Формы записей алгоритмов. Общие принципы построения.
Свойства алгоритмов
Понятие алгоритма
Объектно-ориентированное программирование (ООП)
Чтобы написать еще более сложную программу, необходим новый подход к программированию - технология объектно-ориентированного программирования.
OOП включает лучшие идеи, воплощённые как в структурном программировании, так и в модульном. «Является еще более структурным программированием, еще более модульным» (Джеф Дантеманн?).
И, кроме того, ООП сочетает старые принципы с мощными новыми концепциями, которые позволяют оптимально организовывать программы.
Объектно-ориентированное программирование позволяет разложить проблему на составные части. Каждая составляющая становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, которые относятся к этому объекту. В этом случае программирование в целом упрощается, и программист получает возможность оперировать гораздо большими по объёму программами.
Таким образом, ООП - «это методология, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией собственного класса» (А.Д. Александровский).
Основным понятием ООП является понятие класса.
Класс - множество объектов, связанных общностью структуры и поведения (класс содержит описание структуры и поведение всех объектов, связанных отношением общности). Любой объект является экземпляром класса.
Coordinates = class
x, y: byte;
procedure Init (Xinit, Yinit: byte);
function GetX: byte;
function GetY: byte;
Для разработки приложений в Delphi используются специальным образом оформленные классы - компоненты .
Компонент обладает набором свойств и методов . Свойства компонента изменяются либо на этапе сборки приложения (под воздействием системы), либо программно, в процессе работы приложения (под воздействием пользователя).
Особым видом свойства компонента является событие . Процедура обработки события - это реакция приложения на изменение свойства компонента под воздействием системы или пользователя (нажатие клавиши, перемещение курсора и т.п.)
Разветвляющимся алгоритмом называется алгоритм, в котором выполняется одна из ветвей действий при заданных значениях параметра.
На практике часто встречаются задачи, в которых в зависимости от первоначальных условий или промежуточных результатов необходимо выполнить вычисления по одним или другим формулам.
Такие задачи можно описать с помощью алгоритмов разветвляющейся структуры. В таких алгоритмах выбор направления продолжения вычисления осуществляется по итогам проверки заданного условия. Ветвящиеся процессы описываются оператором IF (условие).
а) если - то
б) если - то иначе
условие 1: действие 1
условие N: действие N
Разветвляющийся алгоритм:
Циклический алгоритм - алгоритм, в котором какая-то совокупность действий повторяется несколько раз при изменяющихся значениях параметра.
Для решения многих задач характерно многократное повторение отдельных участков вычислений. Для решения таких задач применяются алгоритмы циклической структуры (циклические алгоритмы). Цикл - последовательность команд, которая повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное условие. Циклическое описание многократно повторяемых процессов значительно снижает трудоемкость написания программ.
Существуют две схемы циклических вычислительных процессов.
а) Пока <условие> делай<тело цикла>
б) для i от i 1 до i 2 делай<тело цикла>.
Особенностью первой схемы является то, что проверка условия выхода из цикла проводится до выполнения тела цикла. В том случае, если условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу.
Особенностью второй схемы является то, что цикл выполняется хотя бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла осуществляется после того, как тело цикла выполнено.
Существуют циклы с известным числом повторений и итерационные циклы. При итерационном цикле выход из тела цикла, как правило, происходит при достижении заданной точности вычисления.
Алгоритм любой сложности может быть представлен комбинацией трех базовых структур:
Следование;
Ветвление (в полной и сокращенной форме);
Цикл (с предусловием или постусловием).
Характерной особенностью этих структур является наличие у них одного входа и одного выхода.
