Реферат: Алгоритмизация вычислительных процессов

При создании ответственных технологических объектов одной из важнейших составляющих процесса их проектирования является комплексная автоматизация технических средств. Различная природа физических процессов, протекающих в объектах, сложный характер взаимодействия между ними и управляющими системами обуславливает трудности алгоритмизации и программирования задач управления. Вопросы унификации аппаратного обеспечения в настоящее время решаются достаточно успешно на основе микропроцессорных и микроконтроллерных комплектов, программируемых логических контроллеров и промышленных компьютеров. Однако при формировании общих подходов к созданию алгоритмического и программного обеспечения возникают трудности, связанные с необходимостью достижения их наглядности, структурированности, наблюдаемости и управляемости. Эти трудности усугубляются тем, что при создании различных систем управления обычно используются и различные технологии алгоритмизации и программирования.

Спектр таких технологий широк: от технологий на основе алгоритмических языков высокого уровня для промышленных компьютеров до технологий на основе специализированных языков для программируемых логических контроллеров (например, функциональных и лестничных схем). Очевидно, что алгоритмизация и программирование систем управления техническими средствами, должны основываться на единой методологии, позволяющей строить, читать, проверять, верифицировать алгоритмы и программы. До настоящего времени алгоритмы логического (основанные на истинности и ложности) управления задаются Проектантом (Технологом) в словесной форме, и поэтому они могут быть противоречивыми и неполными. Это вносит дополнительные трудности в процесс алгоритмизации и программирования управляющих устройств, так как каждый участник разработки понимает в силу неоднозначности и словесного описания алгоритмы логического управления по-своему. По этой причине даже самый "точный" словесный алгоритм может удовлетворять каждого из участников разработки в отдельности, но, в конечном счете, являться некорректным.

Ситуация усугубляется при создании систем управления, ядро которых представляет собой систему взаимосвязанных управляющих устройств. При этом, с одной стороны, совокупность таких устройств (вследствие большой размерности) становится плохо обозримой, наблюдаемой и управляемой, а с другой – плохо понимаемой Заказчиком и Проектантом (Технологом). Это во многом определяется тем, что обычно автоматизация каждого комплекса технических средств выполняется самостоятельным коллективом Разработчиков и Программистов, которые используют специфическую технологию алгоритмизации и программирования. В настоящее время в практике проектирования систем управления, наиболее часто употребляемыми языками спецификаций алгоритмов логического управления являются язык функциональных схем и язык блок-схем алгоритмов, называемых обычно схемами алгоритмов. Указанные языки удобны, как правило, только для одних участников разработки, но крайне неудобны для других участников. Так, например, наиболее часто при согласовании алгоритмов управления судовыми техническими средствами применяется язык функциональных схем, который достаточно хорошо понятен только Разработчику, так как такой язык для последовательностных алгоритмов, реализуемых схемами с обратными связями, описывает их структуру (статику), но не отражает в явном виде их поведение (динамику).

1 Понятие алгоритма

Алгоритм – это точное и понятное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи [7].

Слово «Алгоритм» происходит от algorithmi - латинского написания имени аль-Хорезми, под которым в средневековой Европе знали величайшего математика из Хорезма Мухаммеда бен Мусу, жившего в 783-850 гг. В своей книге «Об индийском счете» он сформулировал правила записи натуральных чисел с помощью арабских цифр, правила действий над ними столбиком. В дальнейшем алгоритмом стали называть точное предписание, определяющее последовательность действий, обеспечивающую получение требуемого результата из исходных данных. Алгоритм может быть предназначен для выполнения его человеком или автоматическим устройством. Создание алгоритма процесс творческий, доступен лишь живым существам, долгое время считалось, что только человеку. Другое дело - реализация уже имеющегося алгоритма, которую можно поручить субъекту или объекту, который не обязан вникать в суть дела, может и не способен его понять – этот субъект (объект) принято называть формальным исполнителем.

Исполнителем алгоритма может быть и человек. Часто приводят примеры “бытовых алгоритмов”: вскипятить воду, открыть дверь ключом, перейти улицу и т. д.: рецепты приготовления какого-либо лекарства или кулинарные рецепты являются алгоритмами. На самом деле алгоритмы для людей никто не составляет. Человек в принципе не может действовать по алгоритму. Выполнение алгоритма – это автоматическое, бездумное выполнение операций. Между тем исполнение алгоритма – это бездумное, автоматическое выполнение предписаний, которое в принципе не требует никаких знаний. Если бы кулинарные рецепты представляли собой алгоритмы, просто не было бы специальности – повар.

В информатике универсальным исполнителем алгоритмов является компьютер.

Исполнитель алгоритма - некоторая абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом.

Исполнителя характеризуют: среда; система команд; элементарные действия; отказы.

