1. Постановка задачи (спецификация задачи: в спецификации различают две существенно разные ее части: функциональную и эксплуатационную спецификацию.

Функциональная спецификация описывает объекты, участвующие в задаче, входные и выходные данные, связь между ними, реакции на аномалии, разбиение задачи на подзадачи.

Эксплуатационная спецификация содержит требования к скорости работы программы и используемым ресурсам памяти, характеристиками ЭВМ, на которой программа должна работать, специальные требования к надежности и безопасности программы.

Очевидно, чем сложнее и больше решаемая задача, тем труднее составить исчерпывающие спецификации. Возможно, что некоторые тре­бования придется уточнить после следующих этапов - проектирования и кодирования);

2. Проект алгоритма и структур данных (на псевдокоде);

3. Текст программы на языке программирования;

4. Отладочные тесты и результаты их работы (по мере тестирования заносятся в документацию);

5. Доказательство корректности (если оно является необходи­мой фазой отладки);

6. Руководство пользователю программы (на естественном языке). Составляется как правило самом в конце, как итог, основываясь на уже полученной документации.

_____________________________________________________________________________________

Билет №42

Классификация алгоритмов внутренней сортировки.

Сравнительная оценка методов сортировки.

Внутренняя сортировка - ориентирована на сортировку массивов. Разделение на сложные (модифицированные) и простые связано с оценкой эффективности алгоритмов по двум основным параметрам: число сравнений ключей элементов и число перестановок элементов. Для простых методов сортировки эти параметры имеют порядок в среднем n2, а для сложных (модифицированных) - n*logn, где n-количество сортируемых ключей:

1) Простые методы:

1. Метод простого обмена - проверяются пары ключей, и если они не упорядочены, то элементы взаимно меняются местами.

Простая обменная сортировка ("метод пузырька") для массива a[1], a[2], ..., a[n] работает следующим образом. Начиная с конца массива сравниваются два соседних элемента (a[n] и a[n-1]). Если выполняется условие a[n-1] > a[n], то значения элементов меняются местами. Процесс продолжается для a[n-1] и a[n-2] и т.д., пока не будет произведено сравнение a[2] и a[1]. Понятно, что после этого на месте a[1] окажется элемент массива с наименьшим значением. На втором шаге процесс повторяется, но последними сравниваются a[3] и a[2]. И так далее. На последнем шаге будут сравниваться только текущие значения a[n] и a[n-1]. Понятна аналогия с пузырьком, поскольку наименьшие элементы (самые "легкие") постепенно "всплывают" к верхней границе массива.

Шейкер-сортировка — разновидность пузырьковой сортировки. Отличается тем, что просмотры элементов выполняются один за другим в противоположных направлениях, при этом большие элементы стремятся к концу массива, а маленькие — к началу.

2. Метод простого выбора - происходит выбор элементов в порядке возрастания ключей. Сначала выбирается элемент с наименьшим ключом, затем выбирается элемент с наименьшим ключом из оставшихся и т. д. до тех пор, пока в неотсортированной последовательности не останется ни одного элемента. В результате в отсортированной последовательности элементы распологаются в том порядке, в котором они были выбраны.

В этом методах массив также делится на уже отсортированную часть A[1], ..., A[k-1] и  не отсортированную A[k],  ..., A[n].  Из не отсортированной части на каждом шаге извлекается минимальный элемент. Он будет максимальным элементом отсортированной части, так как все меньшие его элементы извлечены на предыдущих шагах, поэтому извлеченный элемент ставится в конец отсортированной части.

В начальный момент при k = 1 отсортированная часть будет пустой.

3. Метод простого включения - элементы неотсортированной последовательности рассматриваются по очереди, и каждый вставляется на соответствующее ему место в отсортированной последовательности.

При сортировке исходный массив разбивается на две части:

A[1], A[2], ..., A[k-1] - отсортированную часть

A[k], ...,A[n] - не отсортированную часть.

На k - м шаге элемент A[k] включается в отсортированную часть, на соответствующее место. При этом часть элементов, больших A[k], (если таковые есть) сдвигаются на одну позицию правее, чтобы освободить место для элемента A[k]. Прежде чем производить сдвиг элементов необходимо сохранить значение A[k] во временной переменной B.

Так как массив из одного элемента можно считать отсортированным, алгоритм начинается с k=2.

2) Сложные методы:

1. Сортировка Шелла (включение).

Метод построен на основе метода вставки с минимизацией промежуточных шагов. Сначала выполняется сортировка элементов, отстоящих друг от друга на три позиции. После этого сортируются элементы, отстоящие друг от друга на две позиции. Наконец выполняется сортировка смежных элементов.