Циклический алгоритм:
ПОНЯТИЕ АЛГОРИТМА. СВОЙСТВА АЛГОРИТМА. ВИДЫ АЛГОРИТМОВ. СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ АЛГОРИТМОВ
Алгоритмом называется точное и понятное предписаниe исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи. Слово «алгоритм» происходит от имени математика Аль Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий. Первоначально под алгоритмом понимали только правила выполнения четырех арифметических действий над числами. В дальнейшем это понятие стали использовать вообще для обозначения последовательности действий, приводящих к решению любой поставленной задачи. Говоря об алгоритме вычислительного процесса, необходимо понимать, что объектами, к которым применялся алгоритм, являются данные. Алгоритм решения вычислительной задачи представляет собой совокупность правил преобразования исходных данных в результатные.
Основными свойствами алгоритма являются:
- детерминированность (определенность). Предполагает получение однозначного результата вычислительного процecca при заданных исходных данных. Благодаря этому свойству процесс выполнения алгоритма носит механический характер;
- результативность. Указывает на наличие таких исходных данных, для которых реализуемый по заданному алгоритму вычислительный процесс должен через конечное число шагов остановиться и выдать искомый результат;
- массовость. Это свойство предполагает, что алгоритм должен быть пригоден для решения всех задач данного типа;
- дискретность. Означает расчлененность определяемого алгоритмом вычислительного процесса на отдельные этапы, возможность выполнения которых исполнителем (компьютером) не вызывает сомнений.
Алгоритм должен быть формализован по некоторым правилам посредством конкретных изобразительных средств. К ним относятся следующие способы записи алгоритмов: словесный, формульно-словесный, графический, язык операторных схем, алгоритмический язык.
Наибольшее распространение благодаря своей наглядности получил графический (блок-схемный) способ записи алгоритмов.
Блок-схемой называется графическое изображение логической структуры алгоритма, в котором каждый этап процесса обработки информации представляется в виде геометрических символов (блоков), имеющих определенную конфигурацию в зависимости от характера выполняемых операций. Перечень символов, их наименование, отображаемые ими функции, форма и размеры определяются ГОСТами.
При всем многообразии алгоритмов решения задач в них можно выделить три основных вида вычислительных процессов:
- линейный;
- ветвящийся;
- циклический.
Линейным называется такой вычислительный процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в естественном порядке следования записи этих этапов.
Ветвящимся называется такой вычислительный процесс, в котором выбор направления обработки информации зависит от исходных или промежуточных данных (от результатов проверки выполнения какого-либо логического условия).
Циклом называется многократно повторяемый участок вычислений. Вычислительный процесс, содержащий один или несколько циклов, называется циклическим . По количеству выполнения циклы делятся на циклы с определенным (заранее заданным) числом повторений и циклы с неопределенным числом повторений. Количество повторений последних зависит от соблюдения некоторого условия, задающего необходимость выполнения цикла. При этом условие может проверяться в начале цикла - тогда речь идет о цикле с предусловием, или в конце - тогда это цикл с постусловием.
В жизни нам часто приходится встречаться с различными ситуациями, в которых мы совершаем одни и те же определенные действия. Для того, чтобы вовремя проснуться, нам нужно не забыть включить будильник. Для того, чтобы утолить свой голод, нам необходимо выполнить одни и те же действия по приготовлению вкусной пищи. Для того, чтобы выполнить знакомую нам работу, мы тоже часто делаем одно и то же.
Такое поведение можно называть по-разному, смотря в каком контексте оно рассматривается. Если рассмотреть с позиции эффективности деятельности, то эти действия можно назвать привычками или навыками. Если рассматривать с точки зрения отображения процесса, то описание последовательности действий, строгое исполнение которых приводит к решению поставленных задач за определенное количество шагов, называют алгоритмом действий.
Как создаются алгоритмы действий?
Мы постоянно сталкиваемся с этим в обычной жизни. Какие действия мы совершаем, чтобы пополнить счет своего мобильного телефона? Каждый из нас — разные. Так как способов пополнения счета несколько, следовательно мы все по-разному это делаем. Результат, правда всегда один получается — появление средств на телефоне.
