Как составить блок схему алгоритма вычисления значения функций

Практическая
раборта № 1

Построение
блок-схем алгоритмов(теория)

Предпочтительнее
до записи на алгоритмическом языке представить алгоритм в виде блок-схемы. Для
построения алгоритма в виде блок-схемы необходимо знать назначении каждого из
блоков. В таблице 1. приводятся типы блоков и их назначение.

Таблица 1

№	Блок	Назначение блока
1		Начало или конец блок-схемы
2		Ввод или вывод данных
3		Процесс (в частности вычислительный)
4		условие
6		Цикл с параметром (for)

Основные
типы алгоритмов

Алгоритмизация выступает как набор
определенных практических приёмов, особых специфических навыков рационального
мышления в рамках заданных языковых средств. Алгоритмизация вычислений
предполагает решение задачи в виде последовательности действий, т.е. решение,
представленное в виде блок-схемы. Можно выделить типичные алгоритмы. К ним
относятся: линейные алгоритмы, разветвляющиеся алгоритмы, циклические
алгоритмы.

Линейные алгоритмы

Линейный алгоритм является наиболее
простым. В нём предполагается последовательное выполнение операций. В этом
алгоритме не предусмотрены проверки условий или повторений.

Пример: Вычислить функцию z=
(х-у)/x +y².

Составить блок-схему вычисления функции по
линейному алгоритму. Значения переменных х, у могут быть
любые, кроме нуля, вводить их с клавиатуры.

Решение: Линейный алгоритм вычисления
функции задан в виде блок-схемы на рис.1. При выполнении линейного алгоритма
значения переменных вводятся с клавиатуры, подставляются в заданную функцию,
вычисляется результат, а затем выводится результат.

Рис.1. Линейный алгоритм

Назначение блоков в схеме на
рис.1:

·       
Блок 1 в схеме служит в качестве
логического начала.

·       
Блок 2 соответствует вводу данных.

·       
Блок 3 представляет арифметическое
действие.

·       
Блок 4 выводит результат.

·       
Блок 5 в схеме служит в качестве
логического завершения схемы.

Алгоритмы ветвлений

Разветвляющийся алгоритм предполагает
проверку условий для выбора решения. Соответственно в алгоритме появятся две
ветви для каждого условия.

В
примере рассматривается разветвляющийся алгоритм, где в зависимости от условия
выбирается один из возможных вариантов решений. Алгоритм представляется в виде
блок-схемы.

Пример:
При выполнении условия x>0
вычисляется функция: z=
x+
y,
иначе, а именно, когда х=0 или x<0,
вычисляется функция: z=x²+y².

Составить
блок-схему вычисления функции по алгоритму ветвления. Значения переменных х,
у могут быть любые, вводить их с клавиатуры.

Решение:
На рис.2 представлен разветвляющийся алгоритм, где в зависимости от условия
выполнится одна из веток. В блок-схеме появился новый блок 3, который проверяет
условие задачи. Остальные блоки знакомы из линейного алгоритма.

Рис.2. Алгоритм ветвления

Пример: Найти максимальное значение
из трёх различных целых чисел, введенных с клавиатуры. Составить блок-схему
решения задачи.

Решение: Данный алгоритм
предполагает проверку условия. Для этого выбирается любая из трёх переменных и
сравнивается с другими двумя. Если она больше, то поиск максимального числа
окончен. Если условие не выполняется, то сравниваются две оставшиеся
переменные. Одна из них будет максимальной. Блок-схема к этой задаче
представлена на рис 3.

Рис. 3. Блок-схема поиска максимума

Циклические алгоритмы

Циклический алгоритм предусматривает
повторение одной операции или нескольких операций в зависимости от условия
задачи.

Из
циклических алгоритмов выделяют два типа:

1)                
с заданным количеством циклов или со
счётчиком циклов;

2)                
количество циклов неизвестно.

Пример:
В цикле вычислить значение функции z=x*y при условии, что одна из
переменных x
меняется в каждом цикле на единицу, а другая переменная у не
меняется и может быть любым целым числом. В результате выполнения цикла при
начальном значении переменной х=1 можно получить таблицу умножения.
Количество циклов может быть любым. Составить блок-схему решения задачи.

Решение:
В примере количество циклов задаётся. Соответственно выбирается алгоритм
циклов первого типа. Алгоритм этой задачи приводится на рис. 4.

Во
втором блоке вводятся количество циклов n и любые целые числа х,
y.

В
блок-схеме появился новый блок 3, в котором переменная i считает
количество циклов, после каждого цикла увеличиваясь на единицу, пока счётчик не
будет равен i=n. При i=n будет выполнен последний
цикл.

В
третьем блоке указывается диапазон изменения счётчика цикла (от i =1 до i=n).

В
четвёртом блоке изменяются значения переменных: z, x.

В
пятом блоке выводится результат. Четвёртый и пятый блоки повторяются в каждом
цикле.

Рис.4 . Циклический алгоритм со счётчиком
циклов

Этот
тип циклических алгоритмов предпочтителен, если дано количеством циклов.

Если количество циклов неизвестно, то
блок-схемы циклических алгоритмов могут быть представлены в виде рисунков 5, 6.

Пример:
Вычислить у=у-x
пока y>x,
если y=30,
x=4.
Подсчитать количество выполненных циклов, конечное значение переменной у.
В цикле вывести значение переменной у, количество выполненных
циклов. Составить блок-схему решения задачи.

Решение:
В примере количество циклов неизвестно. Соответственно выбирается алгоритм
циклов второго типа. Алгоритм этой задачи приводится на рис. 5.

Условие
проверяется на входе в цикл. В теле цикла выполняется два блока:

1)
у=у-х; i=i+1;

2)
вывод значений переменных i,
y.

Цикл
выполняется до тех пор, пока выполняется условие y>x. При условии
равенства этих переменных у=х или y<x цикл заканчивается.

Алгоритм,
представленный на рис.5, называется циклический алгоритм с предусловием,
так как условие проверяется в начале цикла или на входе в цикл.

Рис.5. Блок-схема
циклического алгоритма с предусловием

Во втором блоке вводятся y=30,
x=4.

В
третьем блоке проверяется условие y>x
на входе в цикл. Если условие выполняется, то переход к блоку 4, иначе на блок
6.

В
четвёртом блоке вычисляется значение переменной у, подсчитывается
количество выполненных циклов i=i+1.

В
пятом блоке выводится результат:

·       
значение переменной у,

·       
количество выполненных циклов i.

Пример:
Составить блок-схему примера (рисунок 5), проверяя условие выхода из цикла.
В этом примере условие задачи не меняется, и результат выведется тот же, но
блок-схема будет другой.

Решение:
В этом случае проверяется условие на выход из цикла: y<=x. При
этом условии цикл не выполняется. Условие в блок-схеме следует перенести в
конец цикла, после вывода на печать. Цикл выполняется до тех пор, пока
выполняется условие y>x.

Алгоритм,
если условие перенести в конец цикла, называется алгоритмом цикла с
постусловием. Алгоритм этой задачи приводится на рис. 6.

Во
втором блоке вводятся y=30,
x=4.

В
третьем блоке вычисляется значение переменной у, подсчитывается
количество выполненных циклов i=i+1.

В
четвёртом блоке выводится результат:

·       
значение переменной у,

·       
количество выполненных циклов i.