2. Сортировка с разделением (быстрая сортировка).

"Быстрая сортировка", хоть и была разработана более 40 лет назад, является наиболее широко применяемым и одним их самых эффективных алгоритмов.

Метод основан на подходе "разделяй-и-властвуй". Общая схема такова:

1. из массива выбирается некоторый опорный элемент a[i],

2. запускается процедура разделения массива, которая перемещает все ключи, меньшие, либо равные a[i], влево от него, а все ключи, большие, либо равные a[i] - вправо,

3. теперь массив состоит из двух подмножеств, причем левое меньше, либо равно правого,

4. для обоих подмассивов: если в подмассиве более двух элементов, рекурсивно запускаем для него ту же процедуру.

В конце получится полностью отсортированная последовательность.

3. Сортировка Флойда (с помощью дерева).

_____________________________________________________________________________________

Билет №43

Эффективность программы.

Средства стандартного и Турбо-Паскаля для повышения эффективности.

В применении к программам термин ЭФФЕКТИВНОСТЬ относится либо к использованию ресурсов системы, либо скорости выполнения, либо к тому и другому. К ресурсам системы относится оперативная память, дисковое пространство, устройства, то есть то, что может выделяться и использоваться. Суждение о том, является программа эффективной или нет, субъективно, оно зависит от ситуации. Рассмотрим программу, которая при выполнении использует 147 Кбайт оперативной памяти, 2 Мбайта дискового пространства и затрачивает в среднем 70 минут. Если это короткая программа, выполняющаяся на персональном компьютере Apple 2, то по всей видимости не очень эффективна. Однако, если это программа, выполняющаяся на суперкомпьютере Cray, то вероятно, она эффективна.

С другой стороны, когда вы добиваетесь эффективности по какому-либо одному параметру, часто при этом ухудшаются другие показатели. Например, достижение более быстрого выполнения программы ведет к ее увеличению, если вы используете линейную программу вместо вызовов функций для увеличения скорости. Кроме того, достижение более эффективного использования дискового пространства за счет упаковки данных замедляет доступ к диску.

Существует несколько методик программирования, которые всегда дают эффективные программы или по крайней мере более эффективные, чем в других случаях. Существует также ряд методов, которые делают программу как быстрее, так и меньше.

Некоторые СРЕДСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ:

1) Предотвращение дублирования кода: избыточный код не ссылается на код, который может быть выделен в подпрограмму. Кроме того, к избыточности относится и не необходимое дублирование аналогичных предложений внутри процедуры.

Пример (кусок кода).

Read(a);

Read(y);

if a<10 then WriteLn('Недопустимый ввод');

if Length(y)=0 then WriteLn('Недопустимый ввод');

В данном случае предложение WriteLn('Недопустимый ввод') встречается дважды. Однако, это не необходимо, так как фрагмент может быть переписан следующим образом:

Read(a);

Read(y);

if (a<10 or (Length(y)=0) then WriteLn('Недопустимый ввод');

В таком варианте код не только короче, но и будет в действительности выполняться быстрее, так как выполняется только одно предложение if/then вместо двух.

2) Использование процедур и функций: использование процедур и функций с локальными переменными составляет основу структурного программирования. Турбо-Паскаль является стеково-ориентированным языком: все локальные переменные и параметры используют стек для промежуточного запоминания. При вызове функции адрес возврата вызвавшей процедуры также помещается в стек. Это позволяет программе осуществить возврат в точку, из которой был вызов. Когда функция возвращает управление, данный адрес и все локальные переменные и параметры должны быть удалены из стека. Процесс заталкивания данной информации в стек называется последовательностью вызова, а процесс выталкивания информации из стека - последовательностью возврата. Эти последовательности требуют определенного времени и иногда довольно большого.

Можно подумать, что следует писать программы, которые состоят из нескольких больших процедур и которые, следовательно, будут работать быстрее. В большинстве случаев, однако, небольшие различия во времени выполнения не важны, а вот потеря структуры будет ощутимой. Но это другая проблема.

Положение таково, что убыстрение программы ведет к ее увеличению, а уменьшение программы ведет к ее замедлению. Использовать непосредственный код вместо вызовов функций следует только тогда, когда скорость имеет абсолютный приоритет. В противном случае рекомендуется повсеместное применение процедур и функций.

3) Предложение Case против цепочки if/then/else: цепочка if/then/else важна, так как она позволяет вам выполнить переходы по множеству ветвей с анализом данных различных типов, что не может быть сделано с помощью предложения case. Однако, если вы используете скалярные данные целые, действительные числа, символьные данные и перечисления, то следует применять предложение case, так как в общем случае предложение case порождает более компактный и быстрый объектный код, нежели серия предложений if/then/else.

_____________________________________________________________________________________

Билет №44

Надежность программы. Организация надежного ввода. Средства Паскаля для повышения надежности.

Надежный ввод обеспечивает ввод допустимых значений данных, диапазон которых определен в спецификации.

Пример.

Задача: вычислить сумму ряда S для заданного х с точностью eps.

Организация надежного ввода:

Способ 1. Анализ аномалий.

Аномалии: abs(x)>=1, eps<=0, eps>=1.

Входная форма описывает однократный последовательный ввод переменных х и eps.

Выполняется проверка условия в программе: если исходные данные верны, то происходит вычисление и печать результата, иначе выдается сообщение о неправильных входных данных.

Чтобы выполнить программу при исправленных данных, требуется повторно ее запустить.

Способ 2. Надежный ввод.

Правильность данных проверяется при вводе. Данные повторяются до тех пор, пока не введутся правильные данные.

Реализация повторения с использованием цикла:

а) Метод объединения условий.

Этот метод структурирования состоит в объединении нескольких условий выхода из цикла в одно сложное логическое выражение:

repeat

writeln('Введите правильно х, eps');

readln (x,eps)

until (abs(x)<1) and (eps>0) and (eps<1);

Повторяется ввод данных до тех пор, пока не выполнятся одновременно три условия: abs(х)<1 и 0<eps и eps<1.

б) Метод флажка (метод булева признака).

Этот метод более универсальный, чем предыдущий. Он применяется в случаях, когда количество условий выхода из цикла довольно велико и при их объединении получается громоздкое логическое выражение. Кроме того, его удобно использовать, если требуется выполнить в цикле дополнительные действия при некоторых условиях.

Метод состоит в том, что вводится дополнительная переменная-флажок (булева переменная), имеющая два значения, которая управляет циклом: при одном значении переменной цикл продолжается, при другом -завершается.

flag:=true;

repeat

writeln ('Введите правильно x,eps);

readln (x,eps);

if(abs(x)<=1)then

begin

writeln ('Ошибка в x'); flag:=false

end

else

if ((eps<=0) or (eps>=1)) then

begin

writeln ('Ошибка в eps'); flag:=false

end

until flag;

Повторяется ввод данных с детальным анализом правильности х и eps и выводом сообщений об ошибке.

Для завершения цикла используется переменная-флажок flag, которая принимает значения:

flag = true, если данные правильные и flag = false, если данные неправильные.

При flag = true цикл завершается.

_____________________________________________________________________________________

Билет №45

Эргономичность программы. Роль структурного программирования в повышении эргономичности.

Эргономичность — в изначальном смысле это эффективность инструмента производства или системы в эргономике (Эргономика — научная дисциплина, комплексно изучающая производственную деятельность человека и ставящая целью её оптимизацию).

Эргономичность как характеристика программного продукта обозначает степень, с которой программа позволяет минимизировать усилия пользователя по подготовке исходных данных, обработке данных и оценке полученных результатов. Чем меньше движений совершает пользователь мышью, чем меньше информации вводит он с клавиатуры и чем быстрее он находит требуемую информацию – тем выше степень эргономичности.

Стержнем структурного программирования является создание максимально ясных, легко понимаемых программ - необходимого условия надежности и правильности программных продуктов.

Важнейшими концепциями структурного программирования, направленными на получение качественных программ, являются:

1. Упорядочение и ограничение управляющих и информационных структур таким образом, чтобы структура программы и данных отражала структуру решаемой задачи. Другими словами, должен выполняться следующий принцип (Э.Дейкстра): соответствие текстуальной упорядоченности программы порядку вычислений.

2. Разработка структуры программы путем систематизированного пошагового уточнения (метода "сверху-вниз"), ограничивающего сложность разработки на каждом уровне иерархии до приемлемой.

3. Использование системы обозначений, которая облегчает разработку и преобразование управляющих структур в конечный программный продукт.

Большая часть существующих языков программирования при своем создании не ориентировалась на поддержку структурного программирования, хотя многие из них имеют соответствующие управляющие структуры и при введении ограничений на использование ряда средств прекрасно согласуется со структурным подходом.

Сама суть структурного программирования сводится к созданию удобной, понятной, в т.ч. и эргономичной программы.

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Билет №46

Мобильность программ. Отличие версии Турбо-Паскаль от стандартного Паскаля.

Довольно частое явление - это перенос программы, написанной на одной машине, на другую, которая отличается процессором, операционной системой или тем и другим. Программа мобильна, если она может быть легко перенесена. Программа переносится трудно, если она содержит много машинно-зависимых вещей: фрагментов кодов, которые работают только со специфической операционной системой или процессором. Турбо-Паскаль допускает перенесение кода между всеми его версиями,но все-таки требует внимания к деталям и часто при этом теряется эффективность из-за отличий в операционных системах.

Перенесение кода, написанного с использованием какого-либо компилятора Паскаля, в Турбо-Паскаль может вызвать проблемы из-за применений различных наборов расширений. Обратная задача также проблематична: если были использованы расширения Турбо-Паскаля, написанный код должен быть модифицирован при использовании другого компилятора.

ОТЛИЧИЯ Турбо-Паскаля от стандартного:

- работа со строковыми переменными.

- расширены типы вещественный, целый.

- допускается произвольная последовательность описания констант, переменных, типов, меток и подпрограмм. Например, раздел VAR описания переменных может появляться в пределах раздела описаний одной и той же подпрограммы много раз и перемежаться с объявлениями других объектов и подпрограмм. Для Турбо-Паскаля совершенно безразличен порядок следования и количество разделов VAR, CONST, TYPE, LABEL.

- разрешается использовать в передаваемой процедуре (функции) любые типы параметров: параметры-значения, параметры-переменные, параметры-константы (в стандартном Паскале только параметры-значения).

- модули (uses ctr, graph)

_____________________________________________________________________________________

Билет №47

Метод бисекции (деления пополам). Использование его в алгоритмах сортировки и решения уравнений.

Метод деления пополам.

Применяется для нахождения корня уравнения f(x)=0 на отрезке [а, b] для непрерывной функции. Он работает при условии, что на концах отрезка, содержащего корень, функция должна иметь разные знаки.

Суть метода состоит в последовательном «стягивании» отрезка к корню:

Пусть l - левая граница изменяющегося отрезка (вначале l=a), r - его правая граница (вначале r=b); отрезок [l, r] делится пополам точкой c и выбирается та половина, на концах которого функция имеет разные знаки; если это левая половина, то r=c, если правая, то l=c:

процесс деления отрезка повторяется до тех пор, пока не выполнится условие

abs(r-l)<=eps и abs(f(x))<=eps.

Метод простых итераций.

Используется в том случае, если уравнение можно выразить в виде x=f(x). Тогда корень уравнения является пересечением прямой y = x и кривой y=f(x)(x). Метод простых итераций записывается в виде рекуррентной формулы

X0=Xнач.

Xi=f(Xi-1) для i=1,2,3, …

которая образует последовательность

X0,X1,X2, … , Xi, …

сходящуюся к корню уравнения при определенных условиях.

Повторяем процесс до выполнения условия abs(Xi-X(i-1))<=eps.

_____________________________________________________________________________________

Билет №48

Способы организации надежного ввода из стандартного файла, влияние на структуру программы.

Надежный ввод необходим при работе с массивом. Так как вначале задаются параметры массива, а только потом считываются элементы в него, необходимо задать его размеры с запасом. Если какие-то элементы не будут заполнены, они будут по-умолчанию иметь значение 0. Также необходимо в теле программы сделать ограничение. Если вдруг размер массива окажется больше, то выдать ошибку пользователю с тем, что программа не может выполнить данный объем, что превышен лимит.

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Билет №49

Организация массива из текстового файла.

Процедуры, обеспечивающие различную степень зависимости от входных данных.

Билет №50

Локализация процедур Паскаля. Внешние процедуры.

Билет №51

Структурирование циклов.

Метод объединения условий при решении задачи информационного поиска в файле.

Билет №52

Структурирование циклов.

Метод объединения условий и метод барьера при решении задачи включения элемента в упорядоченный массив.

Билет №55(53)

Структурирование циклов.

Метод флажка на примере организации надежного ввода с детальным анализом каждой переменной.

Билет №56(54)

Организация процесса нисходящей разработки многомодульных программ.

Самодокументирование процесса.

Билет №57(55)

Независимость программы от данных при работе с массивами переменной длины.

Обеспечение этого свойства на этапе спецификации задачи.

Билет №58(56)

Экономия вычислений при суммировании рядов.

Использование рекуррентных соотношений.

Билет №59(57)

Метод трассировки при визуальном и компьютерном способах отладки.

Трассировка – остановка на каждой команде.