Предисловие

Пособие представляют собой руководство по составлении алгоритмов, которые являются необходимой составной частью контрольной и курсовой работы по дисциплине "Информатика".

Изложенный материал не претендует на полноту охвата всех сторон проблемы алгоритмизации при решении задач, возникающих на практике. Однако его вполне достаточно для того, чтобы разобраться и выполнить ту часть названных работ, которая необходима для составления алгоритмов и их описания.

Опыт показывает, что трудности, возникающие при составлении алгоритмов имеют как общий характер, когда студент не может уяснить принцип работы алгоритма вообще, так и частный, когда непонятным оказывается отдельный фрагмент алгоритма.

В любом случае рекомендуем обратить внимание на следующее. Разбирая или составляя алгоритм, нужно мысленно представить некоторый автомат по обработке данных (компьютер), который будет выполнять действия, предписанные этим алгоритмом. Без такого представления невозможно понять сам алгоритм. Ниже, при разборе примеров, станет понятно, что такой мысленный автомат совсем несложен. Во всяком случае он несравнимо пpoщe реального компьютера, хотя общие принципы их функционирования в основном одинаковы. Допустимо (например, при составлении описания) отождествлять работу такого автомата с работой самого алгоритма.

1. Алгоритм и алгоритмизация

• в виде пошагового словесного описания;

• в виде блок-схем.

2. Блок-схема и ее символы

Таблица 1              

Горизонтальный и вертикальный размеры блока рекомендуется назначать кратно 5-ти мм.

По характеру связей между блоками различают алгоритмы линейной, разветвляющейся и циклической структуры.

3. Константы, переменные и ячейки памяти

• память, состоящая из отдельных ячеек;
• считывающая/записывающая головка;
• процессор, т. е. устройство, способное выполнять операции, в том числе математические, и отдавать  головке указания читать данные из ячеек или записывать данные в ячейки памяти автомата.

Запись вида Y = 5.5 следует понимать так: записать константу 5.5 в ячейку с адресом Y (если до этой операции в ячейку была записана константа, то она будет затерта, а на ее место будет помещена константа 5.5). Произносить эту запись следует так: “переменной Y присвоить значение 5.5”.

4. Массивы

Другой разновидностью переменных являются так называемые индексированные переменные или массивы. Массив – это некоторая совокупность ячеек, объединенная одним обозначением (массивом может быть одна ячейка). Всякий массив обязательно имеет размерность. Массивы бывают одномерными, двумерными, трехмерными и т. д.

Рис. 1. Одномерный массив q

Массив имеет имя q. Для того чтобы можно было отличить одну ячейку массива от другой ячейки этого же массива, их нумеруют. Нумерация ячеек обычно начинается с 1. Номер ячейки массива называется его индексом, а константа в ячейке – элементом массива. Теперь становится возможной работа с отдельной ячейкой такого массива. Например, команда q₇ = 8.2 означает, что в 7-ю ячейку массива q надлежит записать константу 8.2. Команда r₄₁ = q₂ + q₅ означает, что нужно сложить константы, записанные во 2-ю и 5-ю ячейки массива q, и результат записать в 41-ю ячейку одномерного массива r. Эту же операцию можно описать другими словами: 41-му элементу массива r присвоить значение суммы 2-го и 5-го элементов массива q.

Двумерный массив по расположению ячеек напоминает математическую матрицу (рис. 2). Элемент такого массива характеризуется двумя индексами: первый показывает строку, в которой расположена ячейка, второй – ее столбец. Например, команда d_{2, 5} = 43 означает, что в ячейку, размещенную на пересечении 2-й строки и 5-го столбца двумерного массива d, нужно записать константу 43.

Рис.2. Двумерный массив d

Линейный алгоритм – это алгоритм, в котором блоки выполняются последовательно сверху вниз от начала до конца. На рис. 3 приведен пример блок-схемы алгоритма вычисления периметра Р и площади S квадрата со стороной длины A. Блок-схема алгоритма состоит из шести блоков. Выполнение алгоритма начинается с блока 1 "Начало". Этот блок символизирует включение автомата, настройку его на выполнение алгоритма и выделение памяти под все переменные, которые задействованы в алгоритме. В алгоритме рис. 3 таких переменных три:  A, Р, S. Следовательно, под каждую из них алгоритмом будет выделено по одной ячейке памяти. На этом блок 1 будет отработан. Как видно из рис.3, блок 1 связан вертикальной линией потока с блоком 2. Эта линия не имеет стрелки, указывавшей направление потока. Следовательно, этот поток направлен вниз. Таким образом, после выполнения блока 1 управление будет передано на блок 2. Блок 2 "Перфокарта" ( см. табл. 1) показывает, что переменной A следует присвоить значение. Это означает, что в ячейку, отведенную автоматом под эту переменную, нужно поместить константу. На реальной компьютере эта константа может быть введена самыми разными способами. Способ зависит от того, как запрограммирован данный фрагмент. Можно, например, потребовать ввод константы с клавиатура или получить его из заранее подготовленного файла. Возможно эта константа будет получена через внешние источники данных, например, от физической установки, подключенной к компьютеру.

