>> Типы алгоритмов
В алгоритмах команды записываются друг за другом в определенном порядке. Выполняются они не обязательно в записанной последовательности: в зависимости от порядка выполнения команд можно выделить три типа алгоритмов:
Линейные алгоритмы;
алгоритмы с ветвлениями;
алгоритмы с повторениями.
Линейные алгоритмы
В котором команды выполняются в порядке их записи, то есть последовательно друг за другом, называется линейным.
Например, линейным является следующий алгоритм посадки дерева:
1) выкопать в земле ямку;
2) опустить в ямку саженец;
3) засыпать ямку с саженцем землей;
4) полить саженец водой.
С помощью блок-схемы данный алгоритм можно изобразить так:
Алгоритмы о ветвлениями
Ситуации, когда заранее известна последовательность требуемых действий, встречаются крайне редко. В жизни часто приходится принимать решение в зависимости от сложившейся обстановки. Если идет дождь, мы берем зонт и надеваем плащ; если жарко, надеваем легкую одежду. Встречаются и более сложные условия выбора. В некоторых случаях от выбранного решения зависит дальнейшая судьба человека.
Логику принятия решения можно описать так:
ЕСЛИ <условие> ТО <действия 1> ИНАЧЕ <действия 2>
Примеры:
ЕСЛИ хочешь бытьздоров
, ТО закаляйся, ИНАЧЕ валяйся весь день на диване;
ЕСЛИ низко ласточки летают, ТО будет дождь, ИНАЧЕ дождя не будет;
ЕСЛИ уроки выучены, ТО иди гулять, ИНАЧЕ учи уроки.
В некоторых случаях <действия 2> могут отсутствовать;
ЕСЛИ <условие> ТО <действия 1>
Пример :
ЕСЛИ назвался груздем, ТО полезай в кузов.
Форма организации действий, при которой в зависимости от выполнения некоторого условия совершается одна или другая последовательность шагов, называется ветвлением.
Изобразим в виде блок-схемы последовательность действий ученика 6 класса Мухина Васи, которую он представляет себе так: "Если Павлик дома, будем решать задачи по математике. В противном случае следует позвонить Марине и вместе готовить доклад по биологии. Если же Марины нет дома, то надо сесть за сочинение."
А вот так, с помощью блок-схемы можно очень наглядно представить рассуждения при решении следующей задачи.
Из трёх монет одинакового достоинства одна фальшивая (более легкая). Как ее найти с помощью одного взвешивания на чашечных весах без гирь?
Алгоритмы с повторениями
На практике часто встречаются задачи, в которых одно или несколько действий бывает необходимо повторить несколько раз, пока соблюдается некоторое заранее установленное условие.
Алгоритм, содержащий циклы , называется циклическим алгоритмом или алгоритмом с повторениями.
Ситуация, при которой выполнение цикла никогда не заканчивается, называется зацикливанием. Следует разрабатывать алгоритмы, не допускающие таких ситуаций.
Рассмотрим пример из математики.
Натуральное число называют простым, если оно имеет только два делителя: единицу и само это число1.
2, 3, 5, 7 - простые числа; 4, 6, 8 - нет. В III веке до нашей эры греческий математик Эратосфен предложил следующий алгоритм для нахождения всех простых чисел, меньших заданного числа n:
1) выписать все натуральные числа от 1 до n;
2) вычеркнуть 1;
3) подчеркнуть наименьшее из неотмеченных чисел;
4) вычеркнуть все числа, кратные подчеркнутому на предыдущем шаге;
5) если в списке имеются неотмеченные числа, то перейти к шагу 3, в противном случае все подчеркнутые числа - простые.
Это циклический алгоритм. При его выполнении повторение шагов 3-5 происходит, пока в исходном списке остаются неотмеченные числа.
Вот так выглядит блок-схема действий школьника, которому перед вечерней прогулкой следует выполнить домашнее задание по математике:
Напомним, что число 1 не относят ни к составным (имеющим более двух делителей), ни к простым числам.
Самое главное
В зависимости от порядка выполнения команд можно выделить три типа алгоритмов:
> линейные алгоритмы;
> алгоритмы с ветвлениями;
> алгоритмы с повторениями.
