- •Аннотация
- •Условия использования
- •Оглавление
- •Содержание
- •Только для взрослых
- •Десять лет спустя
- •Чему нас учат семья и школа?
- •Крошка сын к отцу пришел
- •Азбучные истины
- •Что я могу ещё сказать?
- •Благодарности
- •Детям до 16-ти
- •Глава 1 Путь далек у нас с тобою…
- •Компьютер
- •Компилятор
- •Личный багаж
- •Компьютерная литература
- •В здоровом теле – здоровый дух
- •Вместе весело шагать по просторам!
- •Повторение – мать учения
- •Соглашения
- •Итоги
- •Глава 2 Вместо теории
- •Миф о думающих машинах
- •Загадочные коды
- •Языки программирования и компиляторы
- •Следующий шаг –
- •Итоги
- •Глава 3 Консольный интерфейс
- •Что такое интерфейс?
- •Консольный интерфейс
- •Прикосновение к консольному интерфейсу
- •А почему не «окна»?
- •Итоги
- •Глава 4 Оружие – к бою!
- •Оружейный прилавок
- •Free Pascal
- •Настройка ярлыка
- •Free Pascal
- •Установка справочной системы
- •Обновление версий Free Pascal
- •Итоги
- •Глава 5 Программа номер один
- •Постановка задачи
- •Создание файла
- •Наполнение файла
- •Компиляция
- •Процедура вывода (печати)
- •Запуск программы
- •Итоги
- •Глава 6 Подготовка к следующему штурму
- •Ещё об исходных файлах
- •Управление окном редактора
- •Борьба с ошибками
- •Итоги
- •Глава 7 Развиваем успех
- •Операторы и разделители
- •Программа, стой!
- •Алгоритмы
- •Блок-схемы
- •Итоги
- •Глава 8 Постоянные и переменные
- •Константы
- •Идентификаторы
- •Переменные
- •Ввод и вывод данных
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 9 Переменные: продолжение знакомства
- •Представьтесь, пожалуйста!
- •Из пустого в порожнее
- •Сцепление строк
- •Инициализация переменных
- •Типизированные константы
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 10 Условный оператор
- •Стой! Кто идет?
- •Вопрос ребром
- •Пост номер один
- •Неполный условный оператор
- •Пост номер два
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 11 Операторный блок
- •Операторные скобки
- •Красиво жить не запретишь
- •Комментарии
- •Итоги
- •Глава 12 Цикл с проверкой в конце
- •Подтянем дисциплину
- •Нанимаем репетитора
- •Вежливый часовой
- •Досрочный выход из цикла
- •Итоги
- •Глава 13 Правда и кривда
- •Есть ли жизнь на Марсе?
- •Информация и её мерило
- •Булевы переменные
- •Ввод и вывод булевых данных
- •Логические выражения
- •С высоты птичьего полета
- •Парад логических операций
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 14 Дважды два – четыре
- •Поможем братьям нашим меньшим
- •Числа и действия с ними
- •Алгоритм экзаменатора
- •Экзаменатор, первый вариант
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 15 Айда в Монте-Карло!
- •Куда ни глянь – то процедура, то функция!
- •Госпожа удача
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 16 Делу время, а потехе час
- •Потемкинская лестница
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 17 И вновь за парту
- •Цикл со счетчиком
- •Итоги
- •Глава 18 Аз, Буки
- •Символьный тип данных
- •Индексация
- •Длина строки
- •Распечатка строки
- •Итоги
- •Глава 19 Процедуры и функции: разделяй и властвуй
- •Снежный ком
- •Описание процедур
- •Процедуры с параметрами
- •Итоги
- •Глава 20 Процедуры: первый опыт
- •Мухи – налево, котлеты – направо!
- •Сверху вниз
- •Первые раны
- •Глобальные и локальные
- •Локально – это разумно!
- •Неподдающаяся строка
- •Итоги
- •Глава 21 Отладка
- •Отладчик
- •Жучки, вылезайте!
