algorytmy

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Algorytmy wokół nas
Temat 1
Podstawowe pojęcia.
Codziennie, na każdym kroku człowiek musi rozwiązywać rozmaite problemy. Problemem jest tutaj każda, nawet
najprostsza czynność – na przykład obejrzenie filmu, otwarcie okna, czy zaparzenie herbaty. Czynności te dla nikogo nie
stanowią problemu, jednak spróbuj sobie wyobrazić, że musisz zbudować robota, który rozumie tylko kilka podstawowych
czynności np. krok w przód, obróć, podnieś itd. Musisz mu podać listę zadań, aby otworzył okno. Nie jest to już takie
proste, zwłaszcza, że Twój robot powinien umieć otwierać każde okno jednoskrzydłowe, dwuskrzydłowe, małe duże, z
różnymi klamkami Taką listę czynności, którą należy wykonać aby osiągnąć określony cel nazywamy algorytmem.
Algorytm
to przepis rozwiązania zadania, zawierający opis danych wraz z opisem czynności, które należy w określonym
porządku wykonać, aby osiągnąć określony cel.
Bardzo dobrym przykładem algorytmu w życiu codziennym jest
przepis kulinarny
. Przykładowo przepis na placek zawiera
wszystkie elementy klasycznego algorytmu: są dane początkowe, czyli składniki i jest opis czynności jakie należy na tych
składnikach wykonać , aby uzyskać pożądany efekt. Jest również podana kolejność, której należy bezwzględnie
przestrzegać. Jest i opis wyników – czyli np. ciasto z kremem czekoladowym.
Nie każde czynności są algorytmem.
Algorytm musi posiadać następujące cechy:
•
poprawność
– dla każdego popularnego zestawu danych, po wykonaniu skończonej liczby czynności, prowadzi
do poprawnych wyników;
•
jednoznaczność
– w każdym przypadku jego zastosowania, dla tych samych danych uzyskamy ten sam wynik
•
szczegółowość
– aby wykonawca algorytmu rozumiał opisane czynności i potrafił je wykonać
•
uniwersalność
– aby służył do rozwiązywania pewnej grupy zadań, a nie tylko jednego zadania: np. algorytm jest
przepisem na rozwiązanie równania postaci
ax+b=0
dla dowolnych współczynników
a
i
b
, a nie – jednego
konkretnego równania, np
. 2x+3=0
W rozwiązywaniu problemów należy zwracać uwagę na szereg po sobie występujących
akcji
, które realizują w
skończonym czasie pewien
proces
lub obliczenie. Każda z akcji wymaga istnienia
obiektów
, do których się odnosi.
Efektem wystąpienia akcji jest osiągnięcie
wyniku.
Opis akcji nazywamy działaniem,
instrukcją
albo
operacją
. Natomiast ich zbiór jest algorytmem.
Algorytm
jest gotowym
rozwiązaniem pewnego problemu. Rozwiązanie to można zapisać za pomocą jakiegoś języka programowania, tak aby
dany problem mógł być rozwiązany przez komputer. Algorytm zapisany w języku programowania nazywamy programem.
Dane są to pewne informacje, które należy dostarczyć programowi na pewnym etapie jego działania – na przykład podać
jakieś liczby, które program przetworzy.
Różnica między ogólnym algorytmem a programem komputerowym jest taka, że program jest algorytmem przedstawionym
ściśle według pewnych reguł językowych (języka programowania).
Językiem programowania
jest jakiś zbiór zdań
zbudowanych ze słów, które są ciągami liter i cyfr oraz znaków specjalnych. Każdy język ma swoja składnię i budowę.
Słowa kluczowe takich języków są zbliżone do języka naturalnego, najczęściej jest to kombinacja słów i skrótów z języka
angielskiego. Języki takie nazywamy
językami wysokiego poziomu
. Program zapisany w takim języku nie jest jeszcze
takim programem, który komputer mógłby wykonać, ponieważ rozumie on tylko specjalne sekwencje rozkazowe, które w
gruncie rzeczy są zestawem zer i jedynek. Aby było możliwe wykonanie takiego programu musi on zostać
skompilowany
,
czyli przetłumaczony na postać binarną, zrozumiałą dla komputera. Do najpopularniejszych języków programowania
wysokiego poziomu należą: Turbo Pascal, Basic, C++, Algol, Fortran, Cobol, Delphi i inne.
