Afanasjeva

УДК 004.4 (075) ББК 32. 973 – 018.2я7

А 94

Рецензенты: профессор кафедры «Информационные технологии» Ульяновского государственного университета, д-р техн. наук, профессор Семушин И. В.,

кафедра «Телекоммуникационные технологии и сети» Ульяновского государственного университета.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Афанасьева, Т. В.

Алгоритмы и программы : учебное пособие / Т. В. Афанасьева, А 94 Ю. Е. Кувайскова, В. А. Фасхутдинова. – Ульяновск : УлГТУ,

2011. – 227 с.

ISBN 978-5-9795-0857-3

Содержание учебного пособия включает информацию по составлению алгоритмов и практическому программированию на языке Turbo Pascal при решении сложных задач, которая может быть использована для подготовки к выполнению контрольных, лабораторных и практических заданий по курсам «Программные и аппаратные средства информатики», «Информационные технологии», «Алгоритмы и структуры данных».

Рассматриваются основные этапы решения задач на ЭВМ, основные понятия алгоритмов, средства их предствления, алгоритмы обработки данных, составление программ, реализующих разветвленные, циклические алгоритмы, работа с файлами, множествами и модулями, записями, процедурами, функциями и массивами, объектами.

Пособие предназначено для студентов вузов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения.

УДК 004.4 (075) ББК 32. 973 – 018.2я7

Афанасьева Т. В., Кувайскова Ю. Е., Фасхутдинова В. А., 2011 ISBN 978-5-9795-0857-3 Оформление. УлГТУ, 2011

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные и информационные технологии стали неотъемлемой частью современного общества, экономики, транспорта, бизнеса, образования и науки.

В современных условиях необходимо владение комплексом компетенций по применению и управлению информационными и программными ресурсами, включающим компетенции, обеспечивающие в значительной степени решение новых задач на базе будущих информационных технологий. Представляется, что комплекс компетенций в области применения и управления информационными и программными ресурсами следует развивать на основе универсальных, базовых компетенций, имеющих междисциплинарный характер, позволяющих на основе научного подхода проектировать информационные продукты. К таким компетенциям относят способность к анализу, синтезу, пониманию, моделированию, знанию технологий – все то, что относится к понятию «системный подход». Владение таким комплексом компетенций позволит использовать его как средство решения нестандартных и новых задач.

Процесс решения задачи имеет последовательность этапов, включающую как анализ, так и синтез, при этом эти процедуры выполняются для каждого этапа на своем уровне детализации модели решения задачи: информационном, алгоритмическом, программном. Такой целостный, системный подход к решению задач с использованием программных средств и предлагается авторами данной работы, которые ориентируют студента на важность развития актуальных компетенций и предлагают экспериментальные средства для их оценки и самооценки.

Учебное пособие состоит из двух частей: основы алгоритмизации и программирование на языке Turbo Pascal.

Первая часть предназначена для тех, кто не умеет, но стремится научиться алгоритмически решать задачи. Умение составлять алгоритмы позволяет получить корректное решение, которое может быть использовано в качестве алгоритмической модели решения, независимой от используемых программных средств.

Вторая часть пособия посвящена изучению языка Turbo Pascal, основанного на принципах структурного программирования и используемого во многих вузах в качестве базового языка для обучения программированию в курсе «Информатика».

В разделах пособия приводятся краткие сведения о рассматриваемых алгоритмах и программах, задания для самостоятельного выполнения, контрольные вопросы. Задания для самостоятельного выполнения содержат цель, требования, а также порядок выполнения и перечень формируемых компетенций.

5

Отличительной чертой данного пособия от аналогичных изданий является ориентация на формирование внутренней мотивации к выполнению самостоятельных заданий за счет понятия «полезности для студента». Кроме навыков и умений выполнение самостоятельных работ позволит развить базовые (системные, инструментальные) и личностные компетенции. Таким образом, имеется возможность оценивать результат выполнения работ не только по критериям качества самостоятельной работы, но и в терминах проявленных личностных компетенций, таких как способность планировать свою работу, способность самостоятельно решать стоящие задачи, способность к самооценке. Такие компетенции развиваются в деятельности, и в данном пособии эта деятельность представлена комплексом самостоятельных работ, которые, как и в реальной жизни, ограничены по времени. Временной параметр позволит оценить эффективность деятельности по выполнению с позиции компетенций по планированию, организации и ответственности.

