех базовых элементов: следования, ветвления и цикла; любая алгоритмическая структура, состоящая из базовых элементов, может быть представлена как единый процесс; алгоритм проектируется по нисходящей схеме; поэтапное уточнение или пошаговая детализация алгоритма. В графической форме базовые вершины могут быть одного изтрех типов: функциональная (один вход и один выход); предикатная (один вход и два выхода); объединяющая (два выхода и один вход, передающий управление от первого из двух выходов). Из данных элементарных схем можно построить четыре схемы основных алгоритмических структур, имеющих особое значение для практики алгоритмизации. Схема ана рис. 3 - самая простая структура алгоритма - это последовательность, если команды следуют одна за другой в естественном порядке. Такой алгоритм называется линейным. Здесь S1 и S2 - некоторые серии команд (S - функциональные вершины).  Рис. 3. Схемы основных алгоритмических структур: ɑ - линейный алгоритм; b – разветвляющий алгоритм; в,г – циклические алгоритмы с предусловием и постусловием соответственно Схема б на рис. 3 - структура, в которой порядок следования команд определяется в зависимости от результатов проверки некоторых условий. Такой алгоритм называется разветвляющимся. В алгоритме разветвляющейся структуры действия записываются не подряд, а в зависимости от выполнения (невыполнения) некоторого условия. Здесь В - условие (предикатная вершина), в зависимости от истинности (Т) или ложности (F) которого управление передается по одной из двух ветвей. Объединяющая вершина обозначена - О. Схемы в, гна рис. 3 - структуры, в которых получение результата обеспечивается многократным повторением одних и тех же операций. Это - циклическиеалгоритмы с предусловием и постусловием. Схему (блок-схему) алгоритма можно изобразить, например, вызвав через меню текстового процессора MSWord команды: Вид " Панели инструментов " Рисование с помощью Автофигур (группа Блок-схема), где представлены начертания всех стандартных фигур и их обозначения. Надписи в фигурах следует создать с помощью команд: Вставка "Надпись". Типовая блок-схема алгоритма линейнойструктуры показана на рис. 4. Типовая блок- схема алгоритма разветвляющейся структуры представлена на рис. 5.  В схеме разветвления алгоритма операцию проверки условия выполняет логический блок, изображенный ромбом, внутри которого указывается проверяемое условие (отношение), и имеется два выхода: ДА и НЕТ. Если условие истинно, то выходим на ДА, если ложно - то НЕТ. Типовая блок-схема алгоритма циклической структуры показана на рис. 6.  Рис. 6. Блок-схема алгоритмов циклической структуры: ɑ - цикл с предусловием; b – цикл с постусловием Для составления алгоритма следует: осмыслить условия (требования) задачи, т.е. выяснить, что является исходными данными, какие из них допускаются в задаче, что является результатом; составить строгую формулировку задачи по следующей форме: задача, аргументы, ограничения, результаты; записать описательную часть алгоритма и наметить план решения, т.е. процедурную часть, составив ее в произвольной словесной форме; переписать алгоритм, используя допустимые для предполагаемого исполнителякоманды, оставляя неясные места; многократно переписывать алгоритм, каждый раз уделяя внимание вопросам, оставшимся от предыдущего шага, более мелким деталям, пока не получится текст, по которому можно писать программу для исполнителя (не обязательно компьютера). Чтобы алгоритм стал понятен ЭВМ, его следует закодировать - перевести на строго формализованный язык, т.е. язык программирования. Кодирование - процесс достаточно механический, но требует твердого знания команд и синтаксиса языка программирования. Алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой для ЭВМ. Языки эти формальные, специально созданные для общения человека с компьютером. Каждый языкпрограммированияимеет алфавит, словарный запас, грамматику, синтаксис и семантику. Алфавит-фиксированный набор символов, допускаемых для составления текста программы на этом языке. Синтаксис- система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита. Семантика- система правил однозначного толкования отдельных языковых конструкций, позволяющих воспроизвести выполнение процесса обработки данных. Если программа написана в машинных кодах, то она может сразу исполняться ЭВМ. Но писать такие программы сложно, они очень громоздки и плохо воспринимаются человеком. Если формальный язык, на котором написана программа, хорошо понятен человеку, но не может сразу быть воспринят компьютером, то создают специальные программы (трансляторы: компиляторы или интерпретаторы), осуществляющие автоматический перевод программ с языка программирования в машинные коды. Предположим, что исполнителем алгоритма будет ЭВМ, т. е. электронный автомат. Компьютер, к сожалению, не воспринимает команды на естественном языке. Для управления компьютером необходимо освоить специальный командный язык. Внутри себя компьютер составляющими его микроэлектронными устройствами командует на внутреннем машинном языке, удобном для микроэлектроники. Людям трудно общаться на этом языке, его понимают только специалисты. Для общения между компьютером и человеком, точнее, для приказов компьютеру что-то делать, изобретены специальные языки, названные языками программирования. На этих языках составляются программы - совокупности команд для управления компьютером. Программа- упорядоченный список команд (инструкций, включающих операторы и параметры) на языке программирования. Такая программа называется исходным текстом или исходным кодом. Для реализации программы она должна быть откомпилирована, в результате чего образуется объектныйкод,записанный в машинных кодах. Для подключения к программе необходимых стандартных процедур и функций используют программу редактор связей, которая выполняет эту работу, извлекая из библиотек стандартных подпрограмм необходимые и вставляя их в объектный код. Полученная программа называется исполняемымкодоми является уже рабочейпрограммой,которую можно запустить на исполнение. Для записи исходного текста программы прежде всего необходимы три простые команды: присваивание, ввод, вывод. Команда присваивания служит для изменения состояния объектов алгоритма и обозначается, например в языке Pascal, символом := (например, Х:=1, А:=В). Команды ввода-вывода необходимы для связи ЭВМ с внешним миром. Эти команды относятся к разряду основных и реализованных в любой машине. Основной единицей программы, выполняющей определенные действия над данными, является оператор.Операторы бывают управляющие и обрабатывающие. В программах для ЭВМ используются описания объектов следующих типов: целые, вещественные, литерные (символьные) и др. С каждым типом связан свой способ представления объекта в памяти ЭВМ. Основная структура программы на языке Паскаль имеет следующие разделы: заголовок, описание данных, начало программы, операторы, конец программы. Здесь приведен пример записи алгоритма на учебном алгоритмическом языке и программы на языке Паскаль для решения конкретной задачи. Пример. Найти периметр и площадь круга радиуса R. Аргументы: R- радиус круга, вещественное число. Результаты: L-периметр круга, вещественное число;  S-площадь круга, вещественное число.  Программы, записанные на любом языке программирования, сначала с помощью трансляторов переводят в машинный код. А с помощью программ-отладчиков, позволяющих находить ошибки в программе, можно посмотреть во время работы ее машинные коды. Машинный код записывается в шестнадцатеричной системе счисления, двузначными числами или обозначениями (например, 33, 41, 45, СО, F6 и т. д.), каждому из которых отведен байт, находящийся в своей ячейке памяти. Таким образом, программа в машинном коде - это набор байтов, которые процессор понимает и их различает: команды, числа, символы, адреса. Более понятным программистам, чем машинный код, является специальный код - код ассемблера. Он записывается в виде мнемоник. Каждая команда - мнемоника (сокращенные слова английского языка). Например, машинный код, представленный числом 93 в виде мнемоники, записывается как EXCHG ВХ, АХ и означает: обменять (EXCHG) содержимое регистров ВХ и АХ. Иногда системные программы пишут на ассемблере, а потом переводят в машинный код - ассемблирование или наоборот, чтобы легче было читать программу, выполняют дисассемблирование. Постепенно программы накапливались, особенно на процессы, выполняемые наиболее часто (например ввод данных с клавиатуры и вывод информации на экран и т. д.). Такие небольшие программы (процедуры) называют стандартными. В настоящее время программист при создании большой программы обращается к библиотекам стандартных программ, извлекает необходимые программы-процедуры и включает их в свою программу. Это значительно облегчает процесс программирования. С самого начала следует выработать хороший стиль программирования и оформления программ: при создании давать им содержательные имена (идентификаторы), использовать ступенчатую форму записи, каждый оператор размещать на отдельной строке, давать ясные комментарии, размещать текст программы только в рамках экрана и т.п. 1 2 |