Рис. 3. Линейный алгоритм

Для данного примера способ передачи константы не имеет значения, важно лишь то, что при выполнении блока 2 в ячейку с адресом А будет занесена конкретная константа. Пусть такой константой является число 5. Далее управление по линии потока передается к блоку 3 "Процесс". В этом блоке при выполнении размещенной в ней команды число 4 умножается на константу, помещенную в ячейку А (т. е. 5), и результат (т. е. 20) присваивается переменной Р (т. е. константа 20 записывается в ячейку по адресу Р). После выполнения этих операций управление передается к блоку 4. В блоке 4 аналогичным образом производится умножение значений переменной А и результат (константа 25) присваивается переменной S (в ячейку по адресу S будет занесена константа 25). После этого выполняется переход к блоку 5. При выполнении команд блока 5 выводятся (например, на экран, бумагу, во внешний файл и т. д.) значения переменных А, Р, S, которые сохранились в соответствующих ячейках к этому моменту. Понятно, что для конкретного примера А = 5 будут выведена константы 5, 20, 25, т. е. длина сторона квадрата, его периметр и площадь. Далее управление передается последнему блоку 6. В блоке б “Конец” производится освобождение ячеек памяти, которые были зарезервированы под переменные А, P, S, и алгоритм заканчивает работу. Понятно, что при новом запуске этого же алгоритма можно получить совсем другие числа. Так, если в блоке 2 переменной А присвоить значение 20, то алгоритм выдаст в блоке 5 константы 20, 80, 400. Детальное описание алгоритма рис. 3 приведено для того, чтобы показать, в какой последовательности автомат выполняет предписанные операции и как при этом меняется состояние памяти автомата, т. е. для того, чтобы объяснить суть происходящих в автомате процессов. Из сказанного нужно уяснить, что автомат выполняет предписанную ему работу шаг за шагом. Всякий шаг обрабатывается процессором. Помимо вычислений процессор при необходимости отдает команды считывавшей/записывавшей головке, что и куда записывать, откуда читать. Конечный результат следует искать в ячейках памяти, каждая из которых до окончания алгоритма имеет известный адрес и хранит записанную в нее константу. При выполнении контрольной или курсовой работы нет нужды давать столь подробное описание алгоритма. Тем не менее, описание должно быть выполнено с той степенью полноты, которая позволяет дать ясное представление о всех сторонах и особенностях алгоритмического процесса. 6. Разветвляющиеся алгоритмы На практике алгоритмы линейной структуры встречается крайне редко. Чаще необходимо организовать процесс, который в зависимости от каких-либо условий проходит по той либо иной ветви алгоритма. Такой алгоритм называется разветвляющимся. В блок-схемах ветвление начинается на выходах символа "Решение", с помощью которого в алгоритме выполняется проверка какого-либо условия. Количество ветвей тем больше, чем больше проверяемых условий.

Для пояснения рассмотрим решение задачи нахождения значения функции z = y/x. На первый взгляд представляется, что алгоритм решения этой задачи имеет линейную структуру. Однако, если учесть, что делить на нуль нельзя из-за переполнения ячейки, то, во-первых, нужно из вычислений исключить вариант х = 0 и, во-вторых, проинформировать пользователя алгоритма о возникшей ошибке. Если этого не сделать, то при вычислениях может возникнуть аварийный выход до получения результата. В профессиональной практике аварийные завершения крайне нежелательны. т. к. к этому моменту уже может быть накоплено определенное количество результатов, которые окажутся необработанными и попросту пропадут. Можно привести другие примеры, когда аварийный останов компьютера может повлечь куда более серьезные последствия. Решение задачи представлено блок-схемой рис. 4. Она состоит из 7 блоков. После начала работы алгоритм в блоке 2 требует ввода аргументов X и Y. Затем в блоке 3 производится проверка условия X = 0. Здесь автомат проверяет равна ли нули константа, введенная в ячейку с адресом X. Результатом такой проверки является ответ "Да" или "Нет". В зависимости от этого ответа выполнение алгоритма пойдет по одной или другой ветви. Если результат проверки окажется отрицательным, то на х можно делить и управление передается блоку 4. В блоке 4 будет получен результат Z, затем в блоке б значения всех трех переменных будут отпечатаны и в блоке 7 алгоритм закончит работу. Если же ответ окажется положительным, то управление будет передано блоку 4. Выполняя команду блока 4, автомат выведет сообщение "Ошибка" и затем закончит работу в том же блоке 7.