Или еще пример: чтобы скопировать картинку или текст, нажимаем правой кнопкой мыши на картинку, затем выбираем «Копировать», помещаем в нужное место, нажимаем правой кнопкой » Вставить», и результат достигнут.
Все это — определенная последовательность действий, в результате которых различными средствами решается поставленная задача. Но пока это только наши знания, которые перерастают в навыки и умения, а если этот процесс описать, то мы сможем наглядно увидеть алгоритм наших действий, и передать его другим людям. На словах не все и не всегда понятно бывает.
Опишите последовательность действий — это запоминается
Создать алгоритм действий можно, описав или изобразив его последовательность. Знают ли все, что надо сделать, чтобы посадить дерево? Возможно, основные шаги понятны всем, но вот когда деревце поливать, перед посадкой или после, помнит не каждый. Созданный алгоритм позволит все действия выполнить в правильной последовательности.
Чтобы описать последовательность действий посложнее, придется постараться и подробно их все записать. Пример можно взять с всевозможных правил и инструкций — там очень четко прописываются по шагам действия, которые нам надо сделать. Но бывают ситуации, в которых за определенным действие следует не один шаг, а несколько, в зависимости от предыдущего результата. В таком случае, предположительные действия тоже записывают, чтобы человек мог легко сориентироваться в разных ситуациях, и знал, что нужно предпринять.
Алгоритм действий в графике — это блок-схема
Если изобразить алгоритмы действий в графическом варианте, с помощью геометрических фигур с линиями-связями, показывающими порядок выполнения действия, то мы получим блок-схему. Блок-схема намного превосходит правила, инструкции, и записанные по порядку алгоритмы действий, по своей наглядности и читаемости.
Представьте, что вам нужно чему-то научить другого человека. Вы отлично знаете все действия в определенной последовательности. Ваша задача — показать, как это нужно делать и передать свои знания так, чтобы другой человек их запомнил и знал так же, как и вы. Устная передача знаний допускает импровизации и некоторый произвол. Самым лучшим способом будет блок-схема, в которой объясняется последовательность и возможные варианты действий. В качестве примера — веселое руководство по изучению блог-схем:
Лучшим условием для получения результата будет повторяемость действий. Это однозначно влияет на скорость достижения результата в будущем. Чем чаще вам придется повторять одни и те же действия, тем быстрее вы научитесь выполнять последовательность действий, а значит в каждый последующий раз, вам потребуется меньше времени на выполнение.
Блок-схемы применяются в продажах
В продажах такое обучение с помощью разработки алгоритмов и изображения их в виде блок-схем имеет большое распространение. Чаще всего их используют в телефонных сценариях разговоров в call-центрах и для «холодных» звонков. Корпоративная культура набирает обороты, поэтому многие компании уже не позволяют сотрудникам нести «отсебятину», даже талантливую, а предлагают действовать им по заранее разработанному сценарию, представляя «лицо фирмы» на различных этапах. Эффект появляется буквально после нескольких дней действий «по бумажке». Со временем, многое из описанных алгоритмов запоминается сотрудником, и в дальнейшем он свободно может общаться, не опасаясь того, в какую сторону может уйти разговор.
Алгоритмы действий и блог-схемы разрабатываются не только в продажах. Большое распространение они имеют в обучении и практике врачей, программистов, «компьютерщиков», у многих технических специальностей.
Стоит попробовать научиться действовать по подобным блок-схемам. Ведь впервые встречаясь с непонятным поначалу обилием действий и задач, думаешь о том, как тебе не хватает разработанной блок-схемы. После долгих мучений не выдерживаешь, и начинаешь разрабатывать и создавать самостоятельно. Эффективные люди не любят простоев в делах. А блок-схемы значительно упрощают жизнь и позволяют разобраться в решении сложных задач.
Сервисы для разработки блок-схем
В интернете есть сервисы, которые могут помочь вам создавать такие блок-схемы. Один из них — Сacoo . С его помощью вам легко удастся превращать ваши алгоритмы в различные диаграммы, блок-схемы и графики. Вы увидите, что это очень приятное и радостное занятие — преобразовывать то, что вам известно, в науку для других людей.
— хорошее настроение вам обеспечено. На первоначальном этапе можно воспользоваться возможностями бесплатной учетной записи, а в будущем за доступ нужно будет платить. Естественно, что бесплатный доступ имеет ограничения по сравнению с платными. Но для изучения и первых шагов, функционала вполне достаточно.
Разработав алгоритмы действий и преобразовав их в блок-схемы с помощью Cacoo, вы сможете надолго создать хорошее настроение не только себе, но и другим людям, постигающим азы.
Создавайте игровые блок-схемы для своих детей
Подводя итог вышесказанному отмечу, что теперь вы сможете использовать алгоритмы действий и блок-схемы в различных жизненных ситуациях. Даже ваши дети с огромным удовольствием станут выполнять не самые интересные обязанности, следуя понятным подсказкам. Если будут идеи, где и как можно применять алгоритм действий , поделитесь в комментариях, уважаемые читатели. Очень хотелось бы узнать про ваши алгоритмы.
Моя блок-схема
Вот какая блок-схема у меня получилась в первый раз. Для того, чтобы увеличить изображение, нажмите на него. После перехода на Cacoo, под записью «просмотр фигуры», нажимайте на картинку. Она откроется в большом окне. Удачи!
Понятность - алгоритм должен состоять из команд, "понятных" исполнителю (входящих в систему команд исполнителя).
Дискpетность (прерывность, раздельность) - алгоpитм должен пpедставлять пpоцесс pешения задачи как последовательное выполнение пpостых (или pанее опpеделенных) шагов.
Опpеделенность - т.е. каждое пpавило алгоpитма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для пpоизвола. Благодаpя этому свойству выполнение алгоpитма носит формальный хаpактеp и не тpебует никаких дополнительных указаний или сведений о pешаемой задаче.
Pезультативность (или конечность)- алгоpитм должен пpиводить к pешению задачи (или к ответу, что решения нет) за конечное число шагов.
Массовость - алгоpитм pешения задачи pазpабатывается в общем виде, т.е. он должен быть пpименим для некотоpого класса задач, pазличающихся лишь исходными данными. Пpи этом исходные данные могут выбиpаться из некотоpой области, котоpая называется областью пpименимости алгоpитма.
Главная особенность любого алгоритма - формальное исполнение, позволяющее выполнять заданные действия (команды) не только человеку, но и техническим устройствам (исполнителям). Таким образом, исполнителями алгоритмов могут быть, например, человек, компьютер, принтер, робот-манипулятор, станок с числовым программным управлением, живая клетка, дрессированное животное, компьютерная программа, компьютерный вирус, "черепашка" в Логорайтере или Логомирах (геометрический исполнитель) и т.д.
Исполнитель алгоритма - это устройство управления, соединенное с набором инструментов. Устройство управления понимает алгоритмы и организует их выполнение, командуя соответствующими инструментами. А инструменты производят действия, выполняя команды управляющего устройства. Прежде чем составлять алгоритм решения задачи, надо узнать, какие действия предполагаемый исполнитель может выполнить.
Эти действия называются допустимыми действиями исполнителя. Только их и можно использовать.
Исполнитель вычислительных алгоритмов называется вычислителем. Вычислитель может иметь дело с числами и переменными, обозначающими числа. Таким образом, алгоритм - это организованная последовательность действий, допустимых для некоторого исполнителя. Один и тот же исполнитель может быть сымитирован на ЭВМ многими способами.
Сложность алгоритма
Сложность алгоритма позволяет оценить, насколько быстро растет трудоёмкость алгоритма с увеличением объема входных данных. Под трудоемкостью понимается количество элементарных операций, которые необходимо выполнить для решения задачи с помощью данного алгоритма. Обычно оценка сложности алгоритма представляется в виде O(f(N)), где O – функция сложности, а N – число обрабатываемых наблюдений или примеров. Наименее затратными являются алгоритмы, для которых функция сложности имеет вид f(N)=C и f(N)=C*N, где С – константа. В первом случае вычислительные затраты не зависят от количества обрабатываемых данных, а во втором случае – линейно возрастают. Самыми затратными являются алгоритмы, сложность которых имеет степенную и факториальную зависимости от числа обрабатываемых наблюдений.
СОРТИРОВКА
Сортировка представляет собой процесс упорядочения множества подобных информационных объектов в порядке возрастания или убывания их значений. Например, список i из n элементов будет отсортирован в порядке возрастания значений элементов, если i <= i <= ... <= i.
Имеется два вида алгоритмов сортировки: сортировка массивов, которые могут находиться как в операционной памяти, так и на диске в виде файла прямого доступа, и сортировка последовательных файлов, находящихся на дисках или магнитных лентах.
Основное отличие между сортировкой массивов и сортировкой последовательных файлов заключается в том, что каждый элемент массива является доступным в любое время. Это значит, что в любое время любой элемент массива может сравниваться с любым другим элементом массива и любые два элемента массива могут обмениваться местами. Напротив, в последовательном файле в каждый момент времени доступен лишь один элемент. Из-за этих отличий методы сортировки существенно отличаются для этих двух видов сортировки.
В общем случае при сортировке данных только часть информации используется в качестве ключа сортировки, который используется в сравнениях. Когда выполняется обмен, передается вся структура данных.
МЕТОДЫ ПОИСКА
Поиск информации в неотсортированном массиве требует проведения последовательного просмотра массива. Просмотр начинается с первого элемента и завершается либо найденным элементом, либо достижением конца массива. Этот метод должен использоваться для неотсортированных данных, но он также может использоваться для отсортированных данных. Если данные отсортированы, то может использоваться двоичный поиск, который выполняется значительно быстрее.
Алгори́тм - это точный набор инструкций, описывающих порядок действий некоторого исполнителя для достижения результата, решения некоторой задачи за конечное время.
Общие определения
Единого «истинного» определения понятия «алгоритм» нет. Наиболее известные варианты определения опираются на интуитивное понятие «задачи»:
- Алгоритм - это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает пятью важными чертами: конечность, определённость, ввод, вывод, эффективность (Д. Э. Кнут ).
- Алгоритм - это всякая система вычислений, выполняемых по строго определённым правилам, которая после какого-либо числа шагов заведомо приводит к решению поставленной задачи (А. Н. Колмогоров ).
- Алгоритм - это последовательность действий, либо приводящяя к решению задачи, либо поясняющая, почему это решение получить нельзя.
Формальные признаки алгоритмов
- Детерминированность : в каждый момент времени следующий шаг работы однозначно определяется состоянием исполнителя. Алгоритм выдаёт один и тот же результат (ответ) для одних и тех же исходных данных.
- Понятность : алгоритм должен включать только команды из заранее оговоренной системы команд исполнителя.
- Завершаемость (конечность): при корректно заданных исходных данных алгоритм должен завершать работу и выдавать результат за конечное число шагов.
- Массовость : алгоритм должен быть применим к разным наборам исходных данных.
Алгоритмы анализа данных
В анализе данных под алгоритмом понимается функция, преобразующая входные данные в выходные данные , эффективно вычислимая на компьютере за конечное время, точнее, за приемлемо малое для данной задачи время.
В машинном обучении понятие алгоритм может употреблять в трёх смыслах.
Литература
- Рудаков, К. В. Алгебраическая теория универсальных и локальных ограничений для алгоритмов распознавания : Дис. док. физ.-мат. наук: 05-13-17. - Вычислительный центр АН СССР, 1992. - 274 с. (