Исходя из указанных предпосылок, авторы предлагают следующую схему оценки качества выполнения работ студентом: развитие системных компетенций, развитие инструментальных компетенций, развитие личностных компетенций.

При оценке развития системных компетенций оцениваются ответы на контрольные вопросы, при оценке инструментальных компетенций оцениваются структура, объем и содержание выполненных работ. При оценке личностных компетенций оцениваются время выполнения работ (способность к планированию, организации, ответственность), качество выполнения лабораторных работ (стремление к качеству результата), качество выполнения индивидуальных работ (способность самостоятельно решать задачи, самооценка).

Пособие подготовлено на базе многолетнего опыта проведения занятий по информационным технологиям.

6

Часть I. Основы алгоритмизации

1. ЭТАПЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НА ЭВМ

Решение любой проблемы является творческим процессом, состоящим из нескольких, зачастую повторяющихся этапов. Проблемы, требующие решения средствами прикладного программного обеспечения ЭВМ, относятся к классу задач, решение которых включает большой объем рутинных операций для обработки данных или не может быть получено без использования ЭВМ.

Для обоснованного решения таких проблем рекомендуется применять системный подход, основанный на решении задач декомпозиции, анализа и синтеза. Использование системного подхода, особенно при решении новых проблем, имеет ряд преимуществ. К ним можно отнести рассмотрение проблемы как системы элементов, данных, между которыми существуют некоторые связи, отношения. Часть отношений является отражением структурных свойств данных, а часть отношений определяет преобразования, позволяющие получить решение проблемы. В рамках системного подхода решение проблемы находится последовательно посредством выделения элементов и определения отношений между ними. Такой подход позволяет рассмотреть проблему в целом, с учетом различных связей, отношений, предусмотреть ситуации, оказывающие влияние на решение. Следовательно, полученное решение проблемы будет надежным и устойчивым. С другой стороны, приобретение умений и навыков применения системного подхода позволит сформировать и развить наиболее важные и востребованные компетенции в анализе проблем и синтезе решений.

Рассмотрим обобщенный процесс решения проблемы на основе системного подхода как последовательность, состоящую из трех этапов, приведенных ниже:

А. Анализ постановки задачи и ее предметной области:

1)понимание постановки и требований исходной задачи, определение предметной области, для которой поставлена задача;

2)анализ предметной области; выявление данных, которые фиксируют входную и выходную информацию (определение их структуры и свойств);

3)определение отношений между данными, задание условий и

ограничений, накладываемых на эти отношения. Б. Формальное моделирование решения задачи:

1) формирование основной идеи;

7

2)выбор и применение формальной системы для описания метода решения задачи;

3)построение алгоритмов, реализующих выбранный метод;

4)выбор оптимального алгоритма для заданных ранее условий и ограничений.

В. Практическое решение задачи:

1)определение технологий, средств и исполнителя решения задачи;

2)реализация оптимального алгоритма средствами и технологиями выбранного исполнителя решения задачи;

3)анализ решения и полученных результатов.

1.1.Анализ постановки задачи и ее предметной области

При решении любой задачи важным является первый этап, связанный с анализом и пониманием постановки задачи. На этапе анализа необходимо детализировать постановку задачи. Основные вопросы, на которые требуется ответить, можно сформулировать следующим образом:

Какие данные являются исходными?

Какие данные являются результирующими?

Какие отношения между исходными данными и требуемым результатом?

Являются ли исходные данные достаточными?

К какому виду следует отнести исходные данные?

К какому типу следует отнести исходные и результирующие данные?

На этом этапе уточняется постановка задачи, после чего выявляются отдельные явления, объекты, процессы, их связи и зависимости, то есть создается структурная модель предметной области.

