6. Понятие алгоритма. Свойство алгоритма.

Понятие алгоритма известно в математике давно. Термин происходит от имени великого ученого мусульманского мира - узбека, жителя города Хорезм Абу-Абдуллы-Мухаммеда ибн Мусы аль Маджуса аль Хорезми (VIII-IXв). Его труд в XII веке был переведен на латынь и стал доступным для европейцев. В нем были изложены правила 4-х арифметических действий над числами в десятичной системе счисления и правила решения уравнений первой степени. Эти правила и были названы в Европе АЛГОРИТМАМИ. Затем понятие алгоритма переместилось в область логики, где появилась теория алгоритмов, изучавшая процесс доказательств или разрешимость и неразрешимость математических задач. Само понятие алгоритма до XX века оставалось не определённым в строгой форме, меняющим свой смысл во времени, часто понимаемым только интуитивно. Но при возникновении перед человеком необходимости создания вычислительных устройств более высокого уровня это понятие обрело свой законченный научный смысл. Когда же были созданы первые ЭВМ, понятие алгоритма и теория алгоритмов переместились в новую науку, связанную с этими вычислительными устройствами - информатику.

Алгоритм - это точное описание упорядоченной последовательности действий, приводящей за конечное число шагов к необходимому результату.

Свойства алгоритмов:

Понятность, однозначность, дискретность (пошаговость), массовость (универсальность), результативность, конечность, безошибочность.

В качестве исполнителя алгоритмов в "докомпьютерную" эру подразумевался человек (в крайнем случае, животное - в цирке). Человек постоянно пользуется алгоритмами при решении задач, не задумываясь над этим, машинально (автоматически). Наглядными примерами алгоритмов являются различные инструкции, правила, рецепты. Открывая дверь ключом, никто не размышляет над тем, как это сделать. Но чтобы научить этому другого, придется составить алгоритм.

Этот алгоритм обладает всеми необходимыми свойствами. Но если переставить второе и третье действия, алгоритм тоже можно будет выполнить, но дверь не откроется! Вот почему важен не только набор действий, но и их порядок. Кроме того, в приведённом примере следует обратить внимание на два обстоятельства. Первое не требует пояснений: всякий алгоритм должен иметь имя. Второе состоит в том, что перед выполнением алгоритма задаётся или определяется некоторое начальное состояние, исходные условия алгоритма: открывающий дверь должен находиться перед ней, а не переходить улицу перед подъездом. И ключ также должен находиться под рукой.

Сегодня в качестве исполнителей алгоритмов человеку служат многие автоматические устройства и, прежде всего, конечно, компьютер. При этом составление алгоритма должно быть особенно ответственным и тщательным, так как машина не может домысливать и исправлять ошибки. В этом смысле она - идеальный исполнитель. При реализации алгоритма для ЭВМ его шаги становятся операторами, а вся их последовательность - программой. Для исполнителя всегда нужно определить те команды, которые он должен и может выполнять, чтобы совершать действия, предусмотренные алгоритмом. Набор таких команд называется системой команд исполнителя. Таких команд ограниченное число и их не может быть много. Чем меньше команд, тем легче построить техническое устройство в роли их исполнителя. И если исполнителем получена команда, не входящая в его систему команд или неправильно заданная, он должен сообщить об отказе. Т.к. необходимо, чтобы исполнитель получил алгоритм в понятной ему форме, становится важным, каким способом представлен алгоритм.

Способы представления алгоритма: словесный; табличный; графический; программа на алгоритмическом языке.

Для словесного представления алгоритма используется естественный язык (пример - любые инструкции, рецепты и т.п.). С табличным способом представления алгоритма Вы сталкиваетесь в расчетных книжках при плате за квартиру, в бухгалтерских ведомостях, в таблицах инженерных расчетов и т.п. Графический способ представления алгоритма - это блок-схема является наиболее наглядным. Схема алгоритма состоит из графических блоков.

Программа - изложение алгоритма специально для ЭВМ в понятных ей символах, словах и командах (иначе говоря - языком программирования). Четвёртый способ – единственный «понятный» компьютеру как автоматическому исполнителю. Первые три служат для понимания решения задачи самим человеком. В любом алгоритмическом языке (языке программирования) можно выделить четыре основные конструкции (виды алгоритмов):

линейный алгоритм (образование последовательности из нескольких команд); алгоритм ветвления (выбор одной или нескольких команд); циклический алгоритм (повторение одной или нескольких команд с заданным количеством повторов или в зависимости от некоторого условия); вспомогательный алгоритм (самостоятельный алгоритм, облегчающий реализацию модульного принципа составления программы).

Использование комбинаций таких структур позволяет реализовать практически любой алгоритм.

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

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

• Результативность (конечность) – алгоритм должен приводить к решению задачи за конечное число шагов.

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

На основании этих свойств иногда дается определение алгоритма, например: “Алгоритм – это последовательность математических, логических или вместе взятых операций, отличающихся детерменированностью, массовостью, направленностью и приводящая к решению всех задач данного класса за конечное число шагов”.