Среда (или обстановка) - "место обитания" исполнителя. Объекты, над которыми исполнитель может совершать действия. Для алгоритмов, встречающихся в математике, средой того или иного исполнителя могут быть числа разной природы - натуральные, действительные и т.п., буквы, буквенные выражения, уравнения, тождества и т. п.

Система команд - совокупность допустимых действий. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка - системы команд исполнителя. Для каждой команды должны быть заданы условия применимости, описаны результаты выполнения команды.

Элементарное действие - те действия, которые может совершать исполнитель.

Отказы исполнителя возникают, если команда вызывается при недопустимом для нее состоянии среды.

2 Свойства алгоритмов

Данное выше определение алгоритма нельзя считать строгим - не вполне ясно, что такое «точное предписание» или «последовательность действий, обеспечивающая получение требуемого результата». Обычно формулируют несколько общих свойств алгоритмов, позволяющих отличать алгоритмы от других инструкций [2]:

· дискретность (прерывность, раздельность) - алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых (или ранее определенных) шагов. Каждое действие, предусмотренное алгоритмом, исполняется только после того, как закончилось исполнение предыдущего;

· определенность - каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола. Благодаря этому свойству выполнение алгоритма носит механический характер и не требует никаких дополнительных указаний или сведений о решаемой задаче;

· результативность (конечность) - алгоритм должен приводить к решению задачи за конечное число шагов;

· массовость - алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде, то есть, он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся только исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма.

На основании этих свойств иногда дается определение алгоритма, например: “Алгоритм – это последовательность математических, логических или вместе взятых операций, отличающихся детерменированностью, массовостью, направленностью и приводящая к решению всех задач данного класса за конечное число шагов”. Алгоритм – искусственная конструкция, которую мы сооружаем для достижения своих целей. Чтобы алгоритм выполнил свое предназначение, его необходимо строить по определенным правилам. Поэтому нужно говорить не о свойствах алгоритма, а о правилах построения алгоритма, или о требованиях, предъявляемых к алгоритму.

Первое правило – при построении алгоритма, прежде всего, необходимо задать множество объектов, с которыми будет работать алгоритм. Формализованное (закодированное) представление этих объектов носит название данных. Алгоритм приступает к работе с некоторым набором данных, которые называются входными, и в результате своей работы выдает данные, которые называются выходными. Таким образом, алгоритм преобразует входные данные в выходные. Это правило позволяет сразу отделить алгоритмы от «методов» и «способов». Пока мы не имеем формализованных входных данных, мы не можем построить алгоритм.

Второе правило – для работы алгоритма требуется память. В памяти размешаются входные данные, с которыми алгоритм начинает работать, промежуточные данные и выходные данные, которые являются результатом работы алгоритма. Память является дискретной, т.е. состоящей из отдельных ячеек. Поименованная ячейка памяти носит название переменной. В теории алгоритмов размеры памяти не ограничиваются, т.е. считается, что мы можем предоставить алгоритму любой необходимый для работы объем памяти. В школьной «теории алгоритмов» эти два правила не рассматриваются.

Третье правило – дискретность. Алгоритм строится из отдельных шагов (действий, операций, команд). Множество шагов, из которых составлен алгоритм, конечно.

Четвертое правило – детерменированность. После каждого шага необходимо указывать, какой шаг выполняется следующим, либо давать команду остановки.

Пятое правило – сходимость (результативность). Алгоритм должен завершать работу после конечного числа шагов. При этом необходимо указать, что считать результатом работы алгоритма.

3 Способы записи алгоритма

На практике наиболее распространены следующие способы представления алгоритмов:

· словесно-формульный (запись на естественном языке);

· графический (изображения из графических символов);

· псевдокод (полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке);

· программный (тексты на языках программирования);

· с помощью граф-схем;

· с помощью сетей Петри.

3.1 Словесно-формульный способ записи алгоритма

При словесно-формульной записи алгоритмы записываются в виде текста с формулами по пунктам, определяющими последовательность действий. Для записи алгоритмов используются средства обычного языка, но с тщательно отрабатывают наборы слов и фраз, не допускающие повторений, синонимов, лишних слов. Принимаются определенные соглашения о форме записи, порядке выполнения действий, допускается использование математических символов.

Пример:

Даны два целых положительных числа, найти их наибольший общий делитель (НОД).

Решение этой задачи может быть получено последовательным делением вначале большего числа на меньшее, затем меньшего числа на полученный остаток, первого остатка на второй остаток и т.д. до тех пор, пока в остатке не получится нуль. Последний по счету делитель и будет искомым результатом.

Обозначим через M и N исходные целые числа, приняв в качестве их начальных значений заданные константы. Сведем деление к повторному вычитанию. Тогда алгоритм может быть сформулирован следующим образом:

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;

2. Ввести (М, N);

3. Если MN, то перейти к п.4, иначе перейти к п. 7;

4. Если M>N, то прейти к п. 5, иначе перейти к п. 6;

5. М: = М-N; перейти к п. 3;

6. N: = N-М; перейти к п. 3;

7. НОД: =М;

8. Печатать (НОД).