Алгоритм, в котором команды выполняются в порядке их записи, то есть последовательно друг за другом, называется линейным.
Форма организации действий, при которой в зависимости от выполнения некоторого условия совершается одна или другая последовательность шагов, называется ветвлением.
Форма организации действий, при которой выполнение одной и той же последовательности команд повторяется, пока выполняется некоторое заранее установленное условие, называется циклом (повторением).
Вопросы и задания
1. Какие алгоритмы называют линейными?
2. Приведите пример линейного алгоритма,
3. Исполнитель «Вычислитель» умеет выполнять только две команды: умножать на 2 и прибавлять Придумайте для него наиболее короткий план получения из О числа 50.
4. Какая форма организации действий называется ветвлением?
5. Какие условия должна была выполнить героиня скази «Гуси-лебеди»?
6. Приведите пример алгоритма, содержащего ветвление»
7. Прочитайте отрывок из стихотворения Дж. Родари «Чем пахнут ремесла?»:
У каждого дела запах особый:
В булочной пахнет тестом и сдобой.
Мимо столярной идешь мастерской -
Стружкою пахнет и свежей доской.
Пахнет маляр скипидаром и краской.
Пахнет стекольщик оконной замазкой.
Куртка шофера пахнет бензином,
Блуза рабочего - маслом машинным.
Перефразируйте
о профессиях с помощью слов «ЕСЛИ... ТО»/
8. Вспомните, герои каких русских народных сказок совершают выбор, определяющий их судьбу.
9. Из 9 монет одинакового достоинства одна фальшивая (более легкая). За сколько взвешиваний на чашечных весах без гирь вы можете ее определить?
10. Какая форма организации действий называется повторением?
11. Приведите пример алгоритма, содержащего повторение.
12. В каких известных вам литературных произведениях имеет место циклическая форма организации действий?
13. Где окажется исполнитель, выполнивший 16 раз подряд следующую группу команд?
пройти 10 метров вперед
повернуть на 90° по часовой стрелке
14. Какую группу действий и сколько раз следует повторить при решении следующей задачи?
Сорок солдат подошли к реке, по которой на лодке катаются двое мальчиков. Как солдатам переправиться на другой берег, если лодка вмещает только одного солдата либо двух мальчиков, а солдата и мальчика уже не вмещает?
15. Вспомните задачу о Вычислителе, умеющем только умножать на 2 и прибавлять 1. Разрабатывать для него рациональные алгоритмы будет значительно проще, если воспользоваться следующей блок-схемой:
Используя эту блок-схему, разработайте рациональные алгоритмы получения из числа 0 чисел 1024 и 500.
Босова Л. Л. Информатика: Учебник для 6 класса / Л. Л. Босова. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 208 с.: ил.
Содержание урока конспект урока и опорный каркас презентация урока интерактивные технологии акселеративные методы обучения Практика тесты, тестирование онлайн задачи и упражнения домашние задания практикумы и тренинги вопросы для дискуссий в классе Иллюстрации видео- и аудиоматериалы фотографии, картинки графики, таблицы, схемы комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты Дополнения рефераты шпаргалки фишки для любознательных статьи (МАН) литература основная и дополнительная словарь терминов Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике замена устаревших знаний новыми Только для учителей календарные планы учебные программы методические рекомендацииСлово «алгоритм» произошло от имени арабского математика 9 века аль-Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметический действий.
Алгоритм – точное и понятное предписание исполнителю выполнить конечную последовательность команд, приводящую от исходных данных к исходному результату.
Примеры: распорядок дня, порядок приготовления блюда, инструкция и т.д.)
Исполнитель алгоритма – это тот, кто выполняет алгоритм (человек, животное, машина, компьютер).
Система команд исполнителя – это вся совокупность команд, которые исполнитель умеет выполнять (понимает). Алгоритм можно строить только из команд, входящих в систему команд исполнителя.
Например , исполнитель Робот может выполнять команды вперед, назад, влево, вправо, закрасить. Он перемещается по клеточному полю, ограниченному стеной и содержащему стены. Робот не может пройти сквозь стену.
