Алгоритмы определение примеры алгоритмов кратко

Обновлено: 07.07.2024

Геометрия развивает геометрическое мышление, математика — абстрактное математическое, логика — логическое, физика — физическое… А какое мышление развивает информатика? Информатика есть наука, служащая информационным технологиям. Но фундаментальными достижениями этой науки оказались не сами технологии, а общие методы построения систем и решения сложных задач. Базисом этих методов являются алгоритмы и системный подход к решению задач. Поэтому информатика развивает алгоритмическое мышление и учит системному подходу к решению задач.

Сегодня мы познакомимся с понятиями алгоритма и исполнителя. Оказывается, не так-то просто понять, чем определяется сущность алгоритма.

Понятие алгоритма — одно из основных в программировании и информатике [1] . Это последовательность команд, предназначенная исполнителю, в результате выполнения которой он должен решить поставленную задачу. Алгоритм должен описываться на формальном языке, исключающем неоднозначность толкования. Исполнитель может быть человеком или машиной. Исполнитель должен уметь выполнять все команды, составляющие алгоритм. Множество возможных команд конечно и изначально строго задано. Действия, выполняемые по этим командам, называются элементарными.

Приведём для примера простой алгоритм действия пешехода, который позволит ему безопасно перейти улицу:

Подойти к дороге.
Дождаться зелёного сигнала светофора.
Перейти дорогу.
Если впереди есть ещё одна дорога, то перейти к шагу 1.

Алгоритмы обладают свойством детерминированности (определённости): каждый шаг и переход от шага к шагу должны быть точно определены так, чтобы его мог выполнить любой другой человек или механическое устройство.

Кроме детерминированности, алгоритмы также должны обладать свойством конечности и массовости:

Конечность Алгоритм всегда должен заканчиваться за конечное число шагов, но это число не ограничено сверху. Массовость Алгоритм применяется к некоторому классу входных данных (чисел, пар чисел, набору букв и тому подобному). Не имеет смысла строить алгоритм нахождения наибольшего общего делителя только для одной пары чисел 10 и 15.

Операция суммирования бесконечного ряда не является элементарной ни для современных компьютеров, ни для человека, а если разложить эту операцию на отдельные шаги сложения, то получим бесконечное число шагов. Алгоритмы же по определению должны выполняться за конечное число шагов и через конечное число шагов предоставлять результат вычислений.

Алгоритмы по определению должны сводиться к последовательности элементарных действий над элементарными объектами. Какие действия и объекты элементарны, а какие — нет, зависит от исполнителя (вычислительной машины). Набор элементарных действий и элементарных объектов для каждого исполнителя чётко зафиксирован. Элементарные действия оперируют с небольшим числом элементарных объектов. Все остальные объекты и действия являются совокупностью элементарных. В современных компьютерах рациональные числа и иррациональные числа не являются элементарными объектами [3] . Элементарным объектом в современных компьютерах является бит — это ячейка памяти, в которую может быть записано число 0 или 1. С помощью набора бит можно записывать целые и действительные числа. В частности, существует простой способ представить целые числа от 0 до 2 8 − 1 = 255 -1=255> в виде последовательности 8 бит:

0	→ 00000000
1	→ 00000001
2	→ 00000010
3	→ 00000011
4	→ 00000100
5	→ 00000101
…	→ …
250	→ 11111010
251	→ 11111011
252	→ 11111100
253	→ 11111101
254	→ 11111110
255	→ 11111111

Указанный способ представления натуральных чисел в виде последовательности нулей и единиц называется двоичной записью числа. Каждому биту в этом представлении соответствует степень двойки. Самому правому биту соответствует 1 = 2 0 > , второму справа — 2 = 2 1 > , третьему справа — 4 = 2 2 > , и так далее. Двоичная запись соответствует разложению числа в сумму неповторяющихся степеней двойки. Например:

Конечный набор элементарных объектов может принимать лишь конечное число значений. Так, например, упорядоченный набор 8 бит (один байт) имеет 256 возможных значений. Из этого простого факта следует очень важное утверждение: среди команд исполнителя не может быть команд сложения или умножения произвольных натуральных (действительных) чисел.