Словесно-формульный способ не имеет широкого распространения по следующим причинам:

- такие описания строго не формализуемы;

- страдают многословностью записей;

- допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.

3.2 Графический способ записи алгоритмов

Графический способ представления алгоритмов является более компактным и наглядным по сравнению со словесным.

При графическом представлении алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий. Внутри блока дается описание соответствующего действия.

Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой.

Графическое изображение алгоритма широко используется перед программированием задачи вследствие его наглядности, т.к. зрительное восприятие обычно облегчает процесс написания программы, ее корректировки при возможных ошибках, осмысливание процесса обработки информации.

Можно встретить даже такое утверждение: “Внешне алгоритм представляет собой схему – набор прямоугольников и других символов, внутри которых записывается, что вычисляется, что вводится в машину и что выдается на печать и другие средства отображения информации“. Здесь форма представления алгоритма смешивается с самим алгоритмом.

Принцип программирования “сверху вниз” требует, чтобы блок-схема поэтапно конкретизировалась и каждый блок “расписывался” до элементарных операций. Но такой подход можно осуществить при решении несложных задач. При решении сколько-нибудь серьезной задачи блок-схема “расползется” до такой степени, что ее невозможно будет охватить одним взглядом.

Блок-схемы алгоритмов удобно использовать для объяснения работы уже готового алгоритма, при этом в качестве блоков берутся действительно блоки алгоритма, работа которых не требует пояснений. Блок-схема алгоритма должна служить для упрощения изображения алгоритма, а не для усложнения.

При решении задач на компьютере необходимо не столько умение составлять алгоритмы, сколько знание методов решения задач (как и вообще в математике). Поэтому изучать нужно не программирование как таковое (и не алгоритмизацию), а методы решения математических задач на компьютере. Задачи следует классифицировать не по типам данных, как это обычно делается (задачи на массивы, на символьные переменные и т. д.), а по разделу “Требуется”.

Схема - это графическое представление алгоритма, дополненное элементами словесной записи. Каждый пункт алгоритма отображается на схеме некоторой геометрической фигурой-блоком (блочным символом), причем различным по типу выполняемых действий блокам соответствуют различные геометрические фигуры, изображаемые по ГОСТу.

ГОСТ 19.701-90 (обозначение символов соответствует международному стандарту ИСО 5807-85) распространяется на условные обозначения (символы) в схемах алгоритмов, программ, данных и систем и устанавливает правила выполнения схем, используемых для отображения различных видов задач обработки данных и средств их решения.

В таблице 1 приведены наиболее часто употребляемые блоки и даны пояснения к ним [1,2].

Графические символы на схеме соединяются линиями потока информации. Основное направление потока информации идет сверху вниз и слева на право (стрелки на линиях могут не указываться). В других случаях применение стрелок обязательно. По отношению к блоку линии потока могут быть входящими или выходящими. Количество входящих линий для блока принципиально не ограничено. Выходящая линия может быть только одна. Исключение оставляют логические блоки, имеющие не менее двух выходящих линий потока, каждая из которых соответствует одному из возможных исходов проверки логического условия, а также блоки модификации.

Блок вычислительный процесс применяется для обозначения действия или последовательности действий, изменяющих значение, форму представления или размещения данных. Для улучшения наглядности схемы несколько отдельных блоков обработки можно объединять в один блок.

Таблица 1. Условные графические обозначения, применяемые при составлении схем алгоритмов

№ п/п	Название символа	Символ	Отображаемая функция
1	Блок вычислений		Вычислительное действие или последовательность вычислительных действий
2	Логический блок		Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых условий
3	Блоки ввода – вывода		Общее обозначение ввода или вывода данных
3	Блоки ввода – вывода		Вывод данных, носителем которых служит документ
4	Начало-конец		Начало или конец программы, останов, вход или выход в подпрограммах
5	Предопределенный процесс		Вычисления по стандартной подпрограмме или подпрограмме пользователя
6	Блок модификации		Выполнение действий, изменяющих пункты алгоритма
7	Соединитель		Указание связи между прерванными линиями потока информации в пределах одной страницы
8	Межстраничный соединитель		Указание связи между частями схемы, расположенными на разных листах
9	Магнитный диск		Ввод-вывод данных, носителем которых служит магнитный диск

Логический блок используется для обозначения переходов управления по условию. В каждом блоке "решение" должны быть указаны вопрос, условие или сравнение, которые он определяет.

Блок предопределенный процесс используется для указания обращений к вспомогательным алгоритмам, существующим автономно в виде некоторых самостоятельных модулей, и для обращений к библиотечным подпрограммам.