Свойства алгоритма:
1.Результативность (конечность) – возможность получения из исходных данных результата за конечное число шагов. (Например, при выполнении алгоритма сложения 2 чисел должны получить сумму).
2.Массовость – возможность применения алгоритма к большому количеству различных исходных данных. (Например, Можно сложить любые 2 числа, зная алгоритм сложения.)
3.Детерминированность (определенность, точность) – каждая команда должна однозначно определять действие исполнителя.
4.Понятность – команда должна быть записана на понятном компьютеру языке.
5.Дискретность – разбиение алгоритма на отдельные команды.
Способы записи алгоритма:
1) На естественном языке – запись в виде отдельных команд на понятном человеку языке.
2) Графический – на языке блок-схем, с помощью геометрических фигур (овал, прямоугольник, параллелограмм, ромб).
3) На алгоритмическом языке – язык записи алгоритмов, для обучения программированию. Команды записываются на русском языке.
4) На языке программирования - программа. Языки программирования: Basic, Pascal, Си, Visual Basic.
Б7.Основные алгоритмические структуры: следование, ветвление, цикл; изображение на блок-схемах. Разбиение задач на подзадачи. Вспомогательные алгоритмы.
Алгоритмические конструкции. Внутри алгоритмов можно выделить группы шагов, отличающиеся внутренней структурой – алгоритмические конструкции.
Основными алгоритмическими конструкциями являются линейная последовательность шагов (или следование), ветвление и цикл.
Алгоритм, в котором команды выполняются последовательно одна за другой, называется линейным алгоритмом .
Так выглядит линейный алгоритм на языке блок схем:
Пример
: алгоритм включения компьютера:
- Включить питание компьютера (нажать кнопку на сетевом фильтре).
- Включить монитор, принтер.
- Нажать кнопку Power на системном блоке.
- Дождаться загрузки операционной системы и появления Рабочего стола.
- Приступить к работе.
В этом алгоритме все действия должны выполняться последовательно одно за другим: нельзя приступить к работе если не включено питание или монитор.
В алгоритмическую структуру «ветвление » входит условие , в зависимости от истинности условия выполняется та или иная последовательность команд (серий).
Условие – это высказывание, которое может быть истинным или ложным. В условии два числа, две строки, две переменных или строковых выражения сравниваются между собой с использованием операций сравнения (>, <, =, >=, <=).
В алгоритмические структуры цикл входит серия команд, выполняемая многократно. Такая последовательность команд называется телом цикла .
Циклические алгоритмические структуры бывают двух типов:
- циклы со счетчиком , в которых тело цикла выполняется определенное количество раз;
- циклы с условием , в которых тело цикла выполняется до тех пор, пока выполняется условие.
Цикл со счетчиком – используется когда заранее известно какое число повторений тела цикла необходимо выполнить.
Объект, который будет выполнять алгоритм, обычно называют исполнителем .
Исполнитель - объект, который выполняет алгоритм.
Назначение исполнителя точно выполнить предписания алгоритма, подчас не задумываясь о результате и целях, т.е. формально. Идеальными исполнителями являются машины, роботы, компьютеры...
Компьютер – автоматический исполнитель алгоритмов.
Алгоритм, записанный на «понятном» компьютеру языке программирования, называется программой .
Каждый исполнитель характеризуется средой («местом обитания») и системой команд .
Основными характеристиками исполнителя являются: среда, система команд, элементарные действия, отказы.
Среда (или обстановка) - это "место обитания", множество объектов, которые окружают исполнителя.
Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка - системы команд исполнителя. Совокупность всех команд, которые исполнитель может выполнить, называется системой команд исполнителя (СКИ). Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды.
За каждой командой из системы команд исполнителя закреплено конкретное элементарное действие . Исполнителя можно представить в виде устройства с кнопочным управлением. Каждая кнопка соответствует одной команде исполнителю, и нажатие означает вызов этой команды. После вызова команды исполнитель совершает элементарное действие, соответствующее данной команде. Важно отметить, что нас интересует результат, а не механизм выполнения команды.
Отказы исполнителя возникают при вызове команды в недопустимом для данной команды состоянии среды. Другими словами – это случай, когда попытка выполнить команду приводит к аварии.
