Решение задач с использованием компьютера основано на понятии алгоритма, который является точным описанием вычислительного процесса, ведущего от варьируемых начальных данных к конечному результату.
Алгоритмы заложены в основе каждой программы, а также они встречаются во многих сферах деятельности человека (например, рецепты, схема вязания или танца).
Алгоритмизация является техникой разработки алгоритма для решения задач на ЭВМ.
Понятие алгоритма
Алгоритм представляет собой точное описание определенного процесса, инструкцию по его выполнению.
Процесс разработки алгоритма - достаточно сложный и трудоемкий.
Можно также сказать, что алгоритм представляет собой конечную последовательность команд для исполнителя, направленную на достижение конкретной цели.
Цель же, в свою очередь, является достижением желаемого результата.
В качестве исполнителя могут выступать люди, живые существа, автоматические устройства, способные к исполнению и восприятию команд.
Перечень команд, воспринимаемых и выполняемых (по возможности) исполнителем, называют системой команд.
Каждый алгоритм предназначен для конкретного исполнителя. Исполнение алгоритма начинается с первой команды. После того, как ее исполнили, переходят к следующей команде и так до конца алгоритма.
В качестве примера алгоритма можно вспомнить известный всем со школы арифметический способ сложения двух положительных чисел «столбиком». Алгоритм данной задачи представим в виде системы следующих действий:
- выделим в слагаемых разряды единиц и сложим единицы;
- при получении суммы меньшей 10 запишем ее в разряде единиц под нижним числом;
- при получении суммы большей или равной 10 запишем в разряде единиц только количество единиц, затем выделим в слагаемых разряд десятков и запишем полученный при сложении единиц десяток над разрядом десятков первого (верхнего) слагаемого;
- сложим десятки и т. д.
Аналогичные указания дают для сложения единиц других разрядов числа. Системой-исполнителем этого алгоритма может стать как ЭВМ, так и человек.
Понятие алгоритма в теорию и практику обучения вошло в конце $50$-х годов прошлого столетия в связи с развитием программированного обучения и применением обучающимися машин.
Способы описания алгоритмов
Существуют различные способы описания алгоритмов. Приведем основные из них:
- словесный (пошаговое описание);
- табличный и в виде формул;
- графический (в виде схем);
- с использованием псевдокода (алгоритмического языка).
Алгоритмический язык является формальным языком, предназначенным для записи алгоритма. В его состав входят набор основных символов (алфавит), система точных правил построения текстов (синтаксис) и система соответствия синтаксически допустимых текстов языка описываемым действиям и объектам (семантика).
Множество языков программирования, используемых при ре¬шении задач на ЭВМ, являются алгоритмическими.
Псевдокод представляет собой способ описания логики программы до начала ее программирования и занимает промежуточное положение между машинным языками и естественными.
Под схемой алгоритма понимают графическое пред¬ставление последовательности шагов алгоритма, наглядно показывающее взаимосвязь опера¬ций, которые осуществляются в алгоритме на каждом шаге, и их очередность. Другими словами, для графического изображения структуры алгоритма используется блок-схема.
В соответствии с блок-схемой последовательность действий указывается с по¬мощью стрелок, которые соединяют отдельные блоки и показывают, какой блок и за каким должен быть выполнен.
Свойства алгоритмов
Существует ряд определенных требований к алгоритмам. Перечислим семь важных свойств, которыми должен обладать каждый алгоритм:
- Наличие ввода исходных данных.
- Наличие вывода результата выполнения.
- Однозначность, так как компьютеру понятны лишь однозначные инструкции.
- Общность, в соответствии с которой алгоритм может использоваться не только для решения одной задачи, но и целого класса задач.
- Корректность, согласно которой при выполнении алгоритма должно быть всегда правильное решение задачи.
- Конечность означает, что решение задачи необходимо получить за конечное число шагов.
- Эффективность означает, что для решения задачи необходимо использовать ограниченные ресурсы компьютера (объем оперативной памяти, процессорное время и т. д.).
Эффективность алгоритма определяют с учетом потребляемых ресурсов компьютера, к которым относят быстродействие (количество выполняемых операций и затраты трудоемкости на каждую из них) и общий объем оперативной памяти, которая выделяется под данные. Приведенные показатели могут иногда быть противоречивыми: так в результате повышения быстродействия могут потребоваться дополнительные расходы памяти и наоборот. При возможности улучшения одного показателя без ущерба для другого необходимо этого добиваться. В случаях, когда возникает дилемма, рекомендуется предпочесть экономию памяти в ущерб производительности, поскольку тактовая частота процессоров растет опережающими темпами по сравнению с объемами оперативной памяти.
Специалистами предлагается ряд мер для повышения эффективности.
Блок-схемы
Основные алгоритмические структуры изображаются с помощью специальных графических символов. Все составляющие блок-схемы соединяются между собой в той последовательности, в какой они должны быть исполнены.
Кроме того, в алгоритмах используются разветвляющие и циклические блоки.
Обязательными блоками являются блоки начала и конца алгоритма. Между ними размещаются остальные блоки алгоритма.
Операторный блок (блок действия) содержит команды обработки данных.
Блок проверки условия предполагает 2 варианта дальнейшего развития решения задачи, в зависимости от того или иного выполнения поставленного условия.
Блоки ввода или вывода данных. Для выполнения алгоритма необходимы не только команды, но и данные, поступающие из вне. Для получения этих данных используется блок ввода. Для того, чтобы можно было вывести результат выполнения программы, либо какое-нибудь сообщение используют блок вывода.
Ниже на рисунке представлены графические изображения основных блоков алгоритма.