- •Ссылка на переменную
- •Итоги
- •Глава 22 О передаче параметров
- •Процедура обмена
- •Замена символов в строке
- •О передаче строк
- •Итоги
- •Глава 23 Функции
- •Объявление функции
- •Пример функции
- •Подсчет символов в строке
- •Возврат строк
- •Когда результат не важен
- •Неявная переменная Result
- •Итоги
- •Глава 24 Криптография
- •Секреты Юлия Цезаря
- •Суть проблемы
- •О кодировании символов
- •Чудесные превращения
- •Шифрование символа
- •Расшифровка символа
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 25 Текстовые файлы
- •Файлы хорошие и разные
- •Формат текстовых файлов
- •Доступ к текстовым файлам
- •Чтение из файла
- •Последовательный доступ к файлу
- •Самореклама
- •Цикл с проверкой в начале
- •Итоги
- •Глава 26 Я не читатель, — я писатель!
- •Запись в текстовый файл
- •Пример записи в файл
- •Завершение шпионского проекта
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 27 Дайте кораблю минутный отдых!
- •Ошибка ошибке рознь
- •Фатальные ошибки
- •«Простительные» ошибки
- •Опции компилятора
- •Обработка ошибок ввода-вывода
- •Директивы компилятора
- •Директиву – в студию!
- •Парад директив
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 28 Редактор и справочная система
- •Небьющиеся окна
- •Буфер обмена
- •Справочная система
- •Итоги
- •Глава 29 Читайте по-новому
- •Полицейская база данных, версия 1
- •Полицейская база данных, версия 2
- •Итоги
- •Глава 30 Журнальная история
- •Статистика знает всё?
- •Строим планы
- •Барабаним по клавишам
- •Первый блин
- •Блин второй
- •Спецификатор ширины поля
- •«Развесные» числа
- •Итоги
- •Глава 31 Финал журнальной истории
- •Буква за буквой
- •Нелишняя предосторожность
- •Достройка программы
- •Испытание
- •Итоги
- •Глава 32 Порядковые типы данных
- •Типы данных: простые и сложные
- •Целое братство
- •Капля, переполняющая чашу
- •Инкремент и декремент
- •Диапазоны
- •Перечисления
- •Порядковые типы
- •Разумный контроль
- •Итоги
- •Глава 33 Вещественные числа
- •Изображение вещественных чисел
- •Вывод вещественных чисел
- •Типы вещественных чисел
- •Сравнение вещественных чисел
- •Типы данных пользователя
- •Совместимость и преобразование типов
- •Размеры переменных и типов данных
- •Итоги
- •Глава 34 Структура программы
- •Управляющие структуры
- •Структура программы
- •Структура процедур и функций
- •Обмен данными с подпрограммами
- •Встроенные процедуры и функции
- •Что дальше?
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 35 Множества
- •В директорском кабинете
- •Первым делом, первым делом – оцифровка
- •Множества глазами математика
- •Числовые множества
- •Мощность множества, полные и неполные множества
- •Итоги
- •Глава 36 Множества в Паскале
- •Объявление множеств
- •Присвоение значений множествам
- •Операции с множествами
- •Сравнение множеств
- •Проверка на вхождение элемента в множество (операция IN)
- •Решение директорской задачи
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 37 Ввод и вывод множеств
- •Вывод множества в текстовый файл
- •Ввод множества из текстового файла.
- •Директорская задача, первый вариант
- •Директорская задача, второй вариант
- •Итоги
- •Глава 38 Множества «в бою»
- •Активисты, шаг вперед!
- •Подвиг контрразведчика
- •В тридевятом царстве
- •Решето Эратосфена
- •Мелочь, а приятно
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 39 Командная игра (массивы)
- •Снежная лавина
- •А где же волшебная палочка?
- •Массивы вокруг нас
- •Объявление массивов
- •Доступ к элементам (индексация)
- •Ввод и вывод массивов
- •Ошибки индексации
- •Итоги
- •Глава 40 Пристрелка на знакомых мишенях
- •Вопрос-ответ – добиваемся гибкости
- •Полицейская база данных – ускоряем поиск
- •Ещё раз о статистике
- •Итоги
- •Глава 41 По порядку, становись!
- •Пиратская справедливость
- •Пузырьковая сортировка
- •Электронная делёжка
- •Возвращение на футбольное поле
- •Итоги
- •Глава 42 Кто ищет, тот всегда найдет
- •Где эта улица, где этот дом?
- •Последовательный поиск
- •Двоичный поиск
- •Исследование двоичного поиска
- •Ах, время, время!
- •Логарифмы? Это просто!
- •Итоги
- •Глава 43 Сортировка по-взрослому
- •«Фермерская» сортировка
- •Быстрая сортировка
- •Процедура быстрой сортировки
- •О рекурсии и стеке
- •Алгоритмы, на старт!
