Блок схемы по информатике. Что такое блок-схема. Основные элементы схем алгоритма

Разработка блок-схемы алгоритма решения задачи

Цель работы : изучение графического способа описания алгоритма решения задачи.

Задачи работы :

ознакомиться с основными способами представления алгоритмов;

освоить графический способ описания алгоритмов.

1.1. Порядок выполнения работы

Изучите теоретические сведения по теме данного раздела (п. 1.2)

Ознакомьтесь с постановкой задачи (п. 1.3). Вариант задания соответствует вашему номеру в списке группы.

Разработайте блок-схему алгоритма решения поставленной задачи.

Ответьте на контрольные вопросы.

Подготовьте отчет о выполнении практической работы, который должен содержать:

титульный лист;

цель практической работы;

постановку задачи;

блок-схему алгоритма решения поставленной задачи;

ответы на контрольные вопросы;

выводы по практической работе.

1.2. Общие сведения

Одним из наиболее трудоемких этапов решения задачи на ЭВМ является разработка алгоритма.

Под алгоритмом понимается точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату.

Основными характерными свойствами алгоритма являются:

детерминированность (определенность) – при заданных исходных данных обеспечивается однозначность искомого результата;

массовость – пригодность для задач данного типа при исходных данных, принадлежащих заданному подмножеству;

результативность – реализуемый вычислительный процесс выполняется за конечное число этапов с выдачей осмысленного результата;

дискретность – возможность разбиения алгоритма на отдельные этапы, выполнение которых не вызывает сомнений.

Выделяют следующие типы вычислительных процессов :

Линейный вычислительный процесс.

Для получения результата необходимо выполнить некоторые операции в определенной последовательности.

Разветвленный вычислительный процесс.

Конкретная последовательность операций зависит от значений одного или нескольких параметров. Например, если дискриминант квадратного уравнения не отрицателен, то уравнение имеет два корня, а если отрицателен, то действительных корней нет.

Циклический вычислительный процесс

Для получения результата некоторую последовательность действий необходимо выполнить несколько раз. Например, для того, чтобы получить таблицу значений функции на заданном интервале изменения аргумента с заданным шагом, необходимо соответствующее количество раз определить следующее значение аргумента и посчитать для него значение функции.

В свою очередь, существуют также несколько типов циклического вычислительного процесса , а именно:

Счетные циклы (циклы с заданным количеством повторений) – ­­ это циклические процессы, для которых количество повторений известно.

Итерационные циклы – это циклические процессы, завершающиеся по достижении или нарушении некоторых условий.

Поисковые циклы – это циклические процессы, из которых возможны два варианта выхода:

Выход по завершению процесса;

Досрочный выход по какому-либо дополнительному условию.

По типу вычислительного процесса, реализуемого алгоритмом, различают:

Алгоритмы линейной структуры;

Алгоритмы разветвленной структуры;

Алгоритмы циклической структуры.

Алгоритмы решения практических задач обычно имеют комбинированную структуру, то есть включают в себя все три типа вычислительных процессов.

К изобразительным средствам описания алгоритмов относятся следующие основные способы их представления:

Словесный (записи на естественном языке);

Структурно-стилизованный (записи на алгоритмическом языке и псевдокод);

Графический (изображение схем и графических символов);

Программный (тексты на языках программирования).

Словесный способ описания алгоритма представляет собой описание последовательных пронумерованных этапов обработки данных и задается в произвольном изложении на естественном языке.

Пример 1.1.

Алгоритм сложения двух чисел (a и b).

Спросить, чему равно число a.

Спросить, чему равно число b.

Сложить a и b, результат присвоить с.

Сообщить результат с.

Достоинством данного способа является простота описания, а к недостаткам можно отнести то, что такой подход многословен и не имеет строгой формализации, поэтому допускает неоднозначность толкования отдельных предписаний, в силу чего словесный способ представления алгоритма не имеет широкого распространения.

Для строгого задания различных структур данных и алгоритмов их обработки требуется иметь такую систему формальных обозначений и правил, чтобы смысл всякого используемого предписания трактовался точно и однозначно. Соответствующие системы правил называются языками описаний . К ним относятся алгоритмические языки (псевдокоды), блок-схемы и языки программирования.

Структурно-стилизованный способ описания алгоритма основан на записи алгоритмов в формализованном представлении предписаний, задаваемых путем использования ограниченного набора типовых синтаксических конструкций, называемых часто псевдокодами.

Достоинством псевдокодов является близость к языкам программирования, а недостатками, в свою очередь, являются сложность освоения и невозможность непосредственного ввода алгоритма для решения на ЭВМ, т.е. необходимость перевода на язык программирования.

Графический способ описания алгоритма предполагает, что для описания структуры алгоритма используется совокупность графических изображений (блоков), соединяемых линиями передачи управления. Такое изображение называется методом блок-схем .