Блок модификация используется для организации циклических конструкций. Внутри блока записывается параметр цикла, для которого указываются его начальное значение, граничное условие и шаг изменения значения параметра для каждого повторения.

При большом количестве пересекающихся линий, большой их длине и многократных изменениях направления схемы становится малонаглядной. В этих случаях допускается разрывать линии потока информации, размещая на обоих концах разрыва специальный символ «соединитель» (рис. 1). Внутри поля соединителей, отмечающих разрыв одной и той же линии, ставится одинаковая маркировка отдельной буквой или буквенно-цифровой координатой блока, к которому подходит линия потока.

Рис. 1. Соединитель

Если схема располагается на нескольких листах, переход линий потока с одного листа на другой обозначается с помощью символа «межстраничный соединитель» (рис. 2). При этом на листе с блоком – источником соединитель содержит номер листа и координаты блока-приемника, а на листе с блоком–приемником – номер листа и координаты блока – источника.

Рис. 2. Межстраничный соединитель

Внутри блоков и рядом с ними делают записи и обозначения (для уточнения выполняемых ими функций) так, чтобы их можно было читать слева направо и сверху вниз независимо от направления потока. Например, на (рис. 3) вид 1 и вид 2 читаются идентично.

Рис. 3.

Порядковые номера блоков проставляют в верхней части графического символа в разрыве его контура (рис. 1 и 4).

Рис. 4

При выполнении схем алгоритмов необходимо выдерживать минимальное расстояние 3 мм между параллельными линиями потоков и 5 мм между остальными символами. В блоках приняты размеры: =10, 15, 20 мм; =1.5(рис.3). Если необходимо увеличить размер схемы, то допускается увеличивать на число кратное пяти.

Схема является исключительно наглядным и простым способом представления алгоритма. При этом не накладывается никаких ограничений на степень детализации в изображении алгоритма. Выбор ее целиком зависит от программиста. Но, нужно иметь ввиду, что излишне общий характер схемы нежелателен из-за малой информативности, а очень детальная схема проигрывает в наглядности. Для особенно сложных и больших алгоритмов, целесообразно составлять несколько схем различных уровней детализации. Схема 1-го уровня отображает весь алгоритм целиком. Схемы 2-го уровня раскрывают логику отдельных блоков схемы 1-го уровня. При необходимости могут быть составлены схемы последующих уровней с еще большей степенью детализации. Такое пошаговое уточнение схемы алгоритма составляет сущность метода нисходящего проектирования, который, в свою очередь, является основой структурного программирования.

3.3 Псевдокод

Псевдокод представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов. Он занимает промежуточное место между естественным и формальным языками [7].

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 некоторые формальные конструкции и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи.

В псевдокоде не приняты строгие синтаксические правила для записи команд, присущие формальным языкам, что облегчает запись алгоритма на стадии его проектирования и дает возможность использовать более широкий набор команд, рассчитанный на абстрактного исполнителя. В псевдокоде обычно имеются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от записи на псевдокоде к записи алгоритма на формальном языке. В псевдокоде как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда. Они выделяются в печатном тексте жирным шрифтом, а в рукописном тексте подчеркиваются. Единого определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных конструкций.

Пример:

Вычислить а+b.

Алг Нахождение суммы;

дано а и b;

надо с=а+b;

ввод а,b;

с:=а+b;

вывод с;

кон .

3.4 Программное представление алгоритма

При записи алгоритма в словесной форме, в виде блок-схемы или на псевдокоде допускается определенный произвол при изображении команд. Вместе с тем такая запись точна настолько, что позволяет человеку понять суть дела и исполнить алгоритм.

На практике в качестве исполнителей алгоритмов используются специальные автоматы - компьютеры. Алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на «понятном» ему языке. На первый план выдвигается необходимость точной записи команд, не оставляющей места для произвольного толкования их исполнителем. Следовательно, язык для записи алгоритмов должен быть формализован. Такой язык принято называть языком программирования, а запись алгоритма на этом языке - программой для компьютера.

4 Структурное программирование

На всех этапах подготовки к алгоритмизации задачи широко используется структурное представление алгоритма. В информатике процесс решения задачи распределяется между двумя субъектами: программистом и компьютером. Программист составляет алгоритм (программу), компьютер его исполняет. В традиционной математике такого разделения нет, задачу решает один человек, который составляет алгоритм решения задачи и сам выполняет его. Сущность алгоритмизации не в том, что решение задачи представляется в виде набора элементарных операций, а в том, что процесс решения задачи разбивается на два этапа: творческий (программирование) и не творческий (выполнение программы). И выполняют эти этапы разные субъекты – программист и исполнитель.

При составлении алгоритма программист никому ничего не объясняет, а исполнитель не пытается ничего понять. Алгоритм размещается в памяти компьютера, который извлекает команды по одной и исполняет их. Человек действует по-другому. Чтобы решить задачу, человеку требуется держать в памяти метод решения задачи в целом, а воплощает этот метод каждый по-своему.