При изучении языка программирования, вы встретитесь с таким явлением, как переполнение — ситуация, когда результат элементарной арифметической операции выходит за пределы подмножества чисел, которые можно записать в выбранном машинном представлении.

Итак, для компьютеров лишь некоторые действительные числа являются элементарными объектами [4] Множество этих чисел конечно. Какие именно действительные числа элементарны, зависит от используемого машинного представления. Многие современные процессоры поддерживают несколько типов машинного представления действительных чисел. Целые числа практически везде представляются одинаковым образом. В процессорах с 32-битной архитектурой большая часть команд связана с числами, записанными в 32 битах. При представлении неотрицательных чисел в 32 бита помещается просто двоичная запись. Множество представимых таким образом чисел — это все неотрицательные числа меньше 2 32 > . Этому машинному представлению в языке Си соответствует тип данных unsigned int . Если мы попытаемся сложить с помощью команды процессора два числа типа unsigned int , сумма которых больше либо равна 2 32 > , то возникнет переполнение — старший 33-й бит результата будет утерян.

У каждого исполнителя есть конечный набор элементарных команд (действий), оперирующих элементарными объектами, которых также конечное число.

В компьютерах элементарным объектом является бит. Есть несколько стандартных способов записи чисел (действительных, целых, и целых неотрицательных) в виде последовательности бит фиксированной длины.

Алгоритм входным данным сопоставляет выходные данные и этим он чем-то похож на обыкновенную функцию. Но главной особенностью алгоритма является то, что он содержит описание того, как это сделать. Функция может быть задана неявно, а алгоритм — нет. Алгоритм описывает, что нужно сделать с входными данными, чтобы получить результат. При этом предполагается, что инструкции алгоритма выполняет исполнитель с ограниченными способностями: собственная память исполнителя конечна, также конечен и чётко зафиксирован набор инструкций, которые он может исполнять. В большинстве классических исполнителей присутствует внешняя память, которая в принципе не ограничена. Например у человека под рукой есть сколь угодно много листов бумаги, уложенных в бесконечный ряд (ячеек памяти), которые он может использовать. Заметьте, что информация о том, что на каком листке записано в какой-то момент может не поместиться в конечную память исполнителя и эту информацию ему также нужно будет записывать на листах.

Алгоритмы можно описывать человеческим языком — словами. Так и в математике — все теоремы и утверждения можно записывать без специальных обозначений. Но специальный формальный язык записи утверждений сильно облегчает жизнь математикам: исчезает неоднозначность, появляются краткость и ясность изложения. Всё это позволяет математикам говорить и писать на одном языке и лучше понимать друг друга.

Большинство используемых в программировании алгоритмических языков имеют общие черты. В то же время, не всегда целесообразно пользоваться каким-либо конкретным языком программирования и загромождать изложение несущественными деталями. Здесь мы будем использовать псевдокод, который похож на язык Pascal, но не является таким строгим.

Разницу между программой и алгоритмом можно пояснить следующим образом. Алгоритм — это метод, схема решения какой-то задачи. А программа — это конкретная реализация алгоритма, которая может быть скомпилирована и выполнена на компьютере. Алгоритм, в свою очередь, является реализацией идеи решения. Это можно проиллюстрировать следующей схемой:

Идея решения → Алгоритм → Программа

Стрелка означает переход к следующему этапу решения задачи с повышением уровня подробности описания метода решения.

Запишем этот алгоритм с помощью псевдокода.

Псевдокод 1. Алгоритм Евклида

Покажем, что наш алгоритм нахождения НОДа чисел a и b .

В математике для описания функций часто используются рекуррентные соотношения, в которых значение функции определяется через её значение при других (обычно меньших) аргументах. Наиболее известным примером является последовательность Фибоначчи 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, …, определяемая следующими соотношениями:

Используя это рекуррентное соотношение, можно построить рекурсивный алгоритм вычисления чисел Фибоначчи:

Псевдокод 2. Числа Фибоначчи

При анализе рекурсивной функции обычно возникает два вопроса: почему функция работает правильно и почему она завершает работу? Ответ на первый вопрос обычно прост, — если рекуррентные отношения правильны и интерпретатор (компилятор) сработал правильно, то единственное значение, которое может вернуть программа, — правильное. Но есть ещё другая альтернатива — программа может не закончить свою работу [5] .