- •Итоги
- •Глава 44 Строки
- •Строка – особый род массива
- •Укороченные строки
- •Операции со строками
- •Подсчет слов в строке
- •Контекстная замена
- •Итоги
- •Глава 45 Очереди и стеки
- •Вовочка в потоке событий
- •Танцевальный кружок
- •Скитания товарного вагона
- •Сортировочная горка
- •Итоги
- •Глава 46 Огромные числа
- •Сколько звезд на небе?
- •Сложение «в столбик» никто не отменял
- •Великая стройка
- •Длинная арифметика
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 47 Системы счисления
- •Из тьмы веков
- •Число и его изображение
- •Десятичная система
- •Двоичная система
- •Шестнадцатеричная система
- •Другие системы счисления
- •Изображение числа в заданной системе счисления
- •Обратное преобразование
- •Итоги
- •Глава 48 Железная логика
- •Два взгляда на компьютерные «кирпичики»
- •Логические операции в регистрах
- •Сдвиги влево и вправо
- •Итоги
- •Глава 49 Сложные массивы
- •На поклон к Науке
- •Имперское строительство
- •Крестики-нолики
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 50 Неспортивные рекорды (записи)
- •Кушать подано!
- •Записи
- •Второй тайм
- •Дополнительное время
- •Итоги
- •Глава 51 Указатели в море памяти
- •Погружение в оперативную память
- •«Планировка» памяти
- •Указатели, первое знакомство
- •Объявление указателей
- •Копирование указателей, пустой указатель
- •Сравнение и проверка указателей
- •Разыменование указателей
- •Нетипичный указатель
- •Примеры с указателями
- •Итоги
- •Глава 52 Динамические переменные
- •Аппетит является к обеду
- •Одолжите памяти немножко!
- •Выделение памяти
- •Освобождение памяти
- •Предупреждён – значит, вооружен
- •Итоги
- •Глава 53 Массив указателей
- •Базу данных – в кучу
- •Сортировка массива указателей
- •Итоги
- •А слабо?
- •Глава 54 Односвязные списки
- •Чудесное сочетание
- •Проблема курицы и яйца
- •Вяжем список
- •Распечатка списка
- •Поиск в несортированном списке
- •Сортированные списки
- •Поиск в сортированном списке
- •Итоги
- •Глава 55 Слова, слова, слова…
- •Частотный анализ текста
- •Слово за слово
- •Структура записи
- •Алгоритм
- •А слабо?
- •Глава 56 И снова очереди, и снова стеки…
- •Шутить изволите?
- •Танцуют все!
- •Итоги
- •Глава 57 Графомания
- •Видимое представление графа
- •Внутреннее представление графа
- •Ввод и вывод графа
- •Итоги
- •Глава 58 По графу шагом марш!
- •Империя номер два
- •Структура узла
- •В рассыпную!
- •Аты-баты
- •Итоги
- •Глава 59 Крупные проекты
- •О модулях и разделении труда
- •Модули
- •Дробление модуля – «смертельный» номер
- •Компиляция проекта
- •Инициализация модуля
- •Структура модуля
- •О совпадении имен
- •Сборочный цех
- •Фирменные библиотеки
- •Динамически загружаемые библиотеки (DLL)
- •Итоги
- •Глава 60 Мелкие хитрости
- •Включаемые файлы
- •Условная компиляция
- •Итоги
- •Глава 61 «Кубики» программиста (ООП)
- •Фокус-покус
- •Вместо паяльника
- •На трех китах
- •Инкапсуляция
- •Наследование
- •Приборостроение
- •Гражданское строительство
- •Динамические объекты
- •Полиморфизм
- •Сокрытие полей и методов
- •Итоги
- •Глава 62 Всё только начинается!
- •Крупицы мастерства
- •Программисты, на старт!
- •Приложение А Установка и настройка IDE Borland Pascal
- •Borland Pascal, состав дистрибутива
- •Borland Pascal
- •Установка
- •Организация рабочей папки
- •Создание и настройка ярлыка
- •Пробный запуск
- •Предварительная настройка
- •Русификация консольного окна
- •Turbo Pascal School Pak
- •Приложение Б Консольная программа в среде Delphi
- •Создание пустого консольного приложения
- •Настройка и сохранение консольного приложения
- •Русификация консольного приложения
- •Приложение В Особенности IDE Pascal ABCNet
- •Приложение Ж Директивы управления компиляцией
- •Приложение З Назначение пунктов меню
- •Приложение И Стандартная кодировка символов MS-DOS
- •Приложение К Некоторые встроенные процедуры и функции
- •Приложение М Пример олимпиадной задачи
- •Библиография
Глава 42 Кто ищет, тот всегда найдет
Ах, время, время!
Принимаясь за что-либо, мы прикидываем, сколько времени займет то или иное дело. Поиск может отнять уйму времени, вот почему важно оценить его трудоемкость. Сравним алгоритмы поиска по затратам времени. Только время будем измерять не секундами, а особыми единицами — шагами поиска. Почему? Да потому, что у нас с вами разные компьютеры. Поскольку ваш «станок» мощнее, ту же работу он выполнит быстрее моего, а это нечестно! Мы ведь алгоритмы сравниваем, а не процессоры.
Если улыбнется удача, поиск завершится на первом шаге. Иногда — по закону подлости — тратится максимальное число шагов. Но эти крайние случаи — редкость; обычно поиск занимает какое-то промежуточное время, и наш эксперимент подтвердил это. Программистов интересует время поиска в двух случаях: в худшем, и в среднем (то есть, усредненное по многим случаям).
Начнем с линейного поиска. Очевидно, что в массиве из N элементов худшее время поиска составит N шагов. Что касается среднего времени, то чутье подсказывает, что оно составит половину максимального времени, то есть N/2. Судите сами: искомое число с равной вероятностью может оказаться и ближе и дальше середины массива. Табл. 7 подтверждает эту догадку, — среднее количество шагов там составило 455, что очень близко к значению 1000/2.
Теперь рассмотрим двоичный поиск. Вначале оценим худшее время. Рассудим так. Сколько шагов поиска нужно в массиве из одного элемента? Правильно, один. А теперь вспомним, что при двоичном поиске всякий раз отбрасывается половина оставшегося массива. Значит, посчитав, сколько раз число N делится пополам для получения единицы, мы определим максимальное число шагов. Так и поступим; следите, честно ли я «распилил» нашу тысячу:
1.1000 / 2 = 500
2.500 / 2 = 250
3.250 / 2 = 125
4.125 / 2 = 62
5.62 / 2 = 31
6.31 / 2 = 15
7.15 / 2 = 7
8.7 / 2 = 3
9.3 / 2 = 1
При делении я отбрасывал дробную часть, поскольку в двоичном алгоритме так и делается. Всего потребовалось 9 операций деления. Это значит, что максимальное число шагов поиска равно 10 (с учетом поиска в одном оставшемся элементе). Удивительная прозорливость, — ведь наш эксперимент (табл. 7) показал то же самое!
312
Глава 42 Кто ищет, тот всегда найдет
Теперь оценим среднее время двоичного поиска. Думаете, что оно составит 10/2 = 5 шагов? Как бы ни так! Дело в том, что любой алгоритм поиска в среднем исследует половину массива. Двоичный поиск отбрасывает половину массива на первом же шаге. А это значит, что в среднем число шагов будет всего лишь на единицу меньше худшего, то есть 9. Смотрим в табл. 7, — точно! Наша догадка подтвердилась! Таким образом, двоичный поиск не только быстрее линейного, но и более предсказуем: его худшее время почти не отличается от среднего.
Логарифмы? Это просто!
Разобравшись с тысячей элементов, оценим трудоемкость двоичного поиска при других размерах массива. Метод оценки остаётся тем же: делим размер массива пополам до получения единицы.
Для таких вычислений математики придумали особую функцию — логарифм (не путайте её с рифмой, ритмом и алгоритмом!). Логарифмы бывают разные: десятичные, натуральные и прочие. Нам интересен двоичный логарифм, который по-научному называется так: «логарифм числа N по основанию два». Математики записывают его следующим образом:
Log2 N
Связь между числом N и его двоичным логарифмом легко проследить на следующих примерах. Слева представлено разложение на множители нескольких чисел, а справа — двоичные логарифмы этих же чисел.
4 = 2 • 2 |
|
|
|
|
|
Log2 |
4 = 2 |
||||||
16 |
= |
2 |
• |
2 |
• |
2 |
• |
2 |
|
Log2 |
16 |
= |
4 |
64 |
= |
2 |
• |
2 |
• |
2 |
• |
2 |
• 2 • 2 |
Log2 |
64 |
= |
6 |
Итак, двоичный логарифм числа равен количеству двоек (ой, нехорошее слово!), перемножаемых для получения этого числа. Например, для получения числа 8 надо перемножить три двойки, и его логарифм равен трем. Кстати, для получения единицы из восьмерки, её тоже «пилят» пополам трижды. Значит, оба способа вычисления логарифма — через умножение, и через деление — равноценны.
Если вы завтра же не забросите программирование, то табл. 8 с логарифмами нескольких чисел ещё пригодится вам.
313
Глава 42 Кто ищет, тот всегда найдет
Табл. 8 – двоичные логарифмы некоторых чисел
N |
Log2 N |
N |
Log2 N |
N |
Log2 N |
N |
Log2 N |
2 |
1 |
32 |
5 |
512 |
9 |
8192 |
13 |
4 |
2 |
64 |
6 |
1024 |
10 |
16384 |
14 |
8 |
3 |
128 |
7 |
2048 |
11 |
32768 |
15 |
16 |
4 |
256 |
8 |
4096 |
12 |
65536 |
16 |
По таблице можно оценить как среднее, так и худшее время двоичного поиска: среднее время равно двоичному логарифму от размера массива, а худшее
—на единицу больше.
Акак определить логарифмы других чисел, например, числа 50? Поскольку оно лежит между 32 и 64, его логарифм должен быть где-то между 5 и 6? Так оно и есть: логарифм 50 равен приблизительно 5,64 (это я на калькуляторе посчитал). Но, поскольку мы применяем логарифмы для подсчета шагов поиска, то погрешностью в доли шага можно пренебречь. К чему мелочиться? Будем считать, что логарифм числа 50 тоже равен 6. Мало того, назначим это значение логарифма всем числам в промежутке от 33 до 64.
На рис. 93 сопоставлен рост числа с ростом его логарифма. Когда число увеличивается вдвое, его логарифм возрастает лишь на единицу. Вот почему с ростом размера массива время двоичного поиска растет так медленно (что очень радует нас!).
Так растет время линейного поиска
А так растет время двоичного поиска
Рис. 93 – Сравнение времени линейного и двоичного поиска
314
Глава 42 Кто ищет, тот всегда найдет
Итоги
∙Компьютерные базы данных (БД) содержат разнородную информацию, отдельные элементы которой связаны общим индексом.
∙Поиск в массиве состоит в определении индекса искомого элемента; зная индекс, можно извлечь всю прочую информацию о нужном объекте.
∙Для поиска применяют два способа: последовательный перебор и
двоичный поиск.
∙Последовательный перебор (линейный поиск) очень прост, но время поиска пропорционально размеру массива, что для больших объемов данных бывает неприемлемо.
∙Двоичный поиск очень быстр, – с ростом размера массива затраты времени на поиск растут по логарифмическому закону. Однако, двоичный поиск работает только в отсортированных массивах.
Аслабо?
А). Будет ли линейный поиск работать быстрее в сортированном массиве? Проверьте на практике.
Б) Сколько шагов двоичного поиска потребуется в массиве из миллиона элементов? А из миллиарда? Сравните с трудоемкостью линейного поиска.
В) Напишите полицейскую базу данных, содержащую номера автомобилей и сведения о владельцах. Данные должны вводиться из файла, каждая строка которого содержит номер автомобиля и сведения о владельце, например:
123 Горбунков С.С., ул. Тепличная, д. 21, тел. 11-22-33 35 Стелькин И.Н., ул. Тенистая, д. 5, тел. 33-22-11
Примените массивы и учтите опыт обработки классного журнала.
Г) Отсортируйте полицейскую базу данных и напишите программу для двоичного поиска в ней.
Д) Папа Карло опасался Буратино, и прятал спички в сейфе. Код замка из четырех цифр он доверил лишь своему приятелю — честному малому Джузеппе, который не поддавался ни на какие уговоры деревянного мальчишки. Тогда тот пустился на хитрость. Ладно, — предложил Буратино, — не можешь открыть мне код, — не надо. Давай тогда в игру сыграем: я буду спрашивать, а ты отвечай только «да» или «нет». Первый вопрос был таким: код замка больше 5000? Через несколько минут Буратино уже рылся в папином сейфе. Сделайте программу для быстрого угадывания числа методом Буратино. Роль Буратино (угадывающего) должен исполнять компьютер.
315