Что такое основы алгоритмизации
Алгоритм и программирование
В то же время формирование у будущего специалиста алгоритмического мышления, умение чётко формулировать проблему, раскладывать её на составляющие и находить решение, позволяет не только решать задачи, которые могут возникнуть в любой сфере человеческой деятельности, но и быть конкурентоспособным на рынке труда.
Всё это составляет основу того факта, что изучение разделов информатики «Алгоритмизация и программирование» в 9 классе (учебник «Информатика и ИКТ», Босова Л. П.) является необходимостью, особенно для контингента будущих профессионалов IT-бизнеса. Темы глав «Основы алгоритмизации» и «Начала программирование» являются основой и дают понимание того, что такое алгоритмизации в информатике, а также вырабатывают практические навыки в том плане, как составить алгоритм по информатике.
Кроме этого, изучаются в информатике 9 класса свойства алгоритма, базовый синтаксис и основные элементы языка программирования Pascal. Цель преподавания основ алгоритмизации состоит в том, чтобы помочь школьникам развить алгоритмическое мышление, поскольку оно даёт возможность решать сложные задачи, в частности, нетехнического или нематематического происхождения, для получения, подготовки и анализа результатов их решение. А это, в свою очередь, позволяет:
В процессе решения такого рода задач (например, в решебнике Семакина для 10-го класс) на уроках учатся использовать принципы проблемно-ориентированного и объектно-ориентированного подходов не только для решения проблем в области компьютерных наук, но и в повседневной деятельности.
Также в учеников, изучающих основы алгоритмизации, формируются знания и навыки, необходимые для решения заданий с использованием персонального компьютера и современного программного обеспечения.
Алгоритмическая проблема
Алгоритм — это идея для любой компьютерной программы и процедура для выполнения конкретной задачи. Чтобы быть оптимальным, он должен решать как конкретную, так и общую проблему.
Алгоритмическая проблема определяется путём составления полного набора исходных данных и условий, с которыми она должна работать, а также вывода сообщения о решении после выполнения условий на одном из этапов. Например, алгоритмическая задача, известная как сортировка, определяется следующим образом.
Суть её состоит в том, что на входе есть последовательность из какого-то количества ключей, а на выходе нужно получить перестановку (переупорядочение) входной последовательности, в соответствии с определённой формулой. При этом неважно — объект сортировки представлен в виде массива имён или списком чисел. Определение того, что программист имеет дело с проблемой общего плана, — это первый шаг на пути к её успешному решению.
Алгоритм представляет собой процедуру, которая на входе получает данные и преобразует их в желаемый выход. Есть много презентаций разнообразных алгоритмов, предназначенных для решения проблемы сортировки. Одним из примеров может служить сортировка вставкой — это метод, в котором начинают с одного элемента (таким образом, формируя тривиально отсортированный список), а затем постепенно вставляют оставшиеся элементы, чтобы список оставался отсортированным.
Информационные технологии копия 2
Основы алгоритмизации и технологии программирования
Понятие алгоритма и его свойства
Каждый из нас постоянно решает множество задач: как быстрее обраться на работу, как лучше спланировать дела текущего дня и многие другие. Некоторые задачи мы решаем автоматически, так как на протяжении многих лет привыкли к их выполнению, другие требуют длительного размышления над решением, но в любом случае, решение каждой задачи всегда делится на простые действия.
Любой алгоритм существует не сам по себе, а предназначен для определенного исполнителя (человека, робота, компьютера, языка программирования и т.д.). Свойством, характеризующим любого исполнителя, является то, что он умеет выполнять некоторые команды. Совокупность команд, которые данный исполнитель умеет выполнять, называется системой команд исполнителя. Алгоритм описывается в командах исполнителя, который будет его реализовывать. Объекты, над которыми исполнитель может совершать действия, образуют так называемую среду исполнителя. Исходные данные и результаты любого алгоритма всегда принадлежат среде того исполнителя, для которого предназначен алгоритм.
Значение слова «алгоритм» очень схоже со значениями слов «рецепт», «метод», «процесс». Однако, в отличие от рецепта или процесса, алгоритм характеризуется следующими свойствами: дискретностью, массовостью, определенностью, результативностью, формальностью.
Дискретность (разрывность – противоположно непрерывности) – это свойство алгоритма, характеризующее его структуру: каждый алгоритм состоит из отдельных законченных действий, говорят: «Делится на шаги».