В
пятом блоке проверяется условие y<=x
на выход из цикла. Если условие выполняется, то переход к блоку 6, иначе на
блок 3 и цикл повторяется.

 

Рис.6 . Алгоритм цикла с
постусловием

Индивидуальные задания к работе:

1.
Найти
результат работы алгоритма:

Входные данные по вариантам

№	A	B	C	D
1	0	-1	-2	-3
2	1	0	-1	-2
3	2	1	0	-1
4	3	2	1	0
5	4	3	2	1
6	5	4	3	2
7	6	5	4	3
8	7	6	5	4
9	-3	7	6	5
10	-4	-3	7	6
11	-5	-4	-3	7
12	-6	-5	-4	-3
13	-7	-6	-5	-4
14	9	-7	-6	-5
15	8	7	-7	-6
16	5	5	8	-7
17	5	2	4	5

2.     При
заданном Х условие выполнется? Написать результат вычисления и ответ попадаем в
условие или нет.

Входные данные по вариантам

№	X1	X1
1	55	12
2	85	13
3	24	17
4	65	15
5	17	54
6	15	67
7	26	3
8	27	21
9	92	34
10	12	23
11	45	22
12	66	45
13	71	46
14	13	76
15	45	67
16	53	35
17	52	23

3.     Написать
результат выполнения алгоритма с указанными входными данными

Входные данные по вариантам

№	S
1	1,5
2	1,8
3	2,4
4	1,6
5	1,7
6	1,3
7	2,6
8	2,37
9	1,92
10	1,12
11	1,45
12	2,66
13	2,71
14	2,13
15	1,45
16	2,53
17	1,52

4.     Написать
результат выполнения алгоритма с указанными входными данными

Входные данные по вариантам

№	X
1	-1
2	0
3	1
4	2
5	3
6	4
7	5
8	6
9	7
10	-3
11	-4
12	-5
13	-6
14	-7
15	7
16	5
17	2

5.     Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

6.     Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1	Дано двузначное число. Найти: число десятков в нем;
2	Дано двузначное число. Найти: число единиц в нем;
3	Дано двузначное число. Найти: сумму его цифр;
4	Дано двузначное число. Найти: произведение его цифр.
5	Дано двузначное число. Получить число, образованное при перестановке цифр заданного числа.
6	Дано трехзначное число. Найти: ачисло единиц в нем;
7	Дано трехзначное число. Найти: число десятков в нем;
8	Дано трехзначное число. Найти: сумму его цифр;
9	Дано трехзначное число. Найти: произведение его цифр.
10	Дано трехзначное число. Найти число, полученное при прочтении его цифр справа налево.
11	Дано трехзначное число. В нем зачеркнули первую слева цифру и приписали ее в конце. Найти полученное число.
12	Дано трехзначное число. В нем зачеркнули последнюю справа цифру и при- писали ее в начале. Найти полученное число.
13	Дано трехзначное число. Найти число, полученное при перестановке первой и второй цифр заданного числа
14	Дано трехзначное число. Найти число, полученное при перестановке второй и третьей цифр заданного числа.
15	Дано трехзначное число, в котором все цифры различны. Получить шесть чи- сел, образованных при перестановке цифр заданного числа.
16	Дано натуральное число n (n > 9). Найти: число единиц в нем;
17	Дано натуральное число n (n > 9). Найти: число десятков в нем.

7.     Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1	Определить максимальное и минимальное значения из двух различных веще- ственных чисел.
2	Известны два расстояния: одно в километрах, другое — в футах ( 1 фут 0,305 м ). Какое из расстояний меньше?
3	Известны две скорости: одна в километрах в час, другая — в метрах в секун- ду. Какая из скоростей больше?
4	Даны радиус круга и сторона квадрата. У какой фигуры площадь больше?
5	Даны объемы и массы двух тел из разных материалов. Материал какого из тел имеет большую плотность?
6	Известны сопротивления двух несоединенных друг с другом участков элек- трической цепи и напряжение на каждом из них. По какому участку протекает меньший ток?
7	Даны вещественные числа a, b, c (a 0). Выяснить, имеет ли квадратное уравнение с данными параметрами решение
8	Известны площади круга и квадрата. Определить: уместится ли круг в квадрате?
9	Известны площади круга и квадрата. Определить:  уместится ли квадрат в круге?
10	Известны площади круга и равностороннего треугольника. Определить: уместится ли круг в треугольнике?
11	Известны площади круга и равностороннего треугольника. Определить: уместится ли треугольник в круге?
12	Дано двузначное число. Определить: какая из его цифр больше: первая или вторая;
13	Дано двузначное число. Определить: одинаковы ли его цифры
14	Дано двузначное число. Определить: кратна ли трем сумма его цифр;
15	Дано двузначное число. Определить: кратна ли сумма его цифр числу а.
16	Дано трехзначное число. Определить, какая из его цифр больше: первая или последняя;
17	Дано трехзначное число. Определить, какая из его цифр больше: вторая или последняя.

8.     Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1	Одна штука некоторого товара стоит 20,4 руб. Напечатать таблицу стоимости 2, 3, …, 20 штук этого товара.
2	Напечатать таблицу соответствия между весом в фунтах и весом в килограм- мах для значений 1, 2, …, 10 фунтов (1 фунт = 453 г).
3	Напечатать таблицу перевода расстояний в дюймах в сантиметры для значе- ний 10, 11, …, 22 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм).
4	Напечатать таблицу перевода 1, 2, … 20 долларов США в рубли по текущему курсу (значение курса вводится с клавиатуры).
5	Считая, что Земля — идеальная сфера с радиусом R 6350 км, определить расстояние до линии горизонта от точки с высотой над Землей, равной 1, 2, … 10 км.
6	. Напечатать таблицу умножения на 7:
7	Напечатать таблицу умножения на 9:
8	Напечатать “столбиком” значения sin 2 , sin 3 , …, sin 20 .
9	Напечатать таблицу стоимости 50, 100, 150, …, 1000 г сыра (стоимость 1 кг сыра вводится с клавиатуры).
10	Вывести “столбиком” следующие числа: 2,1, 2,2, 2,3, …, 2,8.
11	. Вывести “столбиком” следующие числа: 3,2, 3,2, 3,3, …, 3,9.
12	Вывести “столбиком” следующие числа: 2,2, 2,4, 2,6, …, 4,2.
13	Вывести “столбиком” следующие числа: 4,4, 4,6, 4,8, …, 6,4.
14	Напечатать таблицу стоимости 100, 200, 300, …, 2000 г конфет (стоимость 1 кг конфет вводится с клавиатуры).
15	Составить программу вывода любого числа любое заданное число раз в виде, аналогичном показанному в предыдущей задаче.
16	Напечатать таблицу умножения на 2:
17	Напечатать таблицу умножения на 5:

9.     Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1	Даны числа а1, а2, а3…а10, . Определить их сумму
2	Известна масса каждого из 12 предметов. Определить общую массу всего на- бора предметов.
3	. Известны оценки абитуриента на четырех экзаменах. Определить сумму на- бранных им баллов.
4	В ведомости указана зарплата, выплаченная каждому из сотрудников фирмы за месяц. Определить общую сумму выплаченных по ведомости денег
5	Известна масса каждого предмета, загружаемого в автомобиль. Определить общую массу груза.
6	Известно сопротивление каждого из элементов электрической цепи. Все эле- менты соединены последовательно. Определить общее сопротивление цепи.
7	Известно сопротивление каждого из элементов электрической цепи. Все эле- менты соединены параллельно. Определить общее сопротивление цепи.
8	Известны оценки по физике каждого из 20 учеников класса. Определить сред- нюю оценку.
9	Известны оценки ученика по 10 предметам. Определить среднюю оценку
10	Известны оценки по алгебре каждого ученика класса. Определить среднюю оценку
11	Известна масса каждого предмета из некоторого набора предметов. Опреде- лить среднюю массу
12	Известны оценки двух учеников по четырем предметам. Определить сумму оценок каждого ученика.
13	Известны результаты двух спортсменов-пятиборцев в каждом из пяти видов спорта в баллах. Определить сумму баллов, полученных каждым спортсменом.
14	Известен возраст (в годах в виде 14,5 лет и т. п.) каждого ученика двух клас- сов. Определить средний возраст учеников каждого класса. В каждом классе учатся 20 человек.
15	Известно количество осадков, выпавших за каждый день января и марта. Оп- ределить среднедневное количество осадков за каждый месяц
16	Известен рост каждого ученика двух классов. Определить средний рост уче- ников каждого класса. Численность обоих классов одинаковая.
17	Известны оценки по физике каждого ученика двух классов. Определить среднюю оценку в каждом классе. Количество учащихся в каждом классе одинаковое.

10. Построить
блок схему к задаче(по вариантам). Указать тип алгоритма, что дано и что нужно
найти.

№	Задача
1	Дано натуральное число. а) Верно ли, что сумма его цифр больше 10?
2	Дано натуральное число. б) Верно ли, что произведение его цифр меньше 50?
3	Дано натуральное число. в) Верно ли, что количество его цифр есть четное число?
4	Дано натуральное число. г) Верно ли, что это число четырехзначное? Составное условие и вложенный условный оператор не использовать.
5	Дано натуральное число д) Верно ли, что его первая цифра не превышает 6?
6	Дано натуральное число. е) Верно ли, что оно начинается и заканчивается одной и той же цифрой?
7	Дано натуральное число. ж) Определить, какая из его цифр больше: первая или последняя.
8	Дано натуральное число. а) Верно ли, что сумма его цифр меньше a?
9	Дано натуральное число. б) Верно ли, что произведение его цифр больше b?
10	Дано натуральное число. в) Верно ли, что это число k-значное? Составное условие и вложенный услов- ный оператор не использовать.
11	Дано натуральное число. г) Верно ли, что его первая цифра превышает m?
12	Дано натуральное число. а) Верно ли, что сумма его цифр больше k, а само число четное?
13	Дано натуральное число. б) Верно ли, что количество его цифр есть четное число, а само число не пре- вышает b?
14	Дано натуральное число. в) Верно ли, что оно начинается цифрой x и заканчивается цифрой y?
15	Дано натуральное число.  г) Верно ли, что произведение его цифр меньше a, а само число делится на b?
16	Дано натуральное число. д) Верно ли, что сумма его цифр больше m, а само число делится на n?
17	Дано натуральное число. Определить: а) есть ли в нем цифра 3;

Примеры составления блок-схемы алгоритма

Пример 1.
Составить схему алгоритма вычисления
значения :

Для
начала для построения блок –схемы
алгоритма опишем последовательность
действий, необходимых для решения данной
задачи:

• начало

• ввод
  чисел a,b

• вычисление
  х

• вычисление
  z

• вывод
  результата

• конец

Исходя из этого
составляем блок-схему алгоритма согласно
ГОСТ, используя соответствующие блоки.

Пример
2. Составить
схему алгоритма вычисления значения:
x=a+b
при a>b,
x=a*b,
при a<=b.

Пример 3. Составить схему алгоритма вычисления значения:

Для начала для
построения блок –схемы алгоритма опишем
последовательность действий, необходимых
для решения данной задачи:

Исходя из этого
составляем блок-схему алгоритма согласно
ГОСТ, используя соответствующие блоки.

Порядок выполнения работы

1. Изучить
   теоретические сведения по теме
   ”Построение блок-схем алгоритмов”.

2. Получить
   у преподавателя индивидуальное задание
   и нарисовать блок-схему алгоритма
   согласно заданному варианту.

3. Ответить
   на контрольные вопросы.

4. Сформулировать
   выводы.

Контрольные вопросы

1. Основные
   этапы решения задач на компьютере.

2. Свойства алгоритма.
   Типы вычислительных процессов.

3. Блок схемы. Понятие
   и правила построения.

4. Примеры построения
   блок-схем алгоритмов.

Задание
№1: Разработайте
алгоритм и представьте его в графическом
виде (блок-схемы) для следующих задач:

Задание 1.1
Вычислить значение выражения при
заданных исходных данных.

Указание.
Для упрощения выражений введите
промежуточные переменные.

Сравнить полученное
значение с указанным правильным
результатом.

1.

При
x = 14.26;
y = – 1.22;
z = 3.5ответs
= 0.749155.

2.

При
x = –4.5; y = 0.75;
z = –0.845ответs
= –3.23765.

3.

При
x = 3.74;
y=–0.825; z = 0.16ответs
= 1.05534.

4.

При
x = 0.4;
y = –0.875; z = –0.475ответ
s = 1.98727.

5.

При
x = –15.246; y = 4.642;
z = 21 ответ
s = –182.038.

6.

При
x = 16.55;
y = –2.75; z = 0.15
ответ s
= –40.6307.

7.

При
x = 0.1722; y = 6.33; z = 3.25ответ
s = –205.306.

8.

При
x = –2.235;
y = 2.23; z = 15.221
ответ s
= 39.3741.

9.

При
x = 1.825;
y = 18.225; z = –3.298ответ
s = 1.21308.

10.

При
x = 3.981;
y = –1.625;
z = 0.512
ответ s
= 1.26185.

11.

При
x = 6.251; y = 0.827; z = 25.001
ответ
s = 0.712122.

12.

При
x
= 3.251; y
= 0.325; z
= 0.466
ответ s
= 4.23655.

13.

.

При
x
= 17.421; y
= 10.365;
z
= 0.828
ответ s
= 0.330564.

14.
.

При
x
= 12.3;
y
= 15.4; z
= 0.252
ответ s
= 82.8256.

15.

.

При
x
= 2.444; y
= 0.869;
z
= –0.13
ответ s
= –0.498707.

Задание
1.2 Вычислить
значение выражения при заданных исходных
данных. Предусмотреть вывод информации
о выбранной ветви вычислений.

1.		2.
3.		4.
5.		6.
7.		8.
9.		10.
11.		12.
13.		14.
15.

Задание
1.3 Вывести
на экран таблицу значений функции Y(x)
и ее разложения в ряд S(x)
для x,
изменяющегося от a
до b
с шагом h
= (b –
a)/10,
табл. 1.

Таблица 1.

№	a	b	S(x)	n	Y(x)
1	0.1	1		160
2	0.1	1		100
1	2	3	4	5	6
3	0.1	1		120
4	0.1	1		80
5	0.1	1		140
6	0.1	1		80
7	0.1	1		120
8	0.1	1		100
9	0.1	1		140
10	0.1	0.5		150
11	0.1	1		100
12	0.1	1		80
13	–2	–0.1		160
14	0.2	0.8		120
15	0.1	0.8		180

Задание
№2:
Решите представленные ниже задачи,
указав номер задачи и полученный ответ. 