Наибольший интерес в этом алгоритме представляет строчка 5:

Рис. 1. Дерево рекурсивных вызовов для F 6 > .

Для того, чтобы рекурсивный алгоритм заканчивал свою работу, необходимо, чтобы дерево рекурсивных вызовов при любых входных данных обрывалось и было конечным. В данном примере дерево рекурсивных вызовов обрывается на F 1 > и F 2 > , для вычисления которых не используются рекурсивные вызовы.

Пользоваться рекурсивными алгоритмами нужно осторожно, так как они могут быть очень неэффективными с точки зрения времени работы. К сожалению рекурсивные алгоритмы не всегда являются хорошими. Попробуем оценить количество операций, необходимых для того, чтобы вычислить n -й член последовательности Фибоначчи (здесь под операцией мы понимаем строчку в программе). Обозначим это число как T ( n ) .

Как мы видим, в данном случае рекурсивный алгоритм оказался существенно менее эффективным (дольше работающим при больших n ), нежели нерекурсивный алгоритм.

Но это не значит, что использовать рекурсию не надо. Рекурсия очень важный и удобный инструмент программирования. С помощью рекурсии успешно реализуют важный подход к решению задач: разделяй и властвуй.

Псевдокод 3. Числа Фибоначчи: нерекурсивный алгоритм

От экспоненциального роста времени вычисления рекурсивных алгоритмов легко избавится с помощью запоминания вычисленных значений. А именно, в памяти хранят вычисленные значения, а в начале функции помещается проверка на то, что требуемое значение уже вычислено и хранится в памяти. Если это так, то это значение возвращается как результат, а вычисления и рекурсивные вызовы осуществляются лишь в том случае, когда функция с такими аргументами ещё ни разу не вызывалась. Подробнее этот метод мы рассмотрим при изучении динамического программирования.

Псевдокод 4. Ханойские башни

Здесь мы сформулируем несколько простых алгоритмических задач, которые полезно прорешать, чтобы освоится с понятием алгоритма.

Сколько раз в рекурсивном алгоритме вычисления Fibo(10) будет вызвана процедура вычисления Fibo(1) ?

Сколько раз в рекурсивном алгоритме вычисления Fibo(n) будет вызвана процедура вычисления Fibo(m) ?

Напишите рекурсивный алгоритм вычисления n ! = 1 ⋅ 2 ⋅ ⋯ ⋅ n на псевдокоде.

Квадратный бумажный лист сложили пополам по вертикали (так, что изгиб шёл посредине, сверху вниз) (1-я операция), потом по горизонтали (2-я операция), затем снова по вертикали (3-я операция) и так далее, сделав всего n операций. Затем сделали разрез по горизонтали. Напишите рекурсивный алгоритм, вычисляющий число получившихся бумажек.

Дано множество прямых на плоскости, никакие три из которых не пересекаются в одной точке. Напишите рекурсивный алгоритм (псевдокод) закраски получившихся многоугольников в чёрный и белый цвета так, чтобы многоугольники одного цвета не имели общей стороны.

Рассмотрим следующее рекуррентное соотношение для функции f ( n ) = a n >> :

Аннотация: Алгоритм является базовым понятием для тех, кто хочет начать программировать на любом языке программирования. Любая задача может быть формализована алгоритмически. Чтобы понять, с чего начать, рассмотрим основные виды алгоритмов. Цель данной лекции – ознакомить студентов с понятием алгоритма; показать, что такая абстрактная вещь как алгоритм окружает нас в повседневной жизни.

Существует несколько определений понятия алгоритма. Приведем два самых распространенных.

Алгоритм – последовательность чётко определенных действий, выполнение которых ведёт к решению задачи. Алгоритм, записанный на языке машины, есть программа решения задачи.

Алгоритм – это совокупность действий, приводящих к достижению результата за конечное число шагов.