Блок-схема алгоритма – это графическое представление хода решения задачи. Блок-схема состоит из блоков, соединенных линиями, а блоки изображаются в виде геометрических фигур, называемых символами. Внутри символов записываются указания о выполняемых блоком функциях – формулы, текст, логические выражения. Вид символов и правила выполнения блок-схем стандартизированы – ГОСТ 19.701-90 содержит перечень символов, их наименования, отображаемые функции, формы и размеры, а также правила выполнения схем. При разработке алгоритма каждое действие обозначают соответствующим блоком, показывая их последовательность линиями со стрелками на конце. Названия, обозначения и назначение элементов блок-схем приводится на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Основные блоки

Следует упомянуть некоторые основные правила выполнения блок-схем, которыми надлежит руководствоваться при графическом описании алгоритмов. Начало алгоритмов отмечается символом "Терминатор", из которого выходит одна линия. В нем записывается слово "Пуск" ("Начало"). Конец алгоритма отмечается этим же символом, в котором записывается слово "Останов" ("Конец"). В этом случае данный символ не имеет ни одной выходной линии, а на него может замыкаться одна или более линий. Символ “Процесс” может иметь одну или несколько входных линий и только одну выходную. Внутри символа может быть записано несколько предписаний – в этом случае они выполняются в порядке записи. Представление отдельных операций достаточно свободно. Для обозначения вычислений можно использовать математические выражения, для пересылки данных – стрелки, для других действий – пояснения на естественном языке, например, А: = Х + 4; i: = i + 1, ––> B.

Линии потока должны быть параллельны сторонам листа. Основные направления линий потока – сверху вниз и слева направо – стрелкой не обозначаются. В других случаях на конце линии потока ставится стрелка, а в месте слияния линий ставится точка. Если блок-схема не умещается на одном листе, используют соединители. При переходе на другой лист или получении управления с другого листа в комментарии указывается номер листа, например "с листа 3" "на лист 1".

Для записи алгоритма любой сложности достаточно трех базовых структур :

следование - обозначает последовательное выполнение действий (рис. 1.2, а);

ветвление - соответствует выбору одного из двух вариантов действий (рис. 1.2, б);

цикл-пока - определяет повторение действий, пока не будет нарушено условие, выполнение которого проверяется в начале цикла (рис. 1.2, в).

Рисунок 1.2 – Базовые алгоритмические структуры

Кроме этого, при описании алгоритмов используются дополнительные алгоритмические структуры , производные от базовых, каждая из которых может быть реализована через базовые структуры:

выбор - выбор одного варианта из нескольких в зависимости от значения некоторой величины (рис. 1.3, а, б);

цикл-до - повторение некоторых действий до выполнения заданного условия, проверка которого осуществляется после выполнения действий в цикле (рис. 1.3, в, г);

цикл с заданным числом повторений (счетный цикл ) – повторение некоторых действий указанное число раз (рис. 1.3, д, е).

Рисунок 1.3 – Реализация дополнительных алгоритмических структур

через базовые структуры

Рассмотрим примеры графического описания алгоритмов различных типов: линейного, разветвляющегося, циклического и комбинированного (рис. 1.4 – 1.7).

Пример 1.2. Линейный алгоритм.

Алгоритм вычисления значения выражения K=3b+6а (рис. 1.4) .

Рисунок 1.4 – Пример блок-схемы линейного алгоритма

Пример 1.3. Разветвляющийся алгоритм.

Алгоритм, определяющий, пройдет ли график функции y=3x+4 через точку с координатами x1,y1 (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Пример блок-схемы разветвляющегося алгоритма

Пример 1.4. Циклический алгоритм.

Алгоритм, определяющий факториал натурального числа n (рис. 1.6):

n ! = 1*2*3*….*(n -1)* n

5!=1*2*3*4*5=120

Рисунок 1.6 – Пример блок-схемы циклического алгоритма

Пример 1.5. Комбинированный алгоритм.

Необходимо определить наибольший общий делитель двух натуральных чисел А и В.

Для решения поставленной задачи используем алгоритм Евклида, который заключается в последовательной замене большего из чисел на разность большего и меньшего, пока числа не станут равны. Рассмотрим данный алгоритм на двух примерах.

Пример (а): А=225, В=125. Применяя алгоритм Евклида, получаем для А и В наибольший общий делитель, равный 25.

Пример (б): А=13, В=4. В этом случае наибольший общий делитель А и В равен 1.

				B
		50-25=25

Блок-схема алгоритма Евклида для нахождения наибольшего общего делителя двух натуральных чисел показана на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 – Пример блок-схемы комбинированного алгоритма

Блок-схема алгоритма детально отображает все особенности разработанного алгоритма, но иногда такой высокий уровень детализации не позволяет выделить суть алгоритма. В этих случаях для описания