Druga grupę stanowią języki maszynowe tzw.
asemblery
, które przeznaczone są dla informatyków zajmujących się
podstawowym oprogramowaniem komputera (tworzeniem systemów operacyjnych). Każdy mikroprocesor posiada swój
język maszynowy. Języki te nazywa się tez często
językami niskiego poziomu
. Są one bardzo trudne, gdyż ich składnia
bliższa jest samemu komputerowi niż człowiekowi, który myśli za pomocą pojęć języka naturalnego, a nie sekwencji zer i
jedynek. Inna grupa języków programowania to
języki zorientowane problemowo
– przeznaczone dla specjalistów z
jakiś dziedziny, na przykład konstruktorów mostów, układów scalonych, systemów zarządzania bazami danych itd.
opracował: Dariusz Stachecki
Algorytmy wokół nas
Temat 2
Schematy blokowe jako metoda prezentacji algorytmów.
IIstnieje kilka sposobów prezentacji algorytmów. Algorytmy możemy przedstawiać za pomocą języka naturalnego – w
postaci listy kolejnych kroków wraz z opisem czynności, za pomocą umownego języka strukturalnego albo za pomocą
schematów blokowych. Ta ostatnia metoda jest najpowszechniej używana.
Schematy blokowe są graficzną formą
prezentacji algorytmu, obrazującą przebieg jego działania, ułatwiającą zapis algorytmu w języku programowania.
Służą również do zapisu modułów algorytmicznych, czyli fragmentów programu zwanych procedurami
. Schematy
konstruuje się ze specjalnych, ściśle określonych elementów graficznych, zwanych skrzynkami oraz połączeń między nimi
wyznaczających przebieg algorytmu.
Skrzynka operacyjna – zwana też instrukcyjną, jest
prostokątem, w którym znajdują się
instrukcje. Ze skrzynki operacyjnej wychodzi tylko jedno połączenie. W takiej skrzynce dokonujemy
przypisania wartości zmiennym. Do tego celu używa się operatora „
: =
” Przykładowo: „a : = b+2” oznacza:
zmiennej „a” przypisz (albo weź podstaw) wartość zmiennej „b + 2”.
Skrzynka warunkowa
, która wyznacza kierunek przebiegu algorytmu w zależności od
spełnienia, bądź nie spełnienia warunku zapisanego wewnątrz rombu. Jeżeli warunek
jest spełniony, algorytm przebiega w kierunku zgodnym ze strzałką oznaczoną litera „T”
(TAK), a jeżeli nie, to w kierunku wyznaczonym przez strzałkę „N” (NIE).
Skrzynka wejścia / wyjścia
. Ma kształt równoległoboku. Znajdują się w niej instrukcje
pobierania danych do algorytmu lub wyprowadzania wyniku. Przykładowo: „podaj a” –
oznacza pobranie do programu wartości, która będzie przypisana zmiennej „a”; „pisz
wynik” – oznacza instrukcję wyprowadzająca z programu wartość zmiennej „wynik”.
Skrzynka początku i końca
– wyznaczają początek i koniec algorytmu. W całym
algorytmie może znajdować się tylko jedna skrzynka START, która ma tylko jedno
wyjście oraz tylko jedna skrzynka STOP, która ma tylko jedno wejście.
Przykład 1
Skonstruuj algorytm obliczania sumy dwóch liczb.
Rozwiązanie
:
Rozwiązanie w postaci schematu blokowego pokazuje przebieg algorytmu. Pobierane są
wartości dwóch liczb i zapisywane odpowiednio w zmiennej „a” oraz „b”. W konstrukcji
algorytmu została też użyta zmienna „s” oznaczająca sumę. W skrzynce instrukcyjnej
nastąpiło przypisanie wartości zmiennej „s” sumy wartości zmiennych „a” i „b”. Następnie
w skrzynce wejścia / wyjścia został wyprowadzony wynik i algorytm kończy swój
przebieg.
Przykład ten jest bardzo prostym przykładem. Nie została tutaj użyta skrzynka
warunkowa. Spróbuj przekształcić ten algorytm tak, aby obliczał iloraz liczb a i b.
Pamiętaj, iż dzielnikiem nie może być zero! Wobec tego powinieneś użyć skrzynki
warunkowej, tak aby działanie mogło się odbyć na prawidłowych wartościach.
Temat 3-4
Schematy blokowe – ćwiczenia w konstrukcji algorytmów.
Przykład 1
Spróbujmy skonstruować algorytm wyznaczania pierwiastków równania liniowego ax+b=0. Aby rozwiązać to równanie,
należy wziąć pod uwagę następujące przypadki:
•
a=0, b=0 – wtedy równanie posiada nieskończenie wiele rozwiązań
•
a=0; b
≠
0 – wtedy równanie nie posiada rozwiązania – mówimy, że jest sprzeczne
•
a
≠
0 – wtedy równanie posiada jedno rozwiązanie x= -b/a
Spróbujmy teraz ułożyć algorytm rozwiązania posługując się językiem naturalnym:
1. Podajwartości współczynników a i b
2. Sprawdź, czy a=0.
•
Jeżeli a=0, to sprawdź, czy b=0
•
jeżeli a=0, b=0, to napisz, że x jest dowolne, czyli nieskończenie wiele rozwiązań
•
jeżeli a=0, b
≠
0 to napisz, że równanie jest sprzeczne i brak jest odpowiedzi
3. Jeżeli a
≠
0, to wykonaj obliczenie: x= -b/a
A oto graficzne przedstawienie powyższego algorytmu:
opracował: Dariusz Stachecki
Algorytmy wokół nas
Przykład 2
Korzystając z algorytmu Euklidesa wyznacz największy wspólny dzielnik (NWD) dwóch liczb naturalnych.
Analiza problemu:
Algorytm Euklides polega na sprawdzeniu, czy dwie liczby naturalne są sobie równe. Jeżeli tak, to za wartość NWD
przyjmuje się wartość jednej z tych liczb, jeżeli nie, to dalej algorytm polega na odejmowaniu większej liczby od
mniejszej i przypisaniu wyniku zmiennej reprezentowanej przez odjemną. Czynność tę wykonuje się tak długo, dopóki
nie otrzyma się dwóch liczb sobie równych. Wtedy jest to wspólny dzielnik. Przykładowo a=25, b=15. Wtedy algorytm
Euklidesa będzie miał następujący przebieg:
1. a>b
Æ
a:25-15=10
2. a<b
Æ
b:=15-10 = 5
3. a>b
Æ
a:= 10-5 =5
4. a=b
Æ
S :=5
A oto graficzna prezentacja tego algorytmu:
s:=a
zadania:
1. Przygotuj algorytm sprawdzania parzystości podanej liczby. Algorytm zapisz za pomocą schematu blokowego
2. Danesą trzy liczby a, b c. Przygotuj algorytm wyznaczania największej z nich. Zapisz go za pomocą schematu
blokowego.
3. Skonstruuj algorytm obliczający średnią arytmetyczną sumy 10 kolejnych liczb parzystych (od 2 do 20).
Algorytm zapisz za pomocą schematu blokowego
4. Dane są trzy odcinki a, b, c. Sprawdź, czy można z nich zbudować trójkąt. Algorytm zapisz za pomocą
schematu blokowego
5. Skonstruuj algorytm obliczającego sumę „n” kolejnych liczb naturalnych począwszy od liczby „a”.
6. Zbuduj algorytm prostej gry – zgadywanki, która polega na tym, ze komputer losuje jakąś liczbę, a gracz
zgaduje jaka to liczba. Następnie komputer daje odpowiedz „za dużo” albo „za mało”, a gdy liczba zostanie
odgadnięta, to daje komunikat „Brawo! odgadłeś!” Niech komputer sprawdza tez ilość prób, jakie gracz
wykonał, żeby odgadnąć liczbę.
opracował: Dariusz Stachecki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]