Задача
2.1
Определите
результаты работы блок-схемы алгоритма
при

Задача
2.2
Какие
значения примут t и k в
результате работы фрагмента блок-схемы
алгоритма?

Задача
2.3.
Определите
значения
элементов
массива А₂,
А₄,
А₆,
А₈
при N=8
в результате работы фрагмента алгоритма

2.1 Разработка алгоритма.
2.2 Блок-схема.
2.3 Структуры алгоритмов.

---

2.1 Разработка алгоритма.

Алгоритм – это

a. описание последовательности действий для решения задачи или достижения поставленной цели;

b. правила выполнения основных операций обработки данных;

c. описание вычислений по математическим формулам.

Перед началом разработки алгоритма необходимо четко уяснить задачу: что требуется получить в качестве результата, какие исходные данные необходимы и какие имеются в наличии, какие существуют ограничения на эти данные. Далее требуется записать, какие действия необходимо предпринять для получения из исходных данных требуемого результата.

На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов:

 словесная (записи на естественном языке);

 графическая (изображения из графических символов);

 псевдокоды (полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке, включающие в себя как элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и др.);

 программная (тексты на языках программирования).

Словесный способ записи алгоритмов представляет собой описание последовательных этапов обработки данных. Алгоритм задается в произвольном изложении на естественном языке.

Пример. Записать алгоритм нахождения наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел.

Алгоритм может быть следующим:

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.

Описанный алгоритм применим к любым натуральным числам и должен приводить к решению поставленной задачи. Убедитесь в этом самостоятельно, определив с помощью этого алгоритма наибольший общий делитель чисел 125 и 75.

Словесный способ не имеет широкого распространения по следующим причинам:

 такие описания строго не формализуемы;

 страдают многословностью записей;

 допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.

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.

Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой.

Псевдокод представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов.

Он занимает промежуточное место между естественным и формальным языками.

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. Однако в псевдокоде обычно имеются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от записи на псевдокоде к записи алгоритма на формальном языке. В частности, в псевдокоде, так же, как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных (базовых) конструкций.

2.2 Блок-схема.

Блок-схемой называют графическое представление алгоритма, в котором он изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий.

В блок-схеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.п.) соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блочного символа. Блочные символы соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения действий.

Приведем наиболее часто употребляемые символы.

Название символа	Обозначение и пример заполнения	Пояснение
Процесс		Вычислительное действие или последовательность действий
Решение		Проверка условий
Модификация		Начало цикла
Предопределенный процесс		Вычисления по подпрограмме, стандартной подпрограмме
Ввод-вывод		Ввод-вывод в общем виде
Пуск-останов		Начало, конец алгоритма, вход и выход в подпрограмму
Документ		Вывод результатов на печать

Блок “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. Представление отдельных операций достаточно свободно.

Блок “решение” используется для обозначения переходов управления по условию. В каждом блоке “решение” должны быть указаны вопрос, условие или сравнение, которые он определяет.

Блок “модификация” используется для организации циклических конструкций. (Слово модификация означает видоизменение, преобразование). Внутри блока записывается параметр цикла, для которого указываются его начальное значение, граничное условие и шаг изменения значения параметра для каждого повторения.

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

Пример. Составить блок-схему алгоритма определения высот ha, hb, hc треугольника со сторонами a, b, c, если

где p = (a + b + c) / 2. 
Решение. Введем обозначение  тогда h_a = t/a, h_b = t/b, h_c = t/c. Блок-схема должна содержать начало, ввод a, b, c, вычисление p, t, h_a, h_b, h_c, вывод результатов и останов. 

2.3 Структуры алгоритмов.

Алгоритмы можно представлять как некоторые структуры, состоящие из отдельных базовых (т.е. основных) элементов. Естественно, что при таком подходе к алгоритмам изучение основных принципов их конструирования должно начинаться с изучения этих базовых элементов

Логическая структура любого алгоритма может быть представлена комбинацией трех базовых структур: следование, ветвление, цикл.

Характерной особенностью базовых структур является наличие в них одного входа и одного выхода.

1. Базовая структура следование. Образуется из последовательности действий, следующих одно за другим:

2. Базовая структура ветвление. Обеспечивает в зависимости от результата проверки условия (да или нет) выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран.

Структура ветвление существует в четырех основных вариантах:

 если-то;

 если-то-иначе;

 выбор;

 выбор-иначе.

1) если-то 
 если условие
   то действия 
 конец если

2) если-то-иначе 
 если условие
   то действия 1
   иначе действия 2
 конец если

3) выбор 
 выбор
   при условие 1: действия 1
   при условие 2: действия 2
   . . . . . . . . . . . .
   при условие N: действия N 
 конец выбора

4) выбор-иначе 
 выбор
   при условие 1: действия 1
   при условие 2: действия 2
   . . . . . . . . . . . .
   при условие N: действия N
   иначе действия N+1 
 конец выбора
 

Пример. Составить блок-схему алгоритма вычисления функции

Базовая структура цикл. Обеспечивает многократное выполнение некоторой совокупности действий, которая называется телом цикла.

Структура цикл существует в трех основных вариантах:

Цикл типа для.

Предписывает выполнять тело цикла для всех значений некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне.

Цикл типа пока.

Предписывает выполнять тело цикла до тех пор, пока выполняется условие, записанное после слова пока.

Цикл типа делать – пока.

Предписывает выполнять тело цикла до тех пор, пока выполняется условие, записанное после слова пока. Условие проверяется после выполнения тела цикла.

Заметим, что циклы для и пока называют также циклами с предпроверкой условия а циклы делать – пока – циклами с постпроверкой условия. Иными словами, тела циклов для и пока могут не выполниться ни разу, если условие окончания цикла изначально не верно. Тело цикла делать – пока выполнится как минимум один раз, даже если условие окончания цикла изначально не верно.

цикл для i от i1 до i2 шаг i3
   тело цикла (последовательность действий) 
 конец цикла

цикл пока условие
   тело цикла (последовательность действий)
 конец цикла

цикл делать
   тело цикла (последовательность действий) 
 пока условие
 конец цикла

Пример. Составить блок-схему алгоритма вычисления функции

y_k = sin (kx) + cos (k/x), k = 1, 2, …, 50

Пример. Составить блок-схему вычисления функции

y = a³ / (a² + x²)

при x, изменяющимся от x = 0 до x = 3 с шагом Dx = 0,1

Итерационные циклы. Особенностью итерационного цикла является то, что число повторений операторов тела цикла заранее неизвестно. Для его организации используется цикл типа пока. Выход из итерационного цикла осуществляется в случае выполнения заданного условия.

На каждом шаге вычислений происходит последовательное приближение и проверка условия достижения искомого результата.

Пример. Составить алгоритм вычисления суммы ряда

с заданной точностью (для данного знакочередующегося степенного ряда требуемая точность будет достигнута, когда очередное слагаемое станет по абсолютной величине меньше).

Вычисление сумм – типичная циклическая задача. Особенностью же нашей конкретной задачи является то, что число слагаемых (а, следовательно, и число повторений тела цикла) заранее неизвестно. Поэтому выполнение цикла должно завершиться в момент достижения требуемой точности.