Практика программирования показала необходимость научно обоснованной методологии разработки и документирования алгоритмов и программ. Эта методология должна касаться анализа исходной задачи, разделения ее на достаточно самостоятельные части и программирования этих частей по возможности независимо друг от друга. Такой методологией, зародившейся в начале 70-х годов и получившей в последнее время широкое распространение, является структурное программирование. По своей сути оно воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ. В основу структурного программирования положены следующие достаточно простые положения [8]:

1. алгоритм и программа должны составляться поэтапно (по шагам);

2. сложная задача должна разбиваться на достаточно простые, легко воспринимаемые части, каждая из которых имеет один вход и один выход;

3. логика алгоритма и программы должна опираться на минимальное число достаточно простых базовых управляющих структур.

Использование этих положений позволяет внести определенную систему в труд программиста и составлять удобочитаемые алгоритмы (и программы), которые легко изучать и проверять. Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании. Эта теорема устанавливает, что, как бы сложна ни была задача, схема соответствующей программы всегда может быть представлена с использованием весьма ограниченного числа элементарных управляющих структур. Элементарные структуры могут соединяться между собой, образуя более сложные структуры, по тем же самым элементарным схемам.

Базовыми элементарными структурами являются структуры: следование, ветвление и повторение (цикл), изображенные на рис.5. Они обладают функциональной полнотой, т.е. любой алгоритм может быть реализован в виде композиции этих трех конструкций.

Рис. 5

Первая (а) структура - тип последовательность (или просто последовательность), вторая (б) – структура выбора (ветвление), третья (в) – структура цикла с предусловием.

При словесной записи алгоритма указанные структуры имеют соответственно следующий смысл:

«выполнить ; выполнить »,

если , то выполнить , иначе выполнить »,

«до тех пор, пока , выполнять »,

где - условие; , , - действия.

Рассматривая схему программы, можно выделить в ней части, достаточно простые и понятные по структуре. Представление этих фрагментов укрупненными блоками существенно облегчает восприятие алгоритма в целом.

Достаточно часто структурное программирование подразумевает использование более трех базисных структур. Применительно к языку Паскаль, в котором наиболее полно нашли свое отражение идеи структурного программирования, целесообразно при проектировании алгоритмов дополнительно использовать еще четыре элементарные структуры: сокращенную запись разветвления (рис. 16, ); структуру варианта (рис. 16, ); структуру повторения или цикла с параметром (рис. 16, ); структуру цикла с постусловием (рис. 6, ). Каждая из этих структур имеет один вход и один выход. В языке Паскаль имеются средства, позволяющие непосредственно реализовывать в программе любую из этих структур, поэтому правильное использование типовых структур в процессе разработки алгоритма обеспечивает упрощение этапов решения задачи на ЭВМ.

Рис. 6

Ветвящимся (разветвляющимся) называется вычислительный процесс, вкотором происходит выбор одного из возможных вариантов вычислений в зависимости от проверки заданных условий.

В зависимости от типа и числа проверяемых условий различают:

- ветвление с простым условием (условие - выражение отношения);

- ветвление с составным условием (условие - логическое выражение);

- сложное ветвление (несколько условий).

Вариант вычислений, определяемый в результате проверки условия, называется ветвью.

При необходимости одновременного выполнения нескольких операций отношения они объединяются в составное условие в виде логического выражения. Для этой цели используют логические операции:

- - логическое сложение (ИЛИ), дизъюнкция;

- - логическое умножение (И), конъюнкция;

- I - отрицание (не).

Циклическимназывается процесс многократного повторения некоторого участка вычислений при изменении хотя бы одной из входящих в него величин.

Повторяющийся участок вычисления называется циклом. Операции, осуществляемые в цикле, составляют тело цикла.

Величина, изменяющая своё значение от цикла к циклу, называется параметром цикла.

Зависимость, связывающая текущее и предыдущее значения параметра цикла, определяет закон изменения параметра цикла.

Зависимость, предписывающая повторение цикла, либо выход из него, называется условием повторения цикла.

Все циклические процессы по признаку определения количества повторений (М) разделяются на два класса.

Арифметическим называется циклический процесс, число повторений в котором может быть определено заранее, т.е. не зависит от результатов счёта в челе цикла.

Итерационным является циклический процесс, число повторений в котором зависит от результатов вычислений в теле цикла и не может быть определено заранее.

Независимо от того, к какому классу относится вычислительный процесс, каждый из них содержит обязательные элементы:

- вход в цикл (формирование начального значения параметра цикла);

- вычисления в теле цикла (расчёт текущего значения функций, формирования нового значения параметра цикла, а также вспомогательные операции);

- выход из цикла (проверка условия, определяющего повторение вычислений, либо их прекращение).