Массовость – применимость алгоритма ко всем задачам рассматриваемого типа, при любых исходных данных. Например, алгоритм решения квадратного уравнения в области действительных чисел должен содержать все возможные исходы решения, т.е., рассмотрев значения дискриминанта, алгоритм находит либо два различных корня уравнения, либо два равных, либо делает вывод о том, что действительных корней нет.
Определенность (детерминированность, точность) – свойство алгоритма, указывающее на то, что каждый шаг алгоритма должен быть строго определен и не допускать различных толкований; также строго должен быть определен порядок выполнения отдельных шагов. Помните сказку про Ивана-царевича? «Шел Иван-царевич по дороге, дошел до развилки. Видит большой камень, на нем надпись: «Прямо пойдешь – голову потеряешь, направо пойдешь – жену найдешь, налево пойдешь – разбогатеешь. Стоит Иван и думает, что дальше делать». Таких инструкций алгоритм содержать не может.
Результативность – свойство, состоящее в том, что любой алгоритм должен завершаться за конечное (может быть очень большое) число шагов. Вопрос о рассмотрении бесконечных алгоритмов остается за рамками теории алгоритмов.
Формальность – это свойство указывает на то, что любой исполнитель, способный воспринимать и выполнять инструкции алгоритма, действует формально, т.е. отвлекается от содержания поставленной задачи и лишь строго выполняет инструкции. Рассуждать «что, как и почему» должен разработчик алгоритма, а исполнитель формально (не думая) поочередно исполняет предложенные команды и получает необходимый результат.
Способы описания алгоритмов
Рассмотрим следующие способы описания алгоритма: словесное описание, псевдокод, блок-схема, программа.
Словесное описание представляет структуру алгоритма на естественном языке. Например, любой прибор бытовой техники (утюг, электропила, дрель и т.п.) имеет инструкцию по эксплуатации, т.е. словесное описание алгоритма, в соответствии которому данный прибор должен использоваться.
Никаких правил составления словесного описания не существует. Запись алгоритма осуществляется в произвольной форме на естественном, например, русском языке. Этот способ описания не имеет широкого распространения, так как строго не формализуем (под «формальным» понимается то, что описание абсолютно полное и учитывает все возможные ситуации, которые могут возникнуть в ходе решения); допускает неоднозначность толкования при описании некоторых действий; страдает многословностью.
Псевдокод – описание структуры алгоритма на естественном, частично формализованном языке, позволяющее выявить основные этапы решения задачи, перед точной его записью на языке программирования. В псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и общепринятая математическая символика.
Строгих синтаксических правил для записи псевдокода не существует. Это облегчает запись алгоритма при проектировании и позволяет описать алгоритм, используя любой набор команд. Однако в псевдокоде обычно используются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от псевдокода к записи алгоритма на языке программирования. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором используемых слов и конструкций.
Блок-схема – описание структуры алгоритма с помощью геометрических фигур с линиями-связями, показывающими порядок выполнения отдельных инструкций. Этот способ имеет ряд преимуществ. Благодаря наглядности, он обеспечивает «читаемость» алгоритма и явно отображает порядок: выполнения отдельных команд. В блок-схеме каждой формальной конструкции соответствует определенная геометрическая фигура или связанная линиями совокупность фигур.
Рассмотрим некоторые основные конструкции, использующиеся для построения блок-схем (рис. 1).
(1) Блок, характеризующий начало/конец алгоритма (для подпрограмм – вызов/возврат);
(8) Блок – решение (проверка условия или условный блок);
(9) Блок, описывающий блок с параметром;
(10) Блок – границы цикла, описывающий циклические процессы типа: «цикл с предусловием», «цикл с постусловием»;
Описания алгоритма в словесной форме, на псевдокоде или в виде блок-схемы допускают некоторый произвол при изображении команд. Вместе с тем она настолько достаточна, что позволяет человеку понять суть дела и исполнить алгоритм. На практике исполнителями алгоритмов выступают компьютеры. Поэтому алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на «понятном» ему языке, такой формализованный язык называют языком программирования.
Программа – описание структуры алгоритма на языке алгоритмического программирования. Программа на языке декларативного программирования представляет собой совокупность описанных знаний и не содержит явного алгоритма исполнения.