Вообще говоря, первое определение не передает полноты смысла понятия алгоритм. Используемое слово "последовательность" сужает данное понятие, т.к. действия не обязательно должны следовать друг за другом – они могут повторяться или содержать условие.

Дискретность (от лат. discretus — разделенный, прерывистый) – это разбиение алгоритма на ряд отдельных законченных действий (шагов).
Детерминированность (от лат. determinate — определенность, точность) - любое действие алгоритма должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае. Например, алгоритм проезда к другу, если к остановке подходят автобусы разных маршрутов, то в алгоритме должен быть указан конкретный номер маршрута 5. Кроме того, необходимо указать точное количество остановок, которое надо проехать, скажем, три.
Конечность – каждое действие в отдельности и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения.
Массовость – один и тот же алгоритм можно использовать с разными исходными данными.
Результативность – алгоритм должен приводить к достоверному решению.

Основная цель алгоритмизации – составление алгоритмов для ЭВМ с дальнейшим решением задачи на ЭВМ.

Любой прибор, купленный в магазине, снабжается инструкцией по его использованию. Данная инструкция и является алгоритмом для правильной эксплуатации прибора.
Каждый шофер должен знать правила дорожного движения. Правила дорожного движения однозначно регламентируют поведение каждого участника движения. Зная эти правила, шофер должен действовать по определенному алгоритму.
Массовый выпуск автомобилей стал возможен только тогда, когда был придуман порядок сборки машины на конвейере. Определенный порядок сборки автомобилей – это набор действий, в результате которых получается автомобиль.

Существует несколько способов записи алгоритмов. На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов:

словесная (запись на естественном языке);
псевдокоды (полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке, включающие в себя как элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и др.);
графическая (изображения из графических символов – блок-схема);
программная (тексты на языках программирования – код программы).

Рассмотрим подробно каждый вариант записи алгоритмов на примере следующей задачи. Требуется найти частное двух чисел.

Словесный способ записи алгоритмов представляет собой описание последовательных этапов обработки данных. Алгоритм задается в произвольном изложении на естественном языке. Ответ при этом получает человек, который выполняет команды согласно словесной записи.

Пример словесной записи:

задать два числа, являющиеся делимым и делителем;
проверить, равняется ли делитель нулю;
если делитель не равен нулю, то найти частное, записать его в ответ;
если делитель равен нулю, то в ответ записать "нет решения".

Словесный способ не имеет широкого распространения, так как такие описания: строго не формализуемы; страдают многословностью записей; допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.

Псевдокод занимает промежуточное место между естественным и формальным языками. С одной стороны, он близок к обычному естественному языку, поэтому алгоритмы могут на нем записываться и читаться как обычный текст. С другой стороны, в псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи. В псевдокоде не приняты строгие синтаксические правила для записи команд, присущие формальным языкам, что облегчает запись алгоритма на стадии его проектирования и дает возможность использовать более широкий набор команд, рассчитанный на абстрактного исполнителя. Однако в псевдокоде обычно имеются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от записи на псевдокоде к записи алгоритма на формальном языке. Ответ при этом получает человек, который выполняет команды согласно псевдокоду.

С помощью компьютера специалисты по информационным системам записывают новые программы, а также анализируют работу и исправляют ошибки в уже имеющихся. Но всё это невозможно совершить без знания алгоритмов. В информатике к изучению этого понятия приступают ещё в школе. Ученики получают первое представление о разных видах алгоритмов, их свойствах и способах создания.

Особенности понятия

Современное определение алгоритма в информатике — это описание действий, последовательное выполнение которых позволяет решить поставленную задачу за конкретное количество шагов.

С этим человек сталкивается каждый день, когда читает рецепты в кулинарных книгах, инструкции к различной технике, правила решения заданий. Но обычно все эти действия выполняются автоматически, без их анализа. Родители сталкиваются с этим понятием, когда объясняют детям, как открыть двери ключом или почистить зубы. Алгоритмов в окружающем мире множество, но есть общие признаки для всех их видов.

Свойства и виды

Для изучения понятия нужно разобраться в свойствах алгоритма в информатике. Их существует несколько:

дискретность;
детерминированность или определенность;
понятность;
завершаемость или конечность;
массовость или универсальность;
результативность.