Модель – это упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.

На этапе анализа постановки задачи определяются такие понятия, как исходные и результирующие данные, абстрактно представляющие информацию о предметной области решаемой задачи в виде значений.

Исходные данные должны быть полными, т. е. содержать данные, необходимые и достаточные для решения задачи. Если данные неполные, необходимо приложить дополнительные усилия для сбора дополнительных сведений; эта ситуация может также возникнуть на последующих этапах при выборе метода решения. Данные могут быть определены на основе свойств данных, которые задают их вид и тип.

Различают исходные данные трех видов: постоянные, условнопостоянные и переменные.

8

Постоянные исходные данные – это данные, которые сохраняют свои значения в процессе решения задачи (математические константы, координаты неподвижных объектов) и не зависят от внешних факторов.

Условно-постоянные данные – это данные, которые могут иногда изменять свои значения; причем эти изменения не зависят от процесса решения задачи, а определяются внешними факторами (величина подоходного налога, курс валют, количество дней в году).

Переменные данные – это данные, которые изменяют свои значения в процессе решения задачи.

В дальнейшем необходимо как для исходных, так и для результирующих данных выбрать определенный тип данных. Тип данных определяет множество значений и множество допустимых операций к ним. На этом этапе важно не только классифицировать данные по отношению к процессу решения, но определить их наименование, тип, структуру и ограничения, накладываемые на значения исходя из постановки задачи. Желательно также определить допустимые и недопустимые операции по отношению к различным типам исходных данных.

Данное относят к простому типу, если в любой момент времени оно определяет одно и только одно значение.

На рис. 1 представлена классификация типов данных по структурному признаку.

Классификация данных по структурному признаку

Простые Структурированные

Рис. 1. Классификация типов данных

Например, требуется вычислить площадь поверхности некоторого тела. Очевидно, что для представления информации о вычисляемой площади поверхности некоторого тела достаточно использовать данное простого числового типа. Простые данные определяют такое отношение: одно имя – одно значение.

Структурированные данные отличаются от простых тем, что к ним применимо другое отношение: одно имя – много значений. Если все элементы, входящие в такую структуру, однотипны, то такая структура называется однородной, в противном случае – неоднородной.

9

Классическим примером однородной структуры является некоторая последовательность однотипных данных, заданная в виде массива значений, таких как, например (2, 51, 3, 7, 88).

Массив характеризуется фиксированным количеством входящих в него значений, эти значения упорядочены по номерам следования. Номер элемента в массиве является средством адресации, доступа к конкретному элементу, например в вышеприведенном массиве чисел значение 51 имеет номер два, а значение 7 – номер четыре. Неоднородная структура в отличие от однородной содержит значения различных типов, относящихся к одному понятию или объекту, и, значит, такое структурированное данное несет в себе больше информации. Для представления неоднородных структур используют запись. Запись – это структура, предназначенная для представления данных преимущественно различного типа. Значения, составляющие запись, называются полями записи. По-другому запись можно представить как совокупность полей, каждое из которых имеет свое наименование. Имя поля является средством адресации, доступа к значению этого поля в записи.

Рассмотрим простой пример. Задача заключается в определении в некоторой стране города с максимальным количеством жителей. Данные, которые необходимо проанализировать, это нечисловые данные, содержащие информацию о названии города, и числовые данные, содержащие информацию о численности в этом городе. В качестве структуры, содержащей данные о названии города и количестве в нем жителей, следует выбрать неоднородную структуру – запись, пример которой изображен в таблице 1. Запись содержит два поля: Название города и Количество жителей. В первой строке табл. 1 указаны названия полей, во второй строке – типы полей, в третьей строке значения полей, образующие запись.

В качестве структуры, содержащей информацию о множестве городов рассматриваемой страны, можно выбрать однородную структуру типа массив, состоящий из нескольких однотипных записей табл. 1.

Определение отношений между данными, условиями и ограничениями, накладываемыми на значения данных, зависит от конкретной постановки задачи и требований пользователя.

10