Учебными исполнителями называют различные образы на экране компьютера, которыми можно управлять, отдавая команды. Используются они для обучения составлению управляющих алгоритмов.
Есть много различных учебных исполнителей, придуманных для занятий по информатике. У них разные, часто забавные названия: Черепашка, Робот, Чертежник, Кенгуренок, Пылесосик, Муравей, Кукарача и др. Одни исполнители создают рисунки на экране, другие складывают слова из кубиков с буквами, третьи перетаскивают предметы из одного места в другое. Все эти исполнители управляются программным путем. Любому из них свойственна определенная среда деятельности, система команд управления, режимы работы. С помощью каждого из таких исполнителей можно учиться строить алгоритмы управления.
Основные виды алгоритмов (алгоритмических структур):
1. Линейный алгоритм (еще называют следование);
2. Циклический алгоритм;
3. Разветвляющийся алгоритм;
Понятие алгоритма. Исполнители алгоритмов. Свойства алгоритмов
Понятие алгоритма так же фундаментально для информатики, как и понятие информации. Существует много различных определений алгоритма, так как это понятие достаточно широкое и используется в различных областях науки, техники и повседневной жизни.
Алгоритм – понятная и точная последовательность действий, описывающая процесс преобразования объекта из начального состояния в конечное.
Алгоритм - это предназначенное для конкретного исполнителя точное описание последовательности действий, направленных на решение поставленной задачи.
Исполнителем алгоритма может быть как человек (кулинарные рецепты, различные инструкции, алгоритмы математических вычислений), так и техническое устройство. Различные машины (компьютеры, промышленные роботы, современная бытовая техника) являются формальными исполнителями алгоритмов. От формального исполнителя не требуется понимание сущности решаемой задачи, но требуется точное выполнение последовательности команд.
Алгоритм можно записывать различными способами (словесное описание, графическое описание – блок схема, программа на одном из языков программирования и т.д.). Программа – это алгоритм, записанный на языке программирования .
Для создания алгоритма (программы) необходимо знать:
полный набор исходных данных задачи (начальное состояние объекта);
цель создания алгоритма (конечное состояние объекта);
систему команд исполнителя (то есть набор команд, которые исполнитель понимает и может выполнить).
Полученный алгоритм (программа) должен обладать следующим набором свойств:
дискретность (алгоритм разбит на отдельные шаги - команды);
однозначность (каждая команда определяет единственно возможное действие исполнителя);
понятность (все команды алгоритма входят в систему команд исполнителя);
результативность (исполнитель должен решить задачу за конечное число шагов).
Большая часть алгоритмов обладает также свойством массовости (с помощью одного и того же алгоритма можно решать множество однотипных задач).
Способы описания алгоритмов
Выше отмечалось, что один и тот же алгоритм может быть записан по-разному. Можно записывать алгоритм естественным языком. В таком виде мы используем рецепты, инструкции и т.п. Для записи алгоритмов, предназначенных формальным исполнителям, разработаны специальные языки программирования . Любой алгоритм можно описать графически в виде блок-схемы . Для этого разработана специальная система обозначений:
|
Обозначение |
Описание |
Примечания |
|
Начало и конец алгоритма | ||
|
|
Ввод и вывод данных. |
Вывод данных иногда обозначают иначе:
|
|
|
Действие |
В вычислительных алгоритмах так обозначают присваивание |
|
|
Развилка |
Развилка - компонент, необходимый для реализации ветвлений и циклов |
|
|
Начало цикла с параметром | |
|
|
Типовой процесс |
В программировании - процедуры или подпрограммы |
|
|
Переходы между блоками |
Приведем пример описания алгоритма суммирования двух величин в виде блок-схемы:
Такой способ описания алгоритм наиболее нагляден и понятен человеку. Поэтому, алгоритмы формальных исполнителей обычно разрабатывают сначала в виде блок-схемы, и только затем создают программу на одном из языков программирования .