При составлении алгоритма нужно учесть, что знаки слагаемых чередуются и степень числа х в числителях слагаемых возрастает.

Решая эту задачу “в лоб” путем вычисления на каждом i-ом шаге частичной суммы

S:=S+(-1)**(i-1)*x**i/i ,

мы получим очень неэффективный алгоритм, требующий выполнения большого числа операций. Гораздо лучше организовать вычисления следующим образом: если обозначить числитель какого-либо слагаемого буквой р, то у следующего слагаемого числитель будет равен -р*х (знак минус обеспечивает чередование знаков слагаемых), а само слагаемое m

будет равно p/i, где i – номер слагаемого.

Алгоритм, в состав которого входит итерационный цикл, называется итерационным алгоритмом. Итерационные алгоритмы используются при реализации итерационных численных методов. В итерационных алгоритмах необходимо обеспечить обязательное достижение условия выхода из цикла (сходимость итерационного процесса). В противном случае произойдет зацикливание алгоритма, т.е. не будет выполняться основное свойство алгоритма – результативность.

Вложенные циклы.

Возможны случаи, когда внутри тела цикла необходимо повторять некоторую последовательность операторов, т. е. организовать внутренний цикл. Такая структура получила название цикла в цикле или вложенных циклов. Глубина вложения циклов (то есть количество вложенных друг в друга циклов) может быть различной.

При использовании такой структуры для экономии машинного времени необходимо выносить из внутреннего цикла во внешний все операторы, которые не зависят от параметра внутреннего цикла.

Пример вложенных циклов для. Вычислить сумму элементов заданной матрицы А(5,3).

Пример вложенных циклов пока. Вычислить произведение тех элементов заданной матрицы A(10,10), которые расположены на пересечении четных строк и четных столбцов.

“результат работы кода в виде скриншота окна программы с отображением кода и полученного результата.” – это уже немного загнул(а) препод. Ибо в Turbo Pascal это невозможно, т.к. программа выполняется в отдельном окне, текст кода выполняющаяся программа закрывает. Вот в Pascal ABC, например – да, возможно, но Pascal ABC – не полноценный Pascal, а несколько урезанный (более того, даже не совсем Pascal, а сильно переработанный C#, если мне память не изменяет).

Ладно, не будем придираться к заданию, тем более, что смысл понятен, да и толку от этих придирок чуть. Вот код программы:

 Program F1; 
uses crt; 
var x: real; 
begin 
clrscr; 
writeln ('Введите с клавиатуры значение переменной x (число), после чего нажмите клавишу Enter. При вводе дробных значений, целую часть от дробной отделяйте точкой, а не запятой.'); 
write ('x='); 
readln (x); 
writeln ('Ответ: y(', x, ') = ', 3-7.5*x+sqr (x)-((sqr (x)+2*x-8)/3)); 
write ('Программа завершена. Для выхода нажмите клавишу Enter'); 
readkey; 
end. 

А вот блок-схема (вместо “y=” в прямоугольник перепишите формулу из задания вместе с этой дробью (дополните, т.е. y=3-7,5x…)- просто иначе может слишком мелким текст у меня получиться, трудночитаемым):

Пример 2. При каких значениях параметра p уравнение 5–4sin 2 x–8cos 2 (x/2)=3p имеет корни?

Решение. Преобразуем заданное уравнение:

5– 4sin 2 x–8cos 2 (x/2)=3p => 5–4(1–cos2x)–4(1+cosx)=3p => 4cos 2 x–4cosx–3p–3=0.

Сделаем замену cosx=t. Тогда заданная задача равносильна следующей: при каких значениях p система

4t2–4t–3p–3=0, (1)
-1 2 –4t–3p–3; t₀–вершина этой параболы. В силу схемы IX случаи 1, 2 и 3 описываются следующей совокупностью:

Как создать блок схему для уравнения

Данный материал представляет собой справочное 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 рекомендуется 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 проще реального компьютера, хотя общие принципы их функционирования в основном одинаковы. Допустимо (например, при составлении описания) отождествлять работу такого автомата с работой самого алгоритма.

При изучении материала особенно первоначальном, следует подробно разобраться в каждом алгоритме, начиная с самого первого и самого простого. Начинать нужно с полного уяснения пяти самых простых и самых необходимых понятий: константа, переменная, ячейка памяти, запись константы в ячейку памяти, чтение константы из ячейки памяти . Не пренебрегайте этими советами, так как очень скоро убедитесь, что при разборе следующего алгоритма обязательно натолкнетесь не только на те же трудности, но присовокупите к ним новые. Более того, нередко полное понимание даже самого простого алгоритма дает намного больше пользы, чем поверхностное изучение десятка алгоритмов повышенной сложности.

1. Алгоритм и алгоритмизация

Алгоритм – это инструкция о том, в какой последовательности нужно выполнить действия при переработке исходного материала в требуемый результат. [ последователь­ность точных предписаний, понятных исполните­ лю (компьютеру, роботу и пр.), совершить последо­ вательность действий, направленных на достиже­ ние конкретного результата. ]

Наряду с понятием алгоритма используют термин алгоритмизация , под которой понимают совокупность приемов и способов составления алгоритмов для решения алгоритмических задач.

Часто алгоритм используется не как инструкция для автомата, а как схема алгоритмического решения задачи. Это позволяет оценить эффективность предлагаемого способа решения, его результативность, исправить возможные ошибки, сравнить его еще до применения на компьютере с другими алгоритмами решения этой же задачи. Наконец, алгоритм является основой для составления программы, которую пишет программист на каком-либо языке программирования с тем, чтобы реализовать процесс обработки данных на компьютере.

Неотъемлемым свойством алгоритма является его результативность , то есть алгоритмическая инструкция лишь тогда может быть названа алгоритмом, когда при любом сочетании исходных данных она гарантирует, что через конечное число шагов будет обязательно получен результат.

На практике получили известность два способа изображения алгоритмов:

в виде пошагового словесного описания;

в виде блок-схем.

Первый из этих способов получил значительно меньшее распространение из-за его многословности и отсутствия наглядности. Второй, напротив, оказался очень удобным средством изображения алгоритмов и получил широкое распространение в научной и учебной литературе. Именно этот способ будет использован ниже при составлении и описании алгоритмов.

2. Блок-схема и ее элементы

Блок-схема – это последовательность блоков, предписывающих выполнение определенных операций, и связей между этими блоками. Внутри блоков указывается информация об операциях, подлежащих выполнению. Конфигурация и размеры блоков, а также порядок графического оформления блок-схем регламентированы ГОСТ 19002-80 и ГОСТ 19003-80 “Схемы алгоритмов и программ”.

В табл. 1 приведены наиболее часто используемые блоки, изображены элементы связей между ними и дано краткое пояснение к ним. Блоки и элементы связей называют элементами блок-схем.

Представленных в таблице элементов вполне достаточно для изображения алгоритмов, которые необходимы при выполнении студенческих работ.

При соединении блоков следует использовать только вертикальные и горизонтальные линии потоков.

Горизонтальные потоки, имеющие направление справа налево, и вертикальные потоки, имеющие направление снизу вверх, должны быть обязательно помечены стрелками.

Прочие потоки могут быть помечены или оставлены непомеченными.

Линии потоков должны быть параллельны линиям внешней рамки или границам листа

Название

Элемент

Комментарий

Вычислительное действие или последовательность вычислительных действий

Обращение к процедуре

Вывод данных, печать данных

Разрыв линии потока

Начало, конец, пуск, останов, вход и выход во вспомогательных алгоритмах

Используется для размещения надписей

Горизонтальные и вертикальные потоки

Линии связей между блоками, направление потоков

Слияние линий потоков

Расстояние между параллельными линиями потоков должно быть не менее 3 мм , между остальными элементами схемы – не менее 5 мм .

Горизонтальный и вертикальный размеры блока должны быть кратны 5 мм (делиться на 5 нацело). Отношение горизонтального и вертикального размеров блока b/а = 1.5 является основным. При ручном выполнении блока допустимо отношение b/а = 2.

Блоки “Начало”, “Конец” и “Соединитель” имеют высоту а/2, т. е. вдвое меньше основной высоты блоков.

Для размещения блоков рекомендуется поле листа разбивать на горизонтальные и вертикальные (для разветвлявшихся схем) зоны.

Для удобства описания блок-схемы каждый ее блок следует пронумеровать. Удобно использовать сквозную нумерации блоков. Номер блока располагают в разрыве в левой верхней части рамки блока.

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

Примеры, пояснявшие изложенное, можно найти в блок-схемах алгоритмов, которые будут приведены ниже.

3. Константы, переменные и ячейки памяти

Для того чтобы ясно представить как “работает” алгоритм, опишем простейший автомат, который предназначен для выполнения операций, предписанных этим алгоритмом.

В состав такого автомата входят:

память, состоящая из отдельных ячеек;

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.

Головка, получив указание от процессора, может записывать в ячейку или считывать из нее одну константу .

В простейшем случае константой является любое арифметическое число. Например, 12, 0.78, 0, –45.33 и т. д. ( Константами могут быть такие строки символов, структуры данных и др.).

Под простой переменной , или просто переменной будем понимать некоторую ячейку памяти, т. е. отдельное место для хранение одной константы. В отдельной ячейке за время работы алгоритма может побивать множество различных констант (отсюда название – переменная). Такими ячейками (электронными, магнитными, оптическими) снабжен реальный компьютер.

Переменные имеют буквенно-символьное обозначение. Например, 1, n, a, a1, b , H2 – переменные. Одновременно обозначение переменной является индексом ячейки, в которую будут записываться константы. Любая из таких констант называется значением переменной . Например, Z является переменной и адресом ячейки Z одновременно. С алгоритмической точки зрения понятия “переменная” и “адрес ячейки” памяти являются идентичными.

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” .

Запись вида L = M следует понимать так: прочитать константу, расположенную по адресу M и скопировать эту константу в ячейку с адресом L (при этом константа из ячейки M не удаляется, а остается такой, какой она была до чтения). Произносить эту запись нужно так: “переменной L присвоить значение переменной M (или просто: L присвоить M)”.

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.

Одномерный массив – это последовательность ячеек, расположенных в одну линию. На рис. 1 приведен пример такого массива.

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 q 7 = 8.2 означает, что в 7-ю ячейку массива q надлежит записать константу 8.2. Команда r 41 = q 2 + q 5 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.

Аналогично устроена структура массивов трех- и большей размерности.

5. Линейные алгоритмы

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.

Рис. 3. Линейный алгоритм

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.

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 элемента “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.

Рис. 4. Разветвляющийся алгоритм

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.

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.

Рис. 5. Разветвляющийся алгоритм

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.

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. 6.

Рис. 6. Циклический алгоритм

Вначале в блоке 2 производится ввод двух переменных N и Z. Первая из них представляет одну ячейку. В нее записывается одна константа – число, равное количеству элементов массива Z. Именно такое количество ячеек объединяет другая переменная – 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 самое N еще не известно (оно будет введено позже Z). Далее в блоке 3 переменной S присвоено начальное значение 0. Это сделано для того, чтобы приготовить ячейку к дальнейшему накоплению необходимой суммы.

Блоки 4-6 представляет собой сам цикл, в котором накапливается сумма.

Для того чтобы понять, как функционирует не только этот, а и любой другой цикл, обратимся к рис. 7, 8. На них показана общая структура цикла и его важнейшие параметры.

Как видно из рис. 7, цикл состоит из заголовка и тела. Всякий цикл обязательно имеет свой счетчик.

На рис. 8, где показана структура и параметры заголовка цикла, роль такого счетчика выполняет переменная i. Внутри заголовка после счетчика и символа “=” через запятую указывает начальное и конечное значения счетчика и шаг его изменения (на рис. 8 их роль выполняют переменные j, k, l соответственно). Если значение шага l = l, то его можно не указывать.

Сначала производится вход в цикл. После этого начинается его выполнение.

Рис. 7. Структура цикла Рис. 8. Структура заголовка цикла

Внутри заголовка счетчику первоначально присваивается значение i = j. Затем выполняется блоки, образующие тело цикла. Обработка блоков внутри цикла производится по часовой стрелке. В результате после первого выполнения тела цикла управление вновь передается заголовку. Здесь к текущему значению счетчика добавится шаг. Теперь, если новое значение счетчика не вышло за свои пределы (т. е. не стало больше своего конечного значения при положительном шаге или меньше конечного значения – при отрицательном шаге), то снова выполняется тело цикла, вновь после возврата к заголовку к счетчику добавляется шаг. Так цикл будет выполняться до тех пор, пока значение счетчика однажды не выйдет за предписанный предел. Как только такой предел будет преодолен, произойдет выход из цикла и управление будет передано блоку, который следует сразу за циклом.

Вернемся к блок-схеме рис. 6. Заголовок ее цикла представлен блоком 4. Роль счетчика цикла играет переменная i, которая должна в цикле изменяться от 1 до N. Поскольку шаг явно не указан, то по умолчанию он подразумевается равным 1. Тело цикла образуют блоки 5 и 6.

Сразу после входа в цикл переменная i примет начальное значение i = 1. Далее в блоке 5 выполняется проверка положительности первого элемента массива Z (т. к. i = 1). Если этот элемент действительно положителен, то в блоке б он будет добавлен к переменной S, после чего выполняется возврат к заголовку цикла. Если этот элемент не положителен (т. е. нуль или отрицательный), то будет выполнен переход сразу к заголовку цикла, минуя блок суммирования 6.

На втором круге цикла счетчик i 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 7. В этом блоке выводится накопленная сумма и алгоритм закончит работу.

8. Алгоритмы со структурами вложенных циклов

Нередко при алгоритмическом решении задачи возникает необходимость создания цикла, содержащего в своем теле другой цикл. Такие вложенные друг в друга циклы относятся к структурам вложенных циклов . Порядок вложенности циклов, когда в теле внутреннего цикла содержатся другие циклы, может быть достаточно большим. Этот порядок определяется методом, с помощью которого достигается решение поставленной задачи. Так, при обработке одномерных массивов, как правило, удается построить алгоритмическую схему без вложения циклов. Однако в ряде случаев при решении таких задач без вложенных циклов не обойтись.

Рис. 9. Алгоритм сортировки массива

Отметим, что все вложенные друг в друга циклы, включая наружный, должны иметь счетчики с различными именами. Вне этих циклов счетчики могут быть использованы как обычные переменные или как счетчики других циклов.

Пример 1. Рассмотрим задачу сортировки одномерного массива Z длины N. Отсортировать массив – значит расположить его элементы в порядке роста или убывания.

Опишем метод сортировки массива в порядке роста. Сначала выполняется проход по массиву с целью определения в нем наименьшего элемента. Затем производится перестановка этого элемента с первым. Далее совершается второй проход по массиву, начиная со второго элемента. Найденный наименьший элемент переставляется со вторым и т. д. После (N-1)-го прохода с выполнением названных операций массив окажется отсортированным.

Блок-схема этого алгоритма сортировки показана на рис. 9. Она включает 12 блоков. После начала работы в блоке 2 переменная N и массив Z заполняются константами. Затем в блоке 3 проверяется условие о том, нужно ли сортировать массив.

Это сводится к установлению факта наличия в массиве нескольких элементов, т. к. массив из одного элемента всегда отсортирован. Если этот факт установлен, то алгоритм приступает к сортировке. Процедура сортировки выполняется в цикле, объединяющем блоки 4-10. В теле этого цикла содержится другой цикл, который образован блоками 6-8. Его назначение станет ясно из дальнейшего разбора алгоритма.

После входа в наружный цикл его счетчик i примет значение 1, что в рамках нашего метода подразумевает первый проход по массиву.

Далее будут выполнены блоки 5-10, составляющие тело наружного цикла. В блоке 5 размещены две вспомогательные переменные V и L. Первая из них предназначена для фиксирования наименьшего элемента, а вторая – для запоминания его индекса. Так как i = 1, то при первом проходе в блоке 5 V примет значение первого элемента, а L значение 1. Затем во внутреннем цикле, образованном блоками 6-8, где его счетчик j будет изменяться от 2 до N, последовательно проводится сравнение соответствующих элементов массива Z со значением переменной V. При этом всякий раз, как будет найден меньший чем v элемент, значение V будет заменено на значение этого элемента, а в переменной L будет зафиксирован его индекс. Понятно, что после выполнения внутреннего цикла в переменной V будет содержаться значение, равное наименьшему элементу, а в L – индекс этого элемента. В блоке 9 далее проверяется, не является ли наименьший элемент первым элементом массива. Если это не так, то в блоке 10 на место наименьшего элемента (его номер L) запишется первый (т. к. при первом проходе L =1 ), а на место первого элемента – наименьший (он равен V). После этого произойдет возврат управления к заголовку наружного цикла блоку 4. В нем значение счетчика станет равным i = 2.

Затем вновь выполняется его тело, но уже для нового значения счетчика i. Теперь с помощью блоков 5-10 отыскивается наименьший элемент массива начиная с номера 2. Затем в блоках 9-10 он займет второе место в массиве и т. д. Когда тело наружного цикла выполнится (N-1), раз массив будет отсортирован.

В блоке 12 отсортированный массив будет выведен и в блоке 13 алгоритм окончит работу.

Алгоритмы со структурами вложенных циклов часто используют при решении задач обработки двумерных массивов. В таких алгоритмах счетчики циклов используются для манипуляции с индексами массивов.

Пример 2. Дан двумерный квадратный массив Z, состоящий из N строк и N столбцов. Необходимо найти среднее арифметическое S его отрицательных элементов и заменить положительные элементы побочной диагонали массива средним арифметическим S.

Рис. 10. Блок-схема алгоритма

Блок-схема алгоритма показана на рис. 10. Она состоит из 13 блоков. В блоке 2 переменная N и весь массив Z заполняются константами. В блоке 3 рабочие переменные S и К получает значение нуль. Переменная S сначала будет играть роль сумматора отрицательных элементов массива, затем после накопления суммы она примет значение среднего арифметического. Переменная К нужна для подсчета количества отрицательных элементов массива.

В блоках 4-7 выполняется накопление суммы отрицательных элементов массива.

Эти блоки образует два вложенных цикла, причем внутренний цикл со счетчиком j является телом наружного цикла со счетчиком i. Проанализируем работу этой структуры.

После входа в наружный цикл в блоке 4 переменная i примет значение i = 1. Далее будет выполнено его тело ( блоки 5-7 ), которое, в свою очередь, также является циклом. После входа во внутренний цикл в блоке 5 переменная j примет значение j = 1. Затем в блоке 6 проверяется на отрицательность элемент массива Z, расположенный в первой строке и первом столбце, т. к. i = 1 и j = 1.

Если он окажется отрицательным, то в блоке 7 переменная К увеличится на 1, а к S добавляется значение этого элемента. После этого выполняется возврат к блоку 5, т. е. к заголовку внутреннего цикла. Здесь j увеличится на 1, станет равной j = 2 и управление перейдет к блоку 6. В нем проверяется элемент, стоящий все в той же первой строке, но во втором столбце (i = 1, j = 2). Если он окажется отрицательным, то К снова увеличится на 1, а к накопленному к этому времени S добавляется значение этого элемента и т.д. Когда полностью выполнится внутренний цикл, т. е. переменная j “пробежит” от 1 до N, в переменную S накопится сумма всех отрицательных элементов первой строки массива, а в К – их количество. Теперь управление передается к блоку 4 заголовка наружного цикла, где i станет равной i = 2. Снова будет отработано его тело, т. е. цикл 5-7. При этом будет найдена уже сумма отрицательных элементов первых двух строк массива, а в К сохранится количество этих элементов. Когда выполнится весь наружный цикл, в S будет константа, равная сумме отрицательных элементов всего массива, а в К – их количество. Теперь управление перейдет к блоку 8. Если окажется, что в массиве есть отрицательные элементы (К>0), то в блоке 9 вычисляется среднее арифметическое как отношение суммы элементов к их количеству. Результат помещается а ту же переменную S. Отметим, что если бы блок 8 проверки отсутствовал, то при К = 0 (в массиве нет ни одного отрицательного элемента) в блоке 9 из-за деления на нуль возникла бы ошибка. Эта ошибка повлекла бы аварийное завершение вычислений до окончания работы алгоритма.

Далее выполняется блоки 10-11, которые также образует цикл. В нем производится замена элементов побочной диагонали на среднее арифметическое S (побочной диагональю является прямолинейная цепочка ячеек в диапазоне от нижнего левого угла до верхнего правого угла массива). Обратите внимание, на то что переменная i, которая использовалась ранее, в целях экономии памяти применяется вновь.

Проследим работу этого цикла. После входа в блок 10 счетчик примет значение i = 1. Затем в блоке 11 при этом значении будет вычислен индекс столбца элемента N – 1 + i = N. Таким образом, элемент с индексами (1, N) станет равным S. На втором круге цикла i увеличится на 1 и станет i = 2. Нетрудно видеть, что теперь элемент (2, N-1) станет равным S и т. д. На последнем круге цикла элемент (N, 1) получит значение S, что завершит изменение значений всех элементов побочной диагонали на среднее арифметическое S.

Наконец, в блоке 12 измененный массив будет выведен и в блоке 13 алгоритм закончит работу.

9. Вспомогательные алгоритмы

Вспомогательный алгоритм является аналогом языковой подпрограммы. Он имеет имя и может иметь параметры, которые называются формальными параметрами . Имя служит для того. чтобы отличить его от других алгоритмов, а формальные параметры, которые напоминают переменные математических функций, выполняют роль входных и выходных параметров.

Формальные параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы ими был исчерпан весь набор необходимых входных и выходных величин. Нередко один и тот же параметр может оказаться входным и выходным одновременно. Например, на вход такого алгоритма может быть подан массив для обработки, а на выходе процедуры он может предстать в измененном виде как выходной параметр.

Среди вспомогательных алгоритмов различают процедуры и функции .

Рис. 11. Процедура Warn

Первый блок схемы рис. 11 в отличие от ранее рассмотренных примеров, где этот блок имел наименование “Начало”, включает имя процедуры Warn и один формальный параметр i. С помощью этого имени в алгоритме рис. 12 выполняется обращение именно к этой процедуре.

Из схемы видно, что если на вход процедуры Warn подать i = 0, то она в блоке 3 выдаст сообщение “Введите данные”. При любом другом i будет выведено сообщение “Конец расчетов”. Этим исчерпываются возможности процедура Warn.

На рис. 12 дана схема головного алгоритма ( первый блок имеет наименование “Начало” ). Этот алгоритм в блоках 2 и 8 обращается к процедуре Warn.

Опишем последовательность и механизм обработки данных, которые предписаны алгоритмами рис. 11 и 12.

Рис. 12. Головной алгоритм

Выполнение алгоритмических действий всегда начинаются с головного алгоритма. Поэтому сначала будет выполнен блок 1 схемы рис. 12. Далее в блоке 2 головной алгоритм выполняет обращение к процедуре Warn при конкретном значении ее аргумента (0). Это конкретное значение называется фактическим параметром процедуры.

Теперь управление временно переходит в алгоритм рис. 11 процедуры Warn. Здесь и далее по всей процедуре Warn формальный параметр i заменяется на фактический параметр 0 (нуль) всюду, где он встречается.

Далее обрабатывается блок 2 процедуры, где с учетом сказанного проверяется условие 0 = 0. Результатом проверки станет перевод управления к блоку 3, в котором выводится сообщение “Введите данные”. На этом процедура заканчивается и управление вновь передается в головной алгоритм к блоку 3.

Далее в блоках 3-5 алгоритма рис. 12 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. 11, 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.

Внешне такой процесс может выглядеть примерно так. На экран выводится сообщение “Введите данные” и компьютер переходит в режим ожидания ввода двух констант с клавиатуры. Затем после их ввода на экране появляется три константы и надпись “Конец работы”. На первый взгляд может показаться, что процедуры лишь усложняют решение задачи. Действительно, рассмотренную здесь задачу проще решить одним алгоритмом, не прибегая к составление процедуры. Однако при составлении алгоритма решения сложной задачи очень быстро становится ясно, что без использования процедур обойтись просто невозможно. На практике при решением серьезных алгоритмических задач часто одному программисту не под силу выполнить весь объем работ. Поэтому над ее решением работает обычно коллектив программистов под руководством координатора. Образно говоря, координатор здесь работает как головной алгоритм, а его программисты как процедуры. При этом каждый программист (часто независимо от других) получает от координатора задание по составление процедур определенного назначения. В результате такой организации работы задача получает разрешение.

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 процедур и головного алгоритма).

Метод, при помощи которого обычно выполняется декомпозиция, достаточно прост. Сначала вычленяют основные этапы предстоящей работы. Наиболее сложные этапы оформляет в процедуры или функции верхнего уровня. Затем, если необходимо, такие этапы делят на этапы более низкого уровня. Наиболее сложные из них также оформляют процедурами или функциями и т. д. Следуя методу “от сложного к простому”, в конечном итоге достигают решения поставленной задачи. Приведем пример декомпозиции для решения задачи сортировки массива. Эта задача была решена ранее в разд. 8 (рис. 9) без использования вспомогательных алгоритмов. Решение задачи декомпозиции состоит из трех основных этапов: 1) ввода данных, 2) сортировки массива и 3) вывода отсортированного массива. Первый и третий этапы вследствие их простоты не нуждаются в дальнейшей декомпозиции, поэтому выполняются в головном алгоритме. Второй этап представляет достаточно сложный и самостоятельный фрагмент вычислений, поэтому его целесообразно выделить в отдельную процедуру, которой можно дать имя Sort.

Этап сортировки, в свои очередь, состоит из двух этапов: 1) установления необходимости сортировки и (N–1) – кратного прохода по массиву и 2) нахождения наименьшего элемента во фрагменте массива и перестановки этого элемента с начальным элементом фрагмента. Поскольку последний этап многократно повторяется при выполнении первого этапа, то его можно оформить в отдельную процедуру. Этой процедуре можно дать имя Tra (от английского transposition – перестановка). Блок-схемы головного алгоритма, процедуры Sort и процедуры Тrа показаны на рис. 13-15 соответственно.

Рис. 13. Головной алгоритм Рис. 14. Процедура Sort

Дадим краткое, описание взаимодействия этих алгоритмов в ходе решения задачи сортировки.

Рис. 15. Процедура Tra

Выполнение начинается с головного алгоритма (рис. 13). В блоке 2 вводятся исходные данные, затем в блоке 3 выполняется сортировка массива. В блоке 4 отсортированный массив выводится и алгоритм заканчивает работу. Сортировка массива в блоке 3 головного алгоритма выполняется обращением к процедуре Sort, показанной на рис. 14. Переменные A и N являются фактическими параметрами, Переменные А и N, которые использованы в блок-схеме алгоритма Sort, является формальными параметрами.

При обращении к процедуре Sort на вход подаются параметры A и N. В результате в теле процедуры производится замена формального параметра R на фактический параметр A, аналогично формальный K заменяется на фактический N.

Далее в блоке 2 проверяется необходимость сортировки массива R. Затем, если такая необходимость будет установлена, в цикле 3-4 будет выполняется сортировка массива. При всяком значении счетчика цикла в его теле производится нахождение наименьшего элемента фрагмента и его перестановка с начальным элементом этого фрагмента. Эти операции выполняются отдельно с помощью процедуры Tra. Как видно из рис. 15, на вход процедуры Tra нужно подать имя массива (A), количество элементов (N) и номер элемента (i), которым начинается фрагмент. В теле процедуры в блоках 2-5 отыскивается наименьший элемент фрагмента (v) и его номер (k). Затем в блоке 6 выполняется вышеназванная перестановка элементов.

Таким образом, весь процесс управляется головным алгоритмом, который выполняет сортировку посредством обращения к вспомогательному алгоритму – процедуре Sort.

Тот, реализуя решение своей задачи, в своя очередь несколько раз вымывает еще более простой вспомогательный алгоритм процедуру Tra. В результате такого взаимодействия достигается решение задачи в целом.

В заключение приведем пример алгоритма-функции . Она похожа на процедуру, но в отличие от последней должна в теле алгоритма еще 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.

Рис. 16. Функция Fact

Ее блок-схема показана на рис. 16. 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. 17. В операторе присваивания используется обращение к функции для N = 6. После передачи этого значения в алгоритм рис. 16 и вычислений внутри него результат будет сначала присвоен имени функции, т. е. переменной Fact, а затем в операторе присваивания – переменной L.

[spoiler title=”источники:”]

http://urok.1sept.ru/articles/103091

http://koi.tspu.ru/vav/vav_umk_inf/algoritmiz/algorithm8.htm

[/spoiler]