По своему содержанию эти элементы зависят от класса и особенностей цикла, в котором используются.

В соответствии с видом задания (изменения) параметра цикла арифметические циклы подразделяются на:

- циклы с аналитическим изменением параметра;

- циклы с табличным заданием параметра.

Выполнение арифметических циклов, т.е. многократное вычисление значений функции при изменяющихся значениях аргумента, называется табуляцией функции.

5 Предпрограммная подготовка задачи

На ЭВМ могут решаться задачи различного характера, например: научно-инженерные; разработки системного программного обеспечения; обучения; управления производственными процессами и т. д. В процессе подготовки и решения на ЭВМ научно-инженерных задач можно выделить следующие этапы [1]:

1. постановка задачи;

2. формирование математической модели задачи;

3. выбор и обоснование метода решения;

4. алгоритмизация вычислительного процесса;

5. программирование;

6. отладка и тестирование программы;

7. решение задачи на ЭВМ и анализ результатов;

8. сопровождение программы.

В задачах другого класса некоторые этапы могут отсутствовать, например, в задачах разработки системного программного обеспечения отсутствует математическое описание. Перечисленные этапы связаны друг с другом. Например, анализ результатов может показать необходимость внесения изменений в программу; алгоритм или даже в постановку задачи. Для уменьшения числа подобных изменений необходимо на каждом этапе по возможности учитывать требования, предъявляемые последующими этапами. В некоторых случаях связь между различными этапами, например, между постановкой задачи и выбором метода решения, между составлением алгоритма и программированием, может быть настолько тесной, что разделение их становится затруднительным.

Постановка задачи - этап словесной формулировки, определяющий цель решения, исходные данные, основные закономерности, условия и ограничения применения этих закономерностей. Анализируются характер и сущность всех величин, используемых в задаче, и определяются условия, при которых она решается. Корректность постановки задачи является важным моментом, так как от нее в значительной степени зависят другие этапы. Постановка задачи должна отвечать следующим требованиям:

- четкая формулировка цели с указанием вида и характеристик конечных результатов;

- представление значений и размерностей исходных данных;

- определение всех возможных вариантов решения, условий выбора каждого;

- обозначения границы применимости и действия в случае выхода за них.

Корректность постановки задачи является важным моментом, так как от нее в значительной степени зависят и другие этапы.

Формирование математической модели задачи - этап перевода словесной постановки задачи в совокупность математических зависимостей, описывающих исходные данные и вычисления промежуточных и конечных результатов.

Математическая модель формируется с определенной точностью, допущениями и ограничениями. При этом в зависимости от специфики решаемой задачи могут быть использованы различные разделы математики и других дисциплин.

Математическая модель должна удовлетворять по крайней мере двум требованиям: реалистичности и реализуемости. Под реалистичностью понимается правильное отражение моделью наиболее существенных черт исследуемого явления.

Реализуемостьдостигается разумной абстракцией, отвлечением от второстепенных деталей, чтобы свести задачу к проблеме с известным решением. Условием реализуемости является возможность практического выполнения необходимых вычислений за отведенное время при доступных затратах требуемых ресурсов.

Полученная математическая модель должна отвечать следующим требованиям:

- вначале составляется модель исходных данных, затем - расчетные зависимости;

- в модели исходных данных не изменяются размерности данных и не используются никакие математические операции;

- обозначение всех входящих в зависимости величин именами, определяющими их суть;

- указание размерностей всех используемых величин для контроля и дальнейшей модернизации решения;

Выбор и обоснование метода решения - этап разработки или выбора из уже имеющихся метода решения, в том числе выбор стандартных структур вычислительных процессов (линейной, ветвящейся, циклической). Критерии выбора определяются математической моделью решения (предыдущий этап), требованиями к универсальности метода и точности результата, ограничениями технического и программного обеспечении. При обосновании выбора метода необходимо учитывать различные факторы и условия, в том числе точность вычислений, время решения задачи на ЭВМ, требуемый объем памяти и другие. Здесь следует указать альтернативные методы и аргументы сделанного выбора. Одну и ту же задачу можно решить различными методами, при этом в рамках каждого метода можно составить различные алгоритмы.

Алгоритмизация вычислительного процесса - этап разработки совокупности предписаний, однозначно определяющих последовательность преобразования исходных данных в конечные результаты. На данном этапе составляется алгоритм решения задачи согласно действиям, задаваемым выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, и устанавливается последовательность выполнения блоков. Разрабатывается блок-схема алгоритма.

Программирование. При составлении программы алгоритм решения задачи переводится на конкретный язык программирования. Для программирования обычно используются языки высокого уровня, поэтому составленная программа требует перевода ее на машинный язык ЭВМ. После такого перевода выполняется уже соответствующая машинная программа.

1. Программа должна быть универсальной, то есть не зависящей от конкретного набора данных. Например, если количество обрабатываемых данных может меняться, то следует предусмотреть хранение максимально возможного их количества. Универсальная программа должна уметь обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть в процессе обработки информации.