Типовые алгоритмические структуры
Программист имеет возможность конструировать и использовать нетипичные алгоритмические структуры, однако, в этом нет необходимости. Любой сколь угодно сложный алгоритм может быть разработан на основе трёх типовых структур: следования, ветвления и повторения. При этом структуры могут располагаться последовательно друг за другом или вкладываться друг в друга.
Линейная структура (следование)
Наиболее простой алгоритмической структурой является линейная . В ней все операции выполняются один раз в том порядке, в котором они записаны.
Ветвление
В полном ветвлении предусмотрено два варианта действий исполнителя в зависимости от значения логического выражения (условия). Если условие истинно, то выполняться будет только первая ветвь, иначе только вторая ветвь.
Вторая ветвь может быть пустой. Такая структура называется неполным ветвлением или обходом .
Из нескольких ветвлений можно сконструировать структуру «выбор » (множественное ветвление), которая будет выбирать не из двух, а из большего количества вариантов действий исполнителя, зависящих от нескольких условий. Существенно, что выполняется только одна ветвь - в такой структуре важное значение приобретает порядок следования условий: если выполняются несколько условий, то сработает только одно из них - первое сверху.
Цикл (повторение)
Цикл позволяет организовать многократное повторение одной и той же последовательности команд - она называется телом цикла. В различных видах циклических алгоритмов количество повторений может зависеть от значения логического выражения (условия) или может быть жестко задано в самой структуре. Различают циклы: «до », «пока », циклы со счётчиком. В циклах «до» и «пока» логическое выражение (условие) может предшествовать телу цикла (цикл с предусловием ) или завершать цикл (цикл с послеусловием ).
Циклы «до » - повторение тела цикла до выполнения условия:
Циклы «пока » - повторение тела цикла пока условие выполняется (истинно):
Циклы со счётчиком (с параметром) – повторение тела цикла заданное число раз:
Вспомогательный алгоритм (подпрограмма, процедура)
Вспомогательный алгоритм представляет собой модуль, к которому можно многократно обращаться из основного алгоритма. Использование вспомогательных алгоритмов может существенно уменьшить размер алгоритма и упростить его разработку.
Методы разработки сложных алгоритмов
Существует два метода разработки сложных алгоритмов:
Метод последовательной детализации задачи («сверху-вниз») состоит в том, что исходная сложная задача разбивается на подзадачи. Каждая из подзадач рассматривается и решается отдельно. Если какие-либо из подзадач сложны, они также разбиваются на подзадачи. Процесс продолжается до тех пор, пока подзадачи не сведутся к элементарным. Решения отдельных подзадач затем собираются в единый алгоритм решения исходной задачи. Метод широко используется, так как позволяет вести разработку общего алгоритма одновременно нескольким программистам, решающим локальные подзадачи. Это необходимое условие быстрой разработки программных продуктов.
Сборочный метод («снизу-вверх») заключается в создании множества программных модулей, реализующих решение типичных задач. При решении сложной задачи программист может использовать разработанные модули в качестве вспомогательных алгоритмов (процедур). Во многих системах программирования уже существуют подобные наборы модулей, что существенно упрощает и ускоряет создание сложного алгоритма.
Алгоритмы и процессы управления
Управление - целенаправленное взаимодействие объектов, одни из которых являются управляющими, другие - управляемыми.
В простейшем случае таких объектов два:
С точки зрения информатики управляющие воздействия можно рассматривать как управляющую информацию. Информация может передаваться в форме команд. Последовательность команд по управлению объектом, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления . Следовательно, объект управления можно назвать исполнителем управляющего алгоритма. В рассмотренном примере, управляющий объект работает "не глядя" на то, что происходит с управляющим объектом (управление без обратной связи незамкнутой . Другая схема управления может учитывать информацию о процессах, происходящих в объекте управления:
В этом случае, алгоритм управления должен быть достаточно гибким, чтобы анализировать эту информацию и принимать решение о своих дальнейших действиях в зависимости от состояния объекта управления (управление с обратной связью ). Такая схема управления называется замкнутой .
Более подробно процессы управления изучаются рассматриваются кибернетикой . Эта наука утверждает, что самые разнообразные процессы управления в обществе, природе и технике происходят сходным образом, подчиняются одним и тем же принципам.
В начало темы