Рис. 4. Разветвляющийся алгоритм

7. Циклические алгоритмы

Часто при решении задач приходится повторять выполнение операций по одним и тем же зависимостям при различных значениях входящих в них переменных и производить многократный проход по одним и тем же участкам алгоритма. Такие участки называются циклами. Алгоритмы, содержащие циклы, называется циклическими. Использование циклов существенно сокращает объем алгоритма.

Различают циклы с наперед известным и наперед неизвестным количеством проходов.

Пример 1. Рассмотрим пример алгоритма с циклом, имеющим наперед неизвестное количество проходов. Для этого решим следующую задачу. Указать наименьшее количество членов ряда натуральных чисел 1, 2, 3, ..., сумма которых больше числа К.

Блок-схема алгоритма решения этой задачи приведена на рис. 5. Она состоит из восьми блоков.

После начала работы в блоке 2 вводится значение числа К. Далее в блоке 3 переменная i получает значение 1, т. е. значение, с которого начнется отсчет натуральных чисел. Переменная S, предназначенная для накопления сумма этих чисел, перед началом суммирования получает значение 0. После этого управление передается блоку 5. В нем при выполнении команды S = S + i производится сложение содержимого ячеек S и i, а результат записывается в ячейку S. Поскольку до операции сложения было S = 0, i = 1, то после операции будет S = 1. При записи нового значения старое содержимое ячейки S (нуль) стирается, а на его место записывается число 1. Нужно обратить внимание на то, что если бы до этой операции в блоке 3 не была выполнена команда S = 0 (записать нуль в ячейку S ), то при нахождении суммы S + 1 возникла бы ошибка, поскольку из ячейки S была бы извлечена константа, которая оказалась там после распределения памяти. После суммирования первого члена последовательности в блоке 6 выполняется проверка условия о превышении суммы S заданного числа К. Если условие 6 не выполнится, то производится переход к блоку 4, где при выполнении операции значение переменной увеличивается на 1 и становится равным 2. Теперь алгоритм вновь вернется к блоку 5 и к старому значении суммы добавит новый член 2. После этого сумма станет равной 3. В блоке б вновь проверяется условие получения требуемой суммы и т. д. Цепочка блоков 5-4 будет обрабатываться вновь и вновь до того момента, когда однажды при определенном значении переменной i, наконец, выполнится условие S > К, т. е. когда накапливаемая в таком цикле сумма впервые превысит заданное значение К. Переменная i, значение которой при очередном проходе цепочки этих блоков увеличивается на 1, играет роль счетчика этого цикла. Далее производится переход к блоку 7, где отпечатается значение количества членов ряда (извлечено и отпечатано число из ячейки i, которое там хранится в момент выполнения условия), суммы S и в блоке 8 алгоритм закончит работу.

Рис. 5. Циклический алгоритм

Другие способы изображения циклов Рис. 6. Структура цикла, использующего символ "Цикл" Рис. 7. Структура цикла, использующая символ "Подготовка" На рис. 6. показана структура цикла, которая может быть использована, когда условие выхода из цикла определяется символом его начала или символом его конца. Наряду с этим в качестве заголовка цикла может быть использован и символ "Подготовка". Структура такого цикла показана на рис. 7.

Пример 2. Теперь приведем пример алгоритма, содержащего цикл с наперед известным количеством проходов (повторений). Алгоритм решает задачу накопления суммы положительных элементов одномерного массива Z длины N (под длиной массива понимается количество его элементов). Блок-схема алгоритма дана на рис. 8. Вначале в блоке 2 производится ввод двух переменных N и Z. Первая из них представляет одну ячейку. В нее записывается константа – число, равное количеству элементов массива Z. Именно такое количество ячеек объединяет другая переменная – массив Z. Следует подчеркнуть, что если бы ввод этих переменных в блоке 2 производился в противоположном порядке, то это привело бы к ошибке. Действительно, невозможно заполнить N ячеек массива Z, когда значение переменной N еще не известно. Далее в блоке 3 переменной S присвоено начальное значение 0. Это сделано для того, чтобы приготовить ячейку к накоплению необходимой суммы. Блоки 4-7 представляет собой цикл, в котором накапливается сумма. Заголовок цикла представлен блоком 4. Роль счетчика цикла играет переменная j, которая будет изменяться в цикле изменяться от 1 до N. Поскольку шаг изменения счетчика j явно не указан, то по умолчанию он подразумевается равным 1. Тело цикла образуют блоки 5 и 6. Сразу после входа в цикл переменная j примет начальное значение j = 1. Далее в блоке 5 выполняется проверка положительности первого элемента массива Z (т. к. j = 1). Если этот элемент действительно положителен, то в блоке б значение элемента будет добавлено к переменной S, после чего в блоке 7 выполнится возврат к заголовку цикла. Если этот элемент неположителен (т. е. нуль или отрицательный), то оператор суммирования не будет исполнятся. На втором круге цикла счетчик j в заголовке увеличится на 1 и станет равным 2. Теперь, при новом выполнении тела цикла, в блоке 5 проверяется на положительность второй элемент массива Z и, если он положителен, то добавляется в сумму и т. д. Последний раз тело цикла выполнится при i = N. При этом значении счетчика проверяется последний элемент массива. Наконец, в заголовке цикла i примет значение N+1. Это значение выходит за предписанный предел, следовательно, произойдет выход из цикла и управление перейдет блоку 8. В этом блоке выводится накопленная сумма и алгоритм закончит работу в блоке 9.

Рис. 8. Циклический алгоритм

Тест на алгоритм Министерства образования и науки РФ

8. Алгоритмы со структурами вложенных циклов

9. Вспомогательные алгоритмы

Рис. 10. Процедура Warn

Далее в блоках 3-5 алгоритма рис. 11 выполняются уже понятные действия по вводу, суммированию и выводу переменных. Затем управление передается в блок б, который содержит новое обращение к процедуре Warn с фактическим параметром 1.

Снова управление переключается на схему рис. 10, где вместо формального параметра i всюду записывается фактический параметр – константа 1. Поскольку в блоке 2 условие 1 = 0 не выполнится, то будет выполнен блок 4 и алгоритм выведет сообщение "Конец расчетов".

После этого управление возвращается в головной алгоритм к блоку 7, где и будет окончательно завершен алгоритмический процесс.

Рис. 11. Головной алгоритм

10. Декомпозиция алгоритма

Под декомпозицией алгоритма понимают разложение его o6щeй алгоритмической схемы на вспомогательные алгоритмы (процедуры и функции) и головной алгоритм. Напомним, такая задача ставится перед студентом при выполнении курсовой или контрольной работы. Одним из условий, которое должно быть обязательно выполнено, является наличие в работе хотя бы одной процедуры или функции (кроме того, работа должна содержать текст описания всех вспомогательных алгоритмов и головного алгоритма).

В заключение приведем пример алгоритма-функции. Она похожа на вспомогательный алгоритм-процедуру, но в отличие от последней должна в своем теле содержать команду присваивания результата имени функции, т. к. результат после вычислений сохранится в переменной, представленной именем функции.

Рассмотрим задачу вычисления факториала числа N! = 1^.2^.3^{. . .}N. Результатом будет одно число, поэтому лучше алгоритм оформить в виде функции.

Блок-схема алгоритма-функции показана на рис. 15. Переменная К используется для накопления произведения и, поскольку 0! = 1 и1! = 1, то в блоке 2 ей сразу присваивается значение 1. Далее, если N > 1, то в цикле, образованном блоками 4-5, накапливается искомое произведение и помещается в переменную К. В блоке 6 имя Fact функции получает значение вычисленного произведения из ячейки К. Для процедур действия, размещенного в блоке 6, не может быть, а для функций оно должно быть обязательно, поскольку иначе значение функции на выходе окажется неопределенным.

Обращение к функции в других алгоритмах (головных, процедурах, функциях) производится по ее имени.

При этом оно может входить в состав выражений. В качестве фактических параметров могут быть использованы как переменные, константы, так и целые выражения. Важно только, чтобы фактический параметр был совместим по типу с формальным, который содержится в заголовке описания алгоритма.

Пример использования функции Fact показан на рис. 16. В операторе присваивания используется обращение к функции для N = 6. После передачи этого значения в алгоритм рис. 15 и   вычислений внутри него результат будет сначала присвоен имени функции, т. е. переменной Fact, а затем в операторе присваивания - переменной L.

Рис. 15. Функция Fact

Рис. 16. Обращение к функции Fact

Тест на вспомогательный алгоритм

В представленном на рисунке алгоритме формальные параметры: x - одномерный массив, n - его длина, L - некоторое число. Если обратиться к алгоритму при помощи оператора H := k + Array(a, 5, m) / 3, то при k = 4, m = 11, a = (1, 6, 12, 4, 0) значением переменной H будет ... 1: константа 11, 2. константа 12, 3. константа 13, 4. константа 14, 5. константа 15.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) "Единая система программной документации. СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ, ПРОГРАММ, ДАННЫХ И СИСТЕМ. Условные обозначения и правила выполнения"