2. Вместо констант лучше использовать переменные. Если в программе используются константы, то при их изменении нужно изменять в исходной программе каждый оператор, содержащий прежнюю константу. Эта процедура отнимает много времени и часто вызывает ошибки. В программе следует предусмотреть контроль вводимых данных (в частности, программа не должна выполняться, если данные выходят за пределы допустимого диапазона).

3. Некоторые простые приемы позволяют повысить эффективность программы (то есть уменьшить количество выполняемых операций и время работы программы). К таким приемам относится:

- использование операции умножения вместо возведения в степень ();

- если некоторое арифметическое выражение встречается в вычислениях несколько раз, то его следует вычислить заранее и хранить в памяти ЭВМ, а по мере необходимости использовать;

- при организации циклов в качестве границ индексов использовать переменные, а не выражения, которые вычислялись бы при каждом прохождении цикла;

- особое внимание обратить на организацию циклов, убрав из них все повторяющиеся с одинаковыми данными вычисления и выполняя их до входа в цикл.

4. Программа должна содержать комментарии, позволяющие легко проследить за логической взаимосвязью и функциями отдельных ее частей.

При написании программы следует структурировать ее текст так, чтобы она хорошо читалась. В частности, в программе должно быть хорошо видно, где начинается и где заканчивается цикл.

Отладка программы – процесс выявления и исправления синтаксических и логических ошибок в программе. Суть отладки заключается в том, что выбирается некоторый набор исходных данных, называемый тестовым набором (тестом), и задача с этим набором решается дважды: один раз – исполнением программы, второй раз – каким-либо иным способом, исходя из условия задачи, так сказать, «вручную». При совпадении результатов алгоритм считается верным. В качестве тестового набора можно выбрать любые данные, которые позволяют:

- обеспечить проверку выполнения всех операций алгоритма;

- свести количество вычислений к минимуму.

В ходе синтаксического контроля программы транслятором выявляются конструкции и сочетания символов, недопустимые с точки зрения правил их построения или написания, принятых в данном языке. Сообщения об ошибках ЭВМ выдает программисту, при этом вид и форма выдачи подобных сообщений зависят от вида языка и версии используемого транслятора.

После устранения синтаксических ошибок проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы, например, в программе выбираются контрольные точки, для которых вручную рассчитываются промежуточные результаты. Эти результаты сверяются со значениями, получаемыми ЭВМ в данных точках при выполнении отлаживаемой программы. Кроме того, для поиска ошибок могут быть использованы отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, например, удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод или изменение значений заданных переменных.

Тестирование - это испытание, проверка правильности работы программы в целом, либо её составных частей.

Отладка и тестирование (англ. test - испытание) - это два четко различимых и непохожих друг на друга этапа:

- при отладке происходит локализация и устранение синтаксических ошибок и явных ошибок кодирования;

- в процессе же тестирования проверяется работоспособность программы, не содержащей явных ошибок.

Тестирование устанавливает факт наличия ошибок, а отладка выясняет ее причину. Английский термин debugging ("отладка") буквально означает "вылавливание жучков". Термин появился в 1945 г., когда один из первых компьютеров - "Марк-1" прекратил работу из-за того, что в его электрические цепи попал мотылек и заблокировал своими останками одно из тысяч реле машины.

В современных программных системах (Turbo Basic, Turbo Pascal, Turbo C и др.) отладка осуществляется часто с использованием специальных программных средств, называемых отладчиками. Эти средства позволяют исследовать внутреннее поведение программы.

Программа-отладчик обычно обеспечивает следующие возможности:

- пошаговое исполнение программы с остановкой после каждой команды (оператора);

- просмотр текущего значения любой переменной или нахождение значения любого выражения, в том числе, с использованием стандартных функций; при необходимости можно установить новое значение переменной;

- установку в программе "контрольных точек", т.е. точек, в которых программа временно прекращает свое выполнение, так что можно оценить промежуточные результаты, и др.

При отладке программ важно помнить следующее:

- в начале процесса отладки надо использовать простые тестовые данные;

- возникающие затруднения следует четко разделять и устранять строго поочередно;

- не нужно считать причиной ошибок машину, так как современные машины и трансляторы обладают чрезвычайно высокой надежностью.

Как бы ни была тщательно отлажена программа, решающим этапом, устанавливающим ее пригодность для работы, является контроль программы по результатам ее выполнения на системе тестов.

Программу условно можно считать правильной, если её запуск для выбранной системы тестовых исходных данных во всех случаях дает правильные результаты.

Но, как справедливо указывал известный теоретик программирования Э. Дейкстра, тестирование может показать лишь наличие ошибок, но не их отсутствие. Нередки случаи, когда новые входные данные вызывают "отказ" или получение неверных результатов работы программы, которая считалась полностью отлаженной.

Для реализации метода тестов должны быть изготовлены или заранее известны эталонные результаты. Вычислять эталонные результаты нужно обязательно до, а не после получения машинных результатов. В противном случае имеется опасность невольной подгонки вычисляемых значений под желаемые, полученные ранее на машине.

Тестовые данные должны обеспечить проверку всех возможных условий возникновения ошибок:

- должна быть испытана каждая ветвь алгоритма;

- очередной тестовый прогон должен контролировать то, что еще не было проверено на предыдущих прогонах;

- первый тест должен быть максимально прост, чтобы проверить, работает ли программа вообще;

- арифметические операции в тестах должны предельно упрощаться для уменьшения объема вычислений;

- количества элементов последовательностей, точность для итерационных вычислений, количество проходов цикла в тестовых примерах должны задаваться из соображений сокращения объема вычислений;

- минимизация вычислений не должна снижать надежности контроля;

- тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, так как случайный выбор исходных данных привел бы к трудностям в определении ручным способом ожидаемых результатов; кроме того, при случайном выборе тестовых данных могут оказаться непроверенными многие ситуации;

- усложнение тестовых данных должно происходить постепенно.

Процесс тестирования можно разделить на три этапа.

1. Проверка в нормальных условиях. Предполагает тестирование на основе данных, которые характерны для реальных условий функционирования программы.

2. Проверка в экстремальных условиях. Тестовые данные включают граничные значения области изменения входных переменных, которые должны восприниматься программой как правильные данные. Типичными примерами таких значений являются очень маленькие или очень большие числа и отсутствие данных. Еще один тип экстремальных условий - это граничные объемы данных, когда массивы состоят из слишком малого или слишком большого числа элементов.

3. Проверка в исключительных ситуациях. Проводится с использованием данных, значения которых лежат за пределами допустимой области изменений. Известно, что все программы разрабатываются в расчете на обработку какого-то ограниченного набора данных. Поэтому важно получить ответ на следующие вопросы:

Что произойдет, если программе, не рассчитанной на обработку отрицательных и нулевых значений переменных, в результате какой-либо ошибки придется иметь дело как раз с такими данными?

Как будет вести себя программа, работающая с массивами, если количество их элементов превысит величину, указанную в объявлении массива?

Что произойдет, если числа будут слишком малыми или слишком большими?

Наихудшая ситуация складывается тогда, когда программа воспринимает неверные данные как правильные и выдает неверный, но правдоподобный результат.

Программа должна сама отвергать любые данные, которые она не в состоянии обрабатывать правильно.

Решение задачи на ЭВМ и анализ результатов. После отладки программы ее можно использовать для решения прикладной задачи. При этом обычно выполняется многократное решение задачи на ЭВМ для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты интерпретируются и анализируются специалистом или пользователем, поставившим задачу.

Сопровождение программы:

Разработанная программа длительного использования устанавливается на ЭВМ, как правило, в виде готовой к выполнению машинной программы. К программе прилагается документация, включая инструкцию для пользователя. Так как при установке программы на диск для ее последующего использования помимо файлов с исполняемым кодом устанавливаются различные вспомогательные программы (утилиты, справочники, настройщики и т. д.), а также необходимые для работы программ разного рода файлы с текстовой, графической, звуковой и другой информацией.

А также:

- доработка программы для решения конкретных задач;

- составление документации к решенной задаче, математической модели, алгоритму, программе по их использованию.

Список использованной литературы

1. Акулов О.А. Информатика: учебник / О.А. Акулов, Н.В. Медведев. – М.: Омега-П, 2007. – 270 с.

2. Алексеев А.П. Информатика 2007 / А.П. Алексеев. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – 608 с.

3. Вьюхин В.В. Информатика и вычислительная техника: учеб. пособие для инженерных специальностей / В.В. Вьюхин; под ред. В.Н. Ларионова. - М.: Дрофа, 1992. – 286 с.

4. Гейн А.Г. Основы информатики и вычислительной техники / А.Г. Гейн. - М.: Просвещение, 1992. – 245 с.

5. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / под ред. Н.В. Макаровой. - 2-е изд. - М.: Финансы и статистика, 1998. – 384 с.

6. Макарова Н.В. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / Н.В. Макарова, С.Н. Рамин. – М.: Академия, 1997. – 384 с.

7. Макарова Н.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / Н.В. Макарова, Н.В. Бройдо. – М.: Академия, 2003. – 768 с.

8. Могилев А.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Академия, 2000. – 346 с.

9. Острейковский В.А. Информатика / В.А. Острейковский. М.: Высш. шк., 2000. – 235 с.

10. Угринович Н.Д. Практикум по информатике и информационным технологиям: учеб. пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович, Л.Л. Босова, Н.И. Михайлова. – М.: Бином, 2002. – 400 с.