Основные алгоритмические конструкции
Элементарные шаги алгоритма можно объединить в следующие алгоритмические конструкции: линейные (последовательные), разветвляющиеся, циклические и рекурсивные.
Линейная алгоритмическая конструкция
Линейной называют алгоритмическую конструкцию, реализованную в виде последовательности действий (шагов), в которой каждое действие (шаг) алгоритма выполняется ровно один раз, причем после каждого i- гo действия (шага) выполняется (i+ 1)-е действие (шаг), если i-e действие – не конец алгоритма.
Опишем алгоритм сложения двух чисел на псевдокоде в виде блок-схемы (рис. 2).
Разветвляющаяся алгоритмическая конструкция
Разветвляющейся (или ветвящейся) называется алгоритмическая конструкция, обеспечивающая выбор между двумя альтернативами в зависимости от значения входных данных. При каждом конкретном наборе входных данных разветвляющийся алгоритм сводится к линейному. Различают неполное (если – то) и полное (если – то – иначе) ветвления. Полное ветвление позволяет организовать две ветви в алгоритме (то или иначе), каждая из которых ведет к общей точке их слияния, так что выполнение алгоритма продолжается независимо от того, какой путь был выбран (рис. 3). Неполное ветвление предполагает наличие некоторых действий алгоритма только на одной ветви (то), вторая ветвь отсутствует, т.е. для одного из результатов проверки никаких действий выполнять не надо, управление сразу переходит к точке слияния (рис. 4).
Рассмотрим стандартный алгоритм поиска наибольшего (наименьшего) значения среди нескольких заданных. Основная идея алгоритма сводится к следующему: за наибольшее (наименьшее) принимаем значение любого из данных. Поочередно сравниваем оставшиеся данные с наибольшим (наименьшим). если окажется, что очередное значение входного данного больше (меньше) наибольшего (наименьшего), то наибольшему (наименьшему) присваиваем это значение. Таким образом, сравнив все входные данные, найдем наибольшее (наименьшее) среди них. Алгоритм использует неполное ветвление.
Заданы три числа. Найти значение наименьшего из них Заданные числа обозначим: а, b, с; результирующее наименьшее – min. На рис. 5 представлена блок-схема алгоритма решения данной задачи.
Алгоритмическая конструкция «Цикл»
Циклической (или циклом) называют алгоритмическую конструкцию, в кoтoрoй некая, идущая подряд группа действий (шагов) алгоритма может выполняться несколько раз, в зависимости от входных данных или условия задачи. Группа повторяющихся действий на каждом шагу цикла называется телом цикла. Любая циклическая конструкция содержит себе элементы ветвящейся алгоритмической конструкции.
Арифметический цикл
В арифметическом цикле число его шагов (повторений) однозначно определяется правилом изменения параметра, которое задается с помощью начального (N) и конечного (К) значений параметра и шагом (h) его изменения. Т.е., на первом шаге цикла значение параметра равно N, на втором – N + h, на третьем – N + 2h и т.д. На последнем шаге цикла значение параметра не больше К, но такое, что дальнейшее его изменение приведет к значению, большему, чем К.
Вывести 10 раз слово «Привет!».
Параметр цикла обозначим i, он будет отвечать за количество выведенных слов. При i=1 будет выведено первое слово, при i=2 будет выведено второе слова и т. д. Так как требуется вывести 10 слов, то последнее значение параметра i=10. В заданном примере требуется 10 раз повторить одно и то же действие: вывести слово «Привет!». Составим алгоритм, используя арифметический цикл, в котором правило изменения параметра i=1,10, 1. т. е. начальное значение параметра i=1; конечное значение i=10; шаг изменения h=1. На рис. 6 представлена блок-схема алгоритма решения данной задачи.
Цикл с предусловием
Количество шагов цикла заранее не определено и зависит от входных данных задачи. В данной циклической структуре сначала проверяется значение условного выражения (условие) перед выполнением очередного шага цикла. Если значение условного выражения истинно, исполняется тело цикла. После чего управление вновь передается проверке условия и т.д. Эти действия повторяются до тех пор, пока условное выражение не примет значение ложь. При первом же несоблюдении условия цикл завершается.
Блок-схема данной конструкции представлена на рис. 7 двумя способами: с помощью условного блока а и с помощью блока границы цикла б. Особенностью цикла с предусловием является то, что если изначально условное выражение ложно, то тело цикла не выполнится ни разу.
Цикл с постусловием
Как и в цикле с предусловием, в циклической конструкции с постусловием заранее не определено число повторений тела цикла, оно зависит от входных данных задачи. В отличие от цикла с предусловием, тело цикла с постусловием всегда будет выполнено хотя бы один раз, после чего проверяется условие. В этой конструкции тело цикла будет выполняться до тех пор, пока значение условного выражения ложно. Как только оно становится истинным, выполнение команды прекращается. Блок-схема данной конструкции представлена на рис. 8 двумя способами: с помощью условного блока а и с помощью блока управления б.
Рекурсивный алгоритм
Рекурсивным называется алгоритм, организованный таким образом, что в процессе выполнения команд на каком-либо шаге он прямо или косвенно обращается сам к себе.
Простые типы данных: переменные и константы
Переменная – есть именованный объект (ячейка памяти), который может изменять свое значение. Имя переменной указывает на зн ачение, а способ ее хранения и адрес остаются скрытыми от программиста. Кроме имени и значения, переменная имеет тип, определяющий, какая информация находится в памяти. Тип переменной задает:
Объем памяти для каждого типа определяется таким образом, чтобы в него можно было поместить любое значение из допустимого диапазона значений данного типа. Например, тип «байт» может принимать значения от О до 255, что в двоичном коде (255(10)=11111111(2)) соответствует ячейке памяти длиной в 8 бит (или 1 байт).
В описанных выше алгоритмах (примеры 1-3) все данные хранятся в виде переменных. Например, инструкция «Ввод двух чисел а, b » означает введение пользователем значений двух переменных, а инструкция «К=К + 1» означает увеличение значения переменной К на единицу.
Если переменные присутствуют в программе, на протяжении всего времени ее работы – их называют статическими. Переменные, создающиеся и уничтожающиеся на разных этапах выполнения программы, называют динамическими.
Все остальные данные в программе, значения которых не изменяются на протяжении ее работы, называют константами или постоянными. Константы, как и переменные, имеют тип. Их можно указывать явно, например, в инструкции «К=К+1» 1 есть константа, или для удобства обозначать идентификаторами: pi=3,1415926536. Только значение pi нельзя изменить, так как это константа, а не переменная.
Структурированные данные и алгоритмы их обработки
Одномерный массив (шкаф ящиков в один ряд) предполагает наличие у каждого элемента только одного индекса. Примерами одномерных массивов служат арифметическая (аi) и геометрическая (bi) последовательности, определяющие конечные ряды чисел. Количество элементов массива называют размерностью. При определении одномерного массива его размерность записывается в круглых скобках, рядом с его именем. Например, если сказано: «задан массив A (10)», это означает, что даны элементы: a 1 , a 2 , …, a 10 . Рассмотрим алгоритмы обработки элементов одномерных массивов.
Ввод элементов одномерного массива осуществляется поэлементно, в порядке, необходимом для решения конкретной задачи. Обычно, когда требуется ввести весь массив, порядок ввода элементов не важен, и элементы вводятся в порядке возрастания их индексов. Алгоритм ввода элементов массива А(10) представлен на рис.9.
В заданном числовом массиве A(l0) найти наибольший элемент и его индекс, при условии, что такой элемент в массиве существует, и единственный.
Обозначим индекс наибольшего элемента т. Будем считать, что первый элемент массива является наибольшим (т = 1). Сравним поочередно наибольший с остальными элементами массива. Если оказывается, что текущий элемент массива а i (тот, c которым идет сравнение) больше выбранного нами наибольшего ат, то считаем его наибольшим (т=i) (рис.10).
Рассмотрим двумерный массив (шкаф с множеством ящиков, положение которых определяется двумя координатами – по горизонтали и по вертикали). В математике двумерный массив (таблица чисел) называется матрицей. Каждый ее элемент имеет два индекса а ij , первый индекс i определяет номер строки, в которой находится элемент (координата по горизонтали), а второй j – номер столбца (координата по вертикали). Двумерный массив характеризуется двумя размерностями N и М, определяющими число строк и столбцов соответственно (рис. 11).
Задана матрица символов (100х100), представляющая собой карту ночного неба; звездам на карте соответствует символы «*». Определить: сколько звезд на карте?
Алгоритм решения задачи достаточно прост, необходимо перебрать все элементы матрицы и посчитать, сколько среди них символов «*». Обозначим К переменную – счетчик. На рис 13. представлена блок-схема решения этой задачи.
Учитель информатики
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
Основы алгоритмизации
Здравствуйте, сегодня мы поговорим о том, что же такое основы алгоритмизации? Я познакомлю с определением алгоритма, и мы узнаем почему алгоритмизация и алгоритм так нам нужны в программировании.
Начнем с того что узнаем, что же такое алгоритм?
Алгоритм — это определенная последовательность (порядок) действий, строгое выполнение которых приведет к выполнению поставленной цели.
т. е. это какое-то количество четких шагов, которые если мы выполним правильно, то придем к поставленной цели, решению задачи в зависимости от того что нам нужно.
Существуют различные типы алгоритмов или как еще их называют основные алгоритмические конструкции.
Типичным представлением линейного алгоритма можем представить себе допустим алгоритм кипячения воды. Что нам для этого нужно?
И вода будет вскипячена. Наша цель кипяченная вода выполнена, если все шаги мы четко выполним. В таком алгоритме все идет как бы по одной линии никаких ответвлений, кривых у нас не получается поэтому такие алгоритмы называются линейными.
Следующий тип алгоритма, который мы рассмотрим это разветвляющийся. Тут давайте представим такой алгоритм. Что нам одеть на улицу?
Если на улице идет дождь, то мы берем зонт или еще что-то делаем. Если на улице не идет зонт, то мы не берем зонт.
Что у нас происходит? Идут действия алгоритма, и у нас появляется условие. Что мы видим в условии? На улице идет дождь — это какое-то определенное высказывание, если оно истинно, то мы идем по одному пути, если оно ложно, то мы идем по другому пути.
Это пример разветвляющегося алгоритма.
Далее у нас есть еще алгоритм циклический.
Представить его мы можем как алгоритм поднятия по ступенькам. Что мы делаем что бы подняться по лестнице. Поднимаем левую ногу, ставим ее на ступеньку, потом поднимаем правую ногу ставим ее на следующую ступеньку, снова левую, снова правую и т. д.
У нас получается, как бы линейный алгоритм, мы делаем одно действие за другим. Писать такой алгоритм долго, потому что мы видим, что определенные действия с левой и правой ногой они повторяются. Можно это записать по-другому. Мы убираем действия, которые у нас повторяются оставляем его только один раз. И далее мы представляем идут действия подошли к повторяющимся действиям и эти действия мы зацикливаем. Мы можем записать условие какое нам нужно, например, повторять 8 раз. После выполнения 8 раз условия алгоритм пойдет дальше.
Существуют различные способы записи алгоритма или форма записи.
Словесная форма представляет собой, например ваш распорядок дня записанный на бумаге.
Графический способ — это такой способ формы представления алгоритма, который мы будем использовать для записи алгоритма на бумаге. Это блок — схема затронем их поподробнее позднее.
Псевдокоды они включают в себя обычные словесные, элементы программы, математические функции.
Программная это алгоритм, записанный на языке программирования.
Какой вывод можно сделать. Программа — это алгоритм, записанный на специальном языке, который понимает компьютер. Поэтому нам так важна тема алгоритмы для того что бы начать программировать. Программа это и есть алгоритм просто представленная в той форме которой понимает компьютер.
Теперь давайте познакомимся со способом записи алгоритма с блок — схемой.
Блок-схема — это графический способ представления алгоритма. Он состоит из различных геометрических фигур, и каждая эта фигура что-то обозначает.
Блок Начало/Конец представляет собой что среднее между овалом и прямоугольником с закругленными углами и в нем пишется начало или конец алгоритма. Ставится в самом начале и в конце алгоритма. 
Следующий блок — это параллелограмм в нем записывается ввод/вывод данных. Он нужен нам, например, мы хотим проделать какие-то действия допустим математическую операцию сложения двух чисел. Что бы сложить числа нам нужно три переменные. Переменная а это первое число, переменная b это второе число и переменная с это число, которое уже будет являться суммой. Подробней про переменные.
В прямоугольнике у нас описывается действие. Допустим те же сложения.
Для разветвления у нас существует такой ромбик.
В правую сторону идет одно ответвление, а в левую другое ответвление. В одну сторону мы пойдем если условие истинно или в другую сторону если условие ложно. Условие записывается в ромбе.
Давайте разберем пример алгоритма сложение двух чисел.
На этом все, мы разобрали основы алгоритмизации.