ТЕКСТИ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни

«Інформатика»

Тема: Програмування в середовищі MathCAD.

для студентів 2 курсу денної та заочної форми навчання за спеціальністю:

151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології»

Введення

Завдяки існуючому прикладному програмному забезпеченню (ПЗ) робота на комп'ютері виконується у режимі користувача, знання мов програмування при цьому не потрібне. Інша річ, коли передбачається реа­лізація моделі у середовищі програмування. У цьому разі потрібно і знання конкретної мови, і розуміння принципів побудови комп'ютерних моделей.

Припустимо, що як ПЗ було обране середовище програмування, тоді побу­дова комп'ютерної моделі завершується створенням програми. Якщо ж для побудови моделі обрано існуюче прикладне ПЗ, то розв'язання задачі при­водить до розробки певної комп'ютерної технології. Комп'ютерна технологія - це послідовність операцій обробки вхідних даних для одержання бажаного ре­зультату.

Створенню програми або комп'ютерної технології обов'яз­ково передує складання алгоритму.

1.1. Основи алгоритмізації і програмування

1.1.1. Алгоритм і його властивості

Вирішення завдань на комп'ютері базується на понятті алгоритму. Алгоритм – це точне розпорядження, що визначає обчислювальний процес, який веде від вар’ювання початкових даних до кінцевого результату.

Алгоритм означає точний опис деякого процесу, інструкцію по його виконанню. Розробка алгоритму є складним і трудомістким процесом. Алгоритмізація – це техніка розробки (складання) алгоритму для вирішення завдань на ЕОМ.

Для запису алгоритму рішення задачі застосовуються наступні способи їх зображення:

• Словесно- формульне опис

• Блок-схема (схема графічних символів)

• Алгоритмічні мови

• Операторні схеми

• Псевдокод

Для запису алгоритму існує загальна методика:

• Кожен алгоритм повинен мати ім'я, яке розкриває його сенс.

• Необхідно позначити початок і кінець алгоритму.

• Описати вхідні і вихідні дані.

• Вказати команди, які дозволяють виконувати певні дії над виділеними даними

Загальний вид алгоритму

• Алгоритм: Назва алгоритму

• Опис даних

• Почало

• Команди

• Кінець

Формульно-словесний спосіб запису алгоритму характеризується тим, що опис здійснюється за допомогою слів і формул. Зміст послідовності етапів виконання алгоритмів записується на природній професійній мові наочної області в довільній формі.

Словесний спосіб запису заснований на тій чи іншій природній мові спілку­вання. Однак словесний запис алгоритму відрізняється від звичайних мовних конструкцій ретельнішим добором слів і фраз, який не допускає повторень або двозначного тлумачення. Крім того, у запису алгоритму можуть використовуватися математичні символи і вирази.

Розглянемо словесний спосіб запису ще на одному простому прикладі. Має­мо знайти модуль величини X (тобто значення | х |) і надати цього значення змінній У. Під час побудови алгоритму скористаємося визначенням модуля: | х | =х при х> 0 і | х | =-х при х<0. Алгоритм можна записати у такий спосіб.

1. Початок.

2. Ввести числове значення величини X.

3. Якщо Х> 0, то V надати значення X, інакше V надати значення -X.

4. Вивести значення У.

5. Кінець.

Словесний запис найчастіше застосовується на початковому етапі вивчення алгоритмів і призначається для використання алгоритму людиною. Однак ця форма запису алгоритму має два істотних недоліки. По-перше, вона недо­статньо наочна і, по-друге, її важко безпосередньо перекласти мовою програми.

Графічний спосіб опису алгоритму (блок - схема) набув найширшого поширення. Для графічного опису алгоритмів використовуються схеми алгоритмів або блокові символи (блоки), які з'єднуються між собою лініями зв'язку.

Кожен етап обчислювального процесу представляється геометричними фігурами (блоками). Вони діляться на арифметичних або обчислювальних (прямокутник), логічних (ромб) і блоки введення-виводу даних (паралелограм).

Н аочною формою запису алгоритмів є блок-схеми, що складаються з геомет­ричних фігур - блоків. Кожний блок відповідає певній дії. Наприклад, запис , алгоритму починається і закінчується такими блоками:

Ці елементи називаються блоками початку і кінця алгоритму. Стрілки вказують напрямок виконання алгоритму. Блок Початок має одну вихідну стрілку, а блок Кінець - одну вхідну стрілку.

У алгоритмах часто використовуються команди введення і виведення значень.

Цим командам відповідають блоки введення-виведення:

Тут лівий блок означає введення величини X, а правий блок - виведення У. За допомогою наведених вище блоків ви можете скласти найпростіший алгоритм введення величини X:

Відповідно до цього алгоритму в програму вводиться значення величини X. Однак програма, що складається тільки з операції введення, навряд чи доціль­на. Звичайно над введеною величиною виконуються певні дії, що позначаються прямокутними (операторними) блоками:

У середині прямокутників записані вирази, що виконуються над величинами. Лівий блок означає присвоювання змінній X значення суми Х + 1 (про операції присвоювання йтиметься в наступному параграфі). Правий блок відповідає за знаходження різниці Х-У і надання значення різниці змінній 2. Операторні блоки можуть мати кілька входів і лише один вихід.

Принципи розробки алгоритмів і програм

По структурі виконання алгоритми і програми діляться на три види:

• Лінійні

• Що гілкуються (розгалужені)

• Циклічні

Лінійний алгоритм (лінійна структура) – це такий алгоритм, в якому всі дії виконуються послідовно один за одним і лише один раз. Схема є послідовністю блоків, які розташовуються зверху вниз в порядку їх виконання. Первинні і проміжні дані не роблять впливу на напрям процесу обчислення.

Запишемо найпростіший алгоритм обчислення квадрата якогось числа:

В ідповідно до цього алгоритму вводиться величина X, потім обчислюється квадрат цієї величини (добуток Х*Х) і виводиться отримане значення.

Алгоритми структури, що розгалужується

На практиці часто зустрічаються завдання, в яких залежно від первинних умов або проміжних результатів необхідно виконати обчислення по одних або іншим формулам. Такі завдання можна описати за допомогою алгоритмів структури, що розгалужується. У таких алгоритмах вибір напряму продовження обчислення здійснюється за підсумками перевірки заданої умови. Процеси, що розгалужуються, описуються оператором IF (умова).

Усі наведені вище блоки дозволяють організувати послідовне виконання інструкцій алгоритму. Однак на практиці часто виникають ситуації, коли залежно від виконання будь-якої умови маємо змінити послідовний хід обчислень. Прикладом такої умови є нерівність Х> 0 в алгоритмі знаходження модуля числа X (див. попередній пункт). У схему алгоритму логічна умова вводиться за допомогою умовного блока. Цей блок прийнято зображати у вигляді ромба з одним входом і двома виходами:

Я кщо умова, зазначена на зображенні блока, виконується (умова має зна­чення Істина), то відбувається перехід по стрілці Так, якщо не виконується ((значення Хибність) - по стрілці Ні. Завдяки умовному блоку обчислювальний процес ніби розгалужується, тобто умовний блок використовується для організації розгалуження.

Наведемо як приклад алгоритм обчислення модуля числа:

З апис цього алгоритму обмежують блоки початку і кінця. За блоком початку алгоритму йде блок введення значень X, а за ним - умовний блок. В умовному блоці виконується перевірка умови X >= 0 і в результаті перевірки здійснюється перехід по одній із гілок Так або Ні. На кожній із гілок розташований операторний блок надання значень змінній У. Після операції надання гілки алгоритму сходяться, і наступна інструкція алгоритму міститься в блоці виведення отриманого значення У.

Циклічні обчислювальні процеси

Для вирішення багатьох завдань характерне багатократне повторення окремих ділянок обчислень. Для вирішення таких завдань застосовуються алгоритми циклічної структури (циклічні алгоритми). Цикл – послідовність команд, яка повторюється до тих пір, поки не буде виконано задану умову. Циклічний опис багато разів повторюваних процесів значно знижує трудомісткість написання програм.

Існують цикли з відомим числом повторень(так звані арифметичні цикли) і ітераційні цикли, коли кількість повторень наперед невідома.

Арифметичні цикли зображуються наступним блоком:

Д е і – лічильник циклу, який на початку приймає значення а, яке потім кожного разу збільшується на величину h. Тіло циклу (набір Дій) повторює своє виконання до тих пір, поки і не перевершить кінцевого значення b.

При ітераційному циклі вихід з тіла циклу, як правило, відбувається досягши заданої точності обчислення. Ітераційні цикли зображуються наступним блоком:

Тіло циклу повторюватиме своє виконання до поки виконуватиметься Умова. Як тільки Умова не виконається, відбудеться вихід з циклу.

Алгоритмічні мови - це спеціальний засіб, призначений для запису алгоритмів в аналітичному вигляді. Алгоритмічні мови близькі до математичних виразів і до природних мов. Кожну алгоритмічну мову має свій словник. Алгоритм, записаний на алгоритмічній мові, виконується по строгих правилах цієї конкретної мови.

Мови програмування

Мови програмування – це штучні мови запису алгоритмів для виконання їх на ЕОМ. Програмування (кодування) - складання програми по заданому алгоритму.

Класифікація мов програмування.

Загалом, мови програмування діляться на дві групи: операторні і функціональні. До функціональних відносяться ЛІСП, ПРОЛОГ і так далі

Операторні мови діляться на процедурних і не процедурних (Smalltalk, QBE). Процедурні діляться на машино - орієнтовані і машино – незалежні.

До машино – орієнтованим мовам відносяться: машинні мови, автокоди, мови символічного кодування, асемблери.

До машино – незалежним мовам відносяться:

Процедурно – орієнтовані (Паскаль, Фортран і ін.)

Проблемно – орієнтовані (ЛІСП і ін.)

Об'єктно-орієнтовані (Си++, Visual Basic, Java і ін.)