Любое управление процессом требует определенных правил и четких действий. Компьютер – это устройство, предназначенное для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи данных, а значит здесь должны выполняться четкие предписания для выполнения той или иной задачи.
Для создания программ, предназначенной для решения на ЭВМ какой-либо задачи, требуется составление алгоритма ее решения.
Алгоритмами, например, являются правила сложения, умножения, решения алгебраических уравнений, умножения матриц и т.п. Слово алгоритм происходит от algoritmi, являющегося латинской транслитерацией арабского имени хорезмийского математика IX века аль-Хорезми. Благодаря латинскому переводу трактата аль-Хорезми европейцы в XII веке познакомились с позиционной системой счисления, и в средневековой Европе алгоритмом называлась десятичная позиционная система счисления и правила счета в ней.
Иными словами, алгоритм – это точная инструкция, а инструкции встречаются практически во всех областях человеческой деятельности. Возможны алгоритмы проведения физического эксперимента, сборки шкафа или телевизора, обработки детали. Однако не всякая инструкция есть алгоритм.
Инструкция становится алгоритмом только тогда, когда она удовлетворяет определенным требованиям. Одно из требований алгоритма однозначность, т.е. если при применении к одним и тем же данным он даст один и тот же результат.
Применительно к ЭВМ алгоритм позволяет формализовать вычислительный процесс, начинающийся с обработки некоторой совокупности возможных исходных данных и направленный на получение определенных этими исходными данными результатов. Термин вычислительный процесс распространяется и на обработку других видов информации, например, символьной, графической или звуковой.
Если вычислительный процесс заканчивается получением результатов, то говорят, что данный алгоритм применим к рассматриваемой совокупности исходных данных. В противном случае говорят, что алгоритм неприменим к совокупности исходных данных. Любой применимый алгоритм обладает следующими основными свойствами:
· дискретностью;
· определенностью;
· результативностью;
· массовостью.
Дискретность – последовательное выполнение простых или ранее определённых (подпрограммы) шагов. Преобразование исходных данных в результат осуществляется дискретно во времени.
Определенность состоит в совпадении получаемых результатов независимо от пользователя и применяемых технических средств (однозначность толкования инструкций).
Результативность означает возможность получения результата после выполнения конечного количества операций.
Массовость заключается в возможности применения алгоритма к целому классу однотипных задач, различающихся конкретными значениями исходных данных (разработка в общем виде).
Для задания алгоритма необходимо описать следующие его элементы:
· набор объектов, составляющих совокупность возможных исходных данных, промежуточных и конечных результатов;
· правило начала;
· правило непосредственной переработки информации (описание последовательности действий);
· правило окончания;
· правило извлечения результатов.
Алгоритм всегда рассчитан на конкретного исполнителя. В нашем случае таким исполнителем является ЭВМ. Для обеспечения возможности реализации на ЭВМ алгоритм должен быть описан на языке, понятном компьютеру, то есть на языке программирования.
Понятия алгоритма и программы разграничены не очень чётко. Обычно программой называют окончательный вариант алгоритма решения задачи, ориентированный на конкретного пользователя.
Таким образом, можно дать следующее определение программы для ЭВМ:
К основным способам описания алгоритмов можно отнести следующие:
· словесно-формульный (на естественном языке);
· структурный или блок-схемный;
· с использованием специальных алгоритмических языков;
· с помощью граф-схем (граф – совокупность точек и линий, в которой каждая линия соединяет две точки. Точки называются вершинами, линии – рёбрами).
Перед составлением программ чаще всего составляют алгоритм решения поставленной задачи одним из вышеописанных способов.
При словесно -формульном способе алгоритм записывается в виде текста с формулами по пунктам, составляющих последовательность действий.
Пусть, например, необходимо найти значение следующего выражения:
у = 4а – (х + 3).
Словесно-формульным способом алгоритм решения этой задачи может быть записан в следующем виде:
1. Ввести значения а и х.
2. Сложить х и 3.
3. Умножить а на 4.
4. Вычесть из 4а сумму (х+3).
5. Вывести у как результат вычисления выражения.
При блок -схемном описании алгоритм изображается геометрическими фигурами (блоками), связанными по управлению линиями (направлениями потока) со стрелками. В блоках записывается последовательность действий.
Такой вид записи алгоритма обладает наибольшими достоинствами. Он наиболее нагляден: каждая операция вычислительного процесса изображается отдельной геометрической фигурой. Кроме того, графическое изображение алгоритма наглядно показывает разветвления путей решения задачи в зависимости от различных условий, повторение отдельных этапов вычислительного процесса и другие детали.
Оформление программ должно соответствовать определенным требованиям (рис. 2.). В настоящее время действует единая система программной документации (ЕСПД), которая устанавливает правила разработки, оформления программ и программной документации. В ЕСПД определены и правила оформления блок-схем алгоритмов (ГОСТ 10.002-80 ЕСПД, ГОСТ 10.003-80 ЕСПД).
Одним из свойств алгоритма является дискретность, т.е. представление процесса вычислений на отдельные шаги и выделения отдельных участков программы на определенные структуры.
Любой вычислительный процесс может быть представлен как комбинация элементарных алгоритмических структур:
· Следование. Предполагает последовательное выполнение команд сверху вниз. Если алгоритм состоит только из структур следования, то он является линейным.
· Ветвление. Выполнение программы идет по одной из двух, нескольких или множества ветвей. Выбор ветви зависит от условия на входе ветвления и поступивших сюда данных.
· Цикл. Предполагает возможность многократного повторения определенных действий. Количество повторений зависит от условия цикла.
· Функция (подпрограмма). Команды, отделенные от основной программы, выполняются лишь в случае их вызова из основной программы (из любого ее места). Одна и та же функция может вызываться из основной программы сколь угодно раз.
При этом выделят три основных вида алгоритмов:
Современные системы программирования обычно предоставляют пользователям мощные и удобные средства разработки программ. В них входят:
· компилятор или интерпретатор;
· интегрированная среда разработки;
· средства создания и редактирования текстов программ;
· обширные библиотеки стандартных программ и функций;
· отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;
· "дружественная" к пользователю диалоговая среда;
· многооконный режим работы;
· мощные графические библиотеки; утилиты для работы с библиотеками;
· встроенный ассемблер;
· встроенная справочная служба;
· другие специфические особенности.
1. Понятие алгоритма
Алгоpитм – это точное и понятное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи. Название "алгоритм " произошло от латинской формы имени среднеазиатского математика аль-Хорезми - Algorithmi.
Исполнитель алгоритма - это некоторая абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом. Исполнителя характеризуют: среда, элементарные действия, система команд, отказы. Среда (или обстановка) - это "место обитания" исполнителя. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка - системы команд исполнителя. Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды. После вызова команды исполнитель совершает соответствующее элементарное действие . Отказы исполнителя возникают, если команда вызывается при недопустимом для нее состоянии среды.
В информатике универсальным исполнителем алгоритмов является компьютер.
2. Свойства алгоритмов
Можно выделить следующие основные свойства алгоритмов:
1) Понятность для исполнителя - т.е. исполнитель алгоритма должен знать, как его выполнять.
2) Дискретность (прерывность, раздельность) - т.е. алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых или ранее определенных шагов.
3) Определенность - т.е. каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для разночтений.
4) Результативность (или конечность). Это свойство состоит в том, что алгоритм должен приводить к решению задачи за конечное число шагов.
5) Массовость - означает, что алгоритм решения задачи pазpабатывается в общем виде, т.е. он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся лишь исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма .
3. Формы представления алгоритмов
Наиболее распространенными формами представления алгоритмов являются: словесная, графическая, псевдокоды и программная.
1) Словесная форма записи представляет собой описание последовательных этапов обработки данных на естественном языке (например, на русском).
Пример. Записать алгоритм нахождения наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел.
Алгоритм: 1) задать два числа; 2) если числа равны, то взять любое из них в качестве ответа и остановиться, в противном случае продолжить выполнение алгоритма; 3) определить большее из чисел; 4) заменить большее из чисел разностью большего и меньшего из чисел; 5) повторить алгоритм с шага 2.
Описанный алгоритм применим к любым натуральным числам и должен приводить к решению поставленной задачи за конечное число шагов.
Словесный способ не имеет широкого распространения, поскольку такие описания:
а) строго не формализуемы;
б) страдают многословностью записей;
в) допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.
2) Графический способ представления алгоритмов является более компактным и наглядным по сравнению со словесным. При графическом исполнении алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного из действий. Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой . В блок-схеме каждому типу действий соответствует геометрическая фигура, называемая блочным символом. Блочные символы соединяются линиями переходов , определяющими очередность выполнения действий.
Подробнее об этом ниже…
3) Псевдокод представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов. Он 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 служебные слова и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи. Служебные слова выделяются в печатном тексте жирным шрифтом, а в рукописном тексте подчеркиваются для того, чтобы их можно было отличить от остального текста.
Пример. 1) задать два числа x и y; 2) ЕСЛИ x=y, ТО НОД=x и КОНЕЦ; 3) ЕСЛИ x>y, ТО x=x-y, ИНАЧЕ y=y-x; 4) ПЕРЕЙТИ в пункт 2.
4) Программная форма представляет собой тексты программ, написанных на различных языках программирования.
Ниже приведены графические обозначения на блок-схемах.
|
Структура “следование” |
|
|
|
(цикл ПОКА) |
|
|
На схемах СЕРИЯ обозначает один или несколько любых операторов; УСЛОВИЕ есть логическое выражение (ЛВ) (если его значение ИСТИНА, переход происходит по ветви ДА, иначе - по НЕТ). На схеме цикла с параметром использованы обозначения: ПЦ - параметр цикла, НЗ - начальное значение параметра цикла, КЗ - конечное значение параметра цикла, Ш - шаг изменения параметра цикла.
Начало и конец алгоритма на блок-схемах обозначают овалом, вводимые и выводимые переменные записываются в параллелограмме.
В последнее время все чаще встречаю мысли о переходе на специальность разработчика . Будь то менеджер, консультант, военный офицер, физик ядерщик или ландшафтный дизайнер - все захотели стать программистами. Попробуем разобраться, почему это происходит и к чему может привести.Хорошо, если он обучается на платном отделении, а если за счет государства? Это значит, что кто-то, мечтавший стать архитектором, менеджером, финансистом, военным, не попал на это место. Ему пришлось искать другое место под солнцем, возможно, он пошел учиться на программиста.
Приведу несколько жизненных примеров:
«Найди себе дело по душе и ни единой минуты в жизни ты не будешь работать» - Конфуций. Важно не потратить на поиск этого дела всю жизнь, иначе придется всю жизнь «вкалывать».
В одной компании, моей знакомой и всему отделу по работе с клиентами показали, как верстать страницы, рассказали, что такое теги. Они даже сверстали простые странички.
Но не стоит считать себя после этого знающим все о программировании. Это только начало. А вот дальше надо изучать множество сложных, и попроще материалов и технологий, несколько томов алгоритмов и несчетное число хороших практик и методик.
Все же, думаю, большинство «новых программистов» стремятся больше зарабатывать: сидишь себе - деньги получаешь. Правда, потом такие люди сильно подводят свою команду, работают не в полную силу. А если еще и начальство закроет на это глаза (да, да, такое бывает!), то с ними каши не сваришь, google не разработаешь.
Как показывают исследования . IT в России - не самая высокооплачиваемая отрасль. Она занимает лишь третье место. На втором месте сырьевые отрасли, а на первом - высший менеджмент . Из-за специфики IT, программист никогда не достигнет ступеньки высшего менеджмента. Максимум, на что стоит рассчитывать, это должность руководителя отдела, ведущего направления, директора собственной компании.
Поэтому делайте выводы. Смена рода деятельности серьезный шаг, он должен быть обдуман. Минимум, надо будет изучить современный курс программирования, и это займет не один год.
P.S. В комментариях спрашивают про цели заметки: серьезнее относиться в выбору профессии, заниматься только любимым делом, учиться тому что нравится, профессионально расти, а не пробовать все понемногу без определенной цели. Удивляют люди, которые в 30-40 лет так и не смогли найти себе занятие по душе.
Курс знакомит слушателей с базовыми структурами данных и алгоритмами, знание которых необходимо для эффективного решения разнообразных задач программирования. Авторы курса занимаются поиском и подготовкой одаренных в области информатики и программирования студентов и школьников. Под их руководством студенческие команды многократно становились чемпионами России по программированию, чемпионами мира и Европы.
Курс посвящен изучению базовых алгоритмов и структур данных, знание которых необходимо для эффективного решения разнообразных задач программирования. Рассматриваются различные алгоритмы сортировки, линейные структуры данных, такие как очереди и списки, алгоритмы и структуры данных для эффективного поиска и хранения информации - сбалансированные деревья поиска и хеши, а также алгоритмы поиска подстрок.
Цель курса - получение базовых знаний об основных алгоритмах и структурах данных, используемых для хранения и поиска информации.В курсе используется система автоматического тестирования программ, обеспечивающая объективную оценку корректности выполнения заданий по программированию.
После прохождения курса обучающиеся приобретут навыки анализа и реализации базовых алгоритмов программирования и структур данных, а также проектирования и разработки средств реализации прикладных информационных технологий.
Прохождение курса «Алгоритмы программирования и структуры данных» позволит существенно повысить продуктивность и конкурентоспособность слушателей при разработке программного обеспечения.
В состав курса входят видеолекции, опросы по материалам лекций и практические задания по программированию, предполагающие самостоятельную реализацию изучаемых в курсе алгоритмов и структур данных на одном из предложенных современных языков программирования. Курс рассчитан на десять недель. Средняя недельная нагрузка на обучающегося - 14 часов. Общая трудоемкость курса составляет четыре зачетных единицы.
Для прохождения курса и выполнения всех предложенных заданий достаточно материалов видеолекций. Однако для углубления знаний по изучаемой тематике можно воспользоваться следующими дополнительными источниками:
Для успешного освоения курса необходимы знание основ дискретной математики, умение писать программы среднего размера на объектно-ориентированном языке программирования.
Для прохождения курса требуется любой общедоступный компилятор одного из следующих языков программирования:
В курсе рассматриваются следующие темы:
Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели. На каждой неделе выдаются задания по программированию, предполагающие самостоятельную реализацию изучаемых в курсе алгоритмов и структур данных.
В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):
– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;
– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.
Аннотация: Предмет науки программирования. Пример и свойства алгоритма. Парадигмы программирования (директивное, объектно-ориентированное и функционально-логическое программирование).
Эта глава, с которой начинается изучение курса, служит двум основным целям:
В процессе знакомства с теоретическим материалом главы может возникнуть ощущение его оторванности от нужд практики - решения конкретных задач на языке Java. С другой стороны, именно решение задач на программирование должно привести к осознанному пониманию того факта, что написать правильную и эффективную программу совсем не так просто, как это кажется на первый взгляд.
Знание необходимых теоретических основ позволит во второй главе перейти к изучению методов построения программ и доказательства их правильности - теории, которая будет применяться для практического написания программ параллельно со знакомством с ней. Таким образом, два кажущиеся совершенно не связанными друг с другом потока изучения материала - теоретический и практический, сольются в один уже в следующей главе. Пока же читателю остается только поверить в то, что знание всего материала первой главы является необходимым условием для успешного перехода к изучению следующей.
И последнее замечание - чисто технологическое. На первой стадии изучения языка Java полезно отвлечься от того факта, что он является объектно-ориентированным, и сосредоточиться на содержательных проблемах корректной реализации алгоритма. Однако это не так просто сделать - написание даже самой простейшей программы на нем невозможно без понимания основных концепций ООП. Для частичного решения этой проблемы используется созданный специально для этих целей класс Xterm , ограждающий начинающего программиста от сложностей реального мира языка Java.
С давних пор человеку приходится создавать описания последовательностей действий, требуемых для достижения некоторой поставленной цели. Такие описания могут быть рассчитаны на их выполнение людьми или автоматическими устройствами. Тексты, написанные для людей, как правило, обладают известной степенью неопределенности и неформальности. Примером может служить фраза из кулинарного рецепта о щепотке соли. Только весьма опытный человек в состоянии правильно посолить блюдо в соответствии с подобной рекомендацией.
Этот пример вполне объясняет, почему описания последовательности действий, предназначенные для автоматического устройства, должны быть совершенно однозначны и заданы с помощью некоторой формальной системы обозначений. Очень часто создание таких описаний связано со значительными техническими и принципиальными трудностями. Данная проблема стала чрезвычайно актуальной в связи с повсеместным распространением электронных вычислительных машин (ЭВМ), часто используемых в качестве .
Описание последовательности действий, достаточно определенное для того, чтобы ее можно было выполнить при помощи некоторого автоматического устройства называют алгоритмом (algorithm) . Обычно эту последовательность записывают (кодируют) с помощью некоторых формальных обозначений. При этом формальная система, предназначенная для записи алгоритмов, называется алгоритмическим языком , сам текст алгоритма - программой , а процесс его создания - программированием .
Наука программирования (computer science) занимается исследованием свойств алгоритмов и разработкой методов построения программ. По своему положению и используемым методам она является областью прикладной математики. Все попытки подхода к программированию как к технической дисциплине, а к созданию программ как к промышленному производству, неизменно терпели неудачу.
Заметим, что данное выше "определение" алгоритма достаточно расплывчато и, фактически, определением не является. В математике существует несколько вполне четких определений алгоритма, эквивалентных между собой, и большинство из них не слишком трудны для понимания. Все они, однако, требуют хорошего знания определенных областей математики и поэтому в начале мы не будем отвлекаться на (весьма важные и интересные) подробности, необходимые для строгого изложения понятия алгоритма. Вместо этого мы рассмотрим пример алгоритма, а потом перечислим основные свойства, которыми должен обладать любой алгоритм.
Подход, когда некоторое не до конца четко определенное понятие активно используют, в науке весьма типичен. Например, точные определения натуральных и действительных чисел не рассматривают ни только в средней школе, но даже и в большинстве ВУЗов. Более того, говорят, что сороконожка даже ходить разучилась, когда задумалась над тем, в каком порядке она переставляет ноги.
Пусть нам нужно решить задачу нахождения наименьшего простого делителя натурального числа , большего единицы. Напомним, что простым называется число, не имеющее делителей, отличных от единицы и его самого, причем единица в множество простых чисел не входит. Вот как в этой книге мы будем записывать формулировки задач и их решения:
Задача 1.1 . Придумайте алгоритм, вводящий натуральное число, большее единицы,который находит наименьший простой делитель этого числа.
Алгоритм решения задачи .
Алгоритм П :
П1 : Положить целое число равным двум и перейти на шаг П2.
П2 : Если делится нацело на , то завершить работу алгоритма, выдав в качестве результата ; иначе перейти на шаг П3.
П3 : Увеличить значение на единицу и перейти на шаг П2.
Для того чтобы понять этот алгоритм, надо выступить в роли компьютера (или скорее даже универсального исполнителя команд ), выполняя вручную указанную в нем последовательность действий для некоторых небольших значений . Будем записывать значения величины после каждого шага алгоритма.
| k = 3 | k = 4 | k = 2 |
| П1: i = 2 | П1: i = 2 | П1: i = 2 |
| П2: i = 2 | П2: i = 2 | П2: i = 2 |
| П3: i = 3 | ||
| П2: i = 3 |
Подобное исследование дает основание полагать, что после завершения работы алгоритма переменная действительно будет содержать наименьший простой делитель исходного числа . В данном случае это не сложно доказать и совершенно строго. Обязательно сделайте это.
Основные свойства любого алгоритма - это конечность, определенность, вход (ввод), выход (вывод) и эффективность. Рассмотрим их последовательно более подробно.
Конечность . Алгоритм должен всегда заканчиваться после выполнения конечного числа шагов. Алгоритм П удовлетворяет этому условию, так как величина вначале меньше , ее значение увеличивается на единицу к каждому очередному выполнению шага П2, и поэтому выполнение алгоритма будет прекращено на шаге П2 при , если - простое число, или ранее при составном .
Определенность . Действия, которые необходимо произвести на каждом шаге, должны быть определены строго и недвусмысленно в каждом возможном случае. В данном примере применена достаточно определенная, хотя и не вполне формальная система обозначений. Чаще алгоритмы записывают с использованием более формальных алгоритмических языков, называемых также языками программирования , в которых каждое утверждение имеет точный смысл.
В настоящее время существует несколько тысяч языков программирования, десятки из них используется весьма активно. Такое большое число языков обусловлено разнообразием областей применения, различием в аппаратуре, для которой пишутся программы, и в уровне подготовки людей, их пишущих, а также существованием нескольких учений о том, как надо писать программы (так называемых парадигм программирования ).
Вход (input) . Алгоритм всегда имеет некоторое (иногда равное нулю) количество входных данных, то есть величин, передаваемых ему до начала работы. В алгоритме П, например, одна входная величина - целое число , большее единицы. Примером алгоритма, имеющего пустое множество входных данных, может служить алгоритм, вычисляющий 1000-е простое число.
Выход (output) . Алгоритм всегда обязан иметь одну или несколько выходных величин. В случае алгоритма П такой величиной является число . Алгоритмы, не имеющие выходных данных, бесполезны на практике, и мы не будем их изучать.
Эффективность . От алгоритма требуется, чтобы он был эффективным. Это означает, что все операции, которые необходимо произвести в алгоритме, должны быть достаточно простыми, чтобы их в принципе можно было выполнить точно и за конечное время с помощью карандаша и бумаги. В алгоритме П выполняются лишь следующие операции: сравниваются два целых числа, одно положительное число делится на другое, переменной присваивается значение целого числа два, ее значение увеличивается на единицу.
Все эти операции являются эффективными в указанном выше смысле, так как целые числа можно записать на бумаге конечным образом и существует по крайней мере по одному способу для деления и сложения двух целых чисел. Но те же самые операции не были бы эффективными, если бы значениями величин, фигурирующих в алгоритме, были бы произвольные действительные числа, выраженные бесконечными десятичными дробями, так как подобные величины нельзя даже записать на бумаге за конечное время.
Из вышесказанного следует, что на ЭВМ практически невозможно работать с действительными числами , что, по всей видимости, может показаться вам неправдоподобным. На самом деле это так. Более того, даже с настоящими целыми числами на компьютере работают не так уж и часто. Обычно вместо множеств целых и действительных чисел приходится работать с их заменителями
Полная
развилка
Неполная
развилка
Цикл
с предусловие
Цикл
с постусловием (цикл ДО)
Цикл
с параметром