Согласно свойству дискретности, алгоритмы должны описывать весь процесс решения задания в виде выполнения простых шагов. При этом на пункты отводится определенное количество времени. Каждый шаг должен определяться состоянием системы, то есть при одних и тех же исходных данных результат не меняется. Но есть и вероятностные алгоритмы, где пункты зависят от системы и случайно генерируемых чисел. В этой ситуации понятие становится подвидом обычного.

Понятность заключается в том, что команды алгоритма должны быть доступны конкретному исполнителю и входить в его личную систему. В ходе работы математическая функция при правильно заданных исходных данных выдает результат за определенное количество шагов. Иногда процедура может не завершиться, но вероятность таких случаев стремится к нулю.

Универсальность или массовость позволяет использовать алгоритм с разными наборами начальных данных. Последнее свойство обеспечивает его завершение в виде определенного числа — результата.

У каждого алгоритма есть свои начальные условия, цели и пути решения задачи. Существует большая разница между вычислительными и интерактивными видами. Происхождение первых связано с опытами ученого Тьюринга, они могут преобразовать входные данные в выходные. Вторые предназначены для связи с объектом управления, они работают только под внешним воздействием. Ученые выделяют несколько видов алгоритмов в информатике:

детерминированные или жесткие;
гибкие;
линейные;
разветвляющиеся;
циклические;
вспомогательные;
структурные блок-схемы.

Жесткие еще называются механическими, так как чаще всего они используются для работы двигателя или машины. Они задают действия в единственно верной последовательности, что приводит к искомому или требуемому результату при условии выполнения процессов, для которых они и разработаны.

Гибкие алгоритмы делятся на эвристические и вероятностные. Первые используются при различных умственных выводах без строгих аргументов, а вторые дают возможность получить один результат несколькими способами.

Линейный тип — это набор команд, которые выполняются в строгой последовательности. Разветвляющийся включает хотя бы одно условие и при проверке дает разделение на несколько блоков. Появляются альтернативные ветвления программы.

В циклических видах несколько раз повторяются одни и те же действия, при этом меняются исходные данные. Сюда относятся переборы вариантов и бо́льшая часть способов расчета. Циклом в этом случае называют последовательность команд, которые нужно выполнить множество раз для достижения требуемого результата.

Подчиненный или вспомогательный вид является ранее разработанным алгоритмом для быстрого решения задачи. Он необходим для сокращения записи, если в структуре есть одинаковые команды. Схемами называются графические изображения с помощью блоков и соединяющих их прямых линий. Их используют перед программированием в качестве наглядных примеров, поскольку зрительное восприятие позволяет быстрее осмыслить процесс обработки информации и выявить возможные ошибки. В блоках отображаются исходные данные, которые вносятся в компьютер для вычислений.

Способы записи

Алгоритмы записываются несколькими методами. В информатике используется всего три:

словесно-формульный;
графический;
программный.

В первом случае алгоритм записывается простым языком — словами и математическими формулами, что необходимо для понимания его теории. Здесь учитываются исходные данные, действия с ними и условия получения результата. Второй тип записи — компьютерное описание. Для этого применяются языки программирования и сами программы — форсы представления расчетов для их выполнения машиной.

Графическое описание состоит из связанных между собой географических фигур. Основные элементы блок-схем:

прямоугольники;
эллипсы;
ромбы;
шестиугольники;
стрелки;
пунктирные линии;
соединительные фигуры.

В прямоугольниках записывают процессы, они указывают на выполнение операций, которые изменяют форму или значение данных. Ромбы содержат способы решения, здесь выбирается следующее направление в зависимости от поставленных условий. Модификации могут передаваться в шестиугольниках, где записываются операции, меняющие команды.

В блок-схемах можно выделить ручной ввод и предопределенные процессы. Первая фигура позволяет исполнителю ввести данные во время работы алгоритма через устройства, подключенные к компьютеру. Второе понятие заключается в использовании заранее записанных алгоритмов.

Графическое изображение содержит блоки документов и дисплеев. Оператор может вводить данные с бумаги и выводить их на нее, а также с помощью устройств, которые воспроизводят информацию на экране (проекторы для интерактивных досок, подключенные к компьютерам планшеты и ноутбуки).

Линии и соединительные фигуры указывают на связи между разными блоками и их последовательность. В схеме есть блоки начала и конца алгоритма, его прерывания, которое может произойти из-за сбоев в программе. Можно также указывать комментарии и пояснения исполнителя, для этого есть отдельные фигуры.

Правила создания

Существует несколько правил создания алгоритмов. Если их соблюдать, то в ходе работы всегда будет верный результат. Форма должна быть настолько простой, чтобы ее понял тот, кто занимается ее разработкой. Также не должно возникнуть проблем с чтением у того, кто будет выполнять описанные действия.

Объект, который проводит расчеты в алгоритме, называется исполнителем. Идеальными считаются роботы, компьютеры и другие машины. Они работают с программами, то есть схемами, написанными определенным языком программирования.

Разобраться с действиями помогут простые примеры алгоритмов по информатике. Когда есть ряд чисел от 1 до 100 и необходимо найти из них простые, то выбираются те, что делятся на единицу и себя. В этом случае используется циклическая структура:

сначала нужно взять число 1;
проверить, меньше ли оно, чем 100;
если да, то узнать, простое ли оно;
при выполнении условия записать;
перейти к числу 2;
повторить операцию.

Такие действия проводят со всеми числами. При этом первые четыре шага будут постоянно повторяться. Если попадается число, не являющееся простым (4, 6, 8 и т. д. ), то его нужно просто пропустить. Алгоритм в этом случае обладает предусловиями, то есть проверки происходят в начале цикла.

Анализ работы

Распространение информационных технологий привело к увеличению риска сбоев в работе программ. Предотвратить появление ошибок в алгоритмах можно с помощью доказательства их корректности математическими средствами. Такой анализ называется формальным методом, он предусматривает использование специального набора инструментов.

Гипотеза Ричарда Мейса утверждает, что избежать ошибок легче, чем их устранить. Благодаря доказательству корректности программ можно выявить их свойства, применяемые ко всем видам входных данных. Само понятие делится на две разновидности — частичную и полную. При первом типе корректности алгоритм дает правильный результат только для тех случаев, когда он завершается. Во втором случае программа завершает работу корректно для всего диапазона данных.

Исполнители во время проверки сравнивают выдаваемые данные со спецификой требуемого результата. Для доказательства корректности используются предусловия и постусловия. Первые должны выполняться перед включением программы, вторые — после завершения ее работы. Формальные методы успешно применяются для многих задач: верификации программ и микропроцессоров, разработки искусственного интеллекта, электронных схем и автоматических систем для железной дороги, спецификации стандартов.

Для выполнения алгоритма нужно только конкретное количество шагов, но на практике для этого потребуется много времени. В связи с этим введено понятие сложности. Она бывает временной, вычислительной и связанной с размерами алгоритма. Для увеличения эффективности используются быстрые программы, которые появились еще в 50-х годах прошлого века.

Во многих отраслях человеческой деятельности для достижения требуемого результата используются инструкции, содержащие описания последовательности действий. Например, такая простая задача, как чистка зубов, разбивается на несколько "шагов": намочить водой зубную щётку, выдавить на неё из тюбика зубную пасту, почистить зубы, сполоснуть рот и щётку. Для решения других задач (например, владение в совершенстве иностранным языком) может выстраиваться более длинная последовательность действий и потребуется гораздо больше усилий. Но решение любой задачи, простой или сложной, обычно осуществляется за несколько последовательных "шагов".

Алгоритм – это упорядоченная конечная последовательность шагов в решении задачи, приводящая от исходных данных к требуемому результату, представленная с помощью точных и понятных команд.

- изготовление бумажного кораблика

- алгоритм подготовки домашнего задания по математике

- алгоритм приготовления кекса

Чтобы составить алгоритм для конкретной задачи, нужно иметь полный набор исходных данных и чёткое представление ожидаемого результата. Например, алгоритмы заваривания чая в заварочном чайнике и с помощью чайного пакетика будут отличаться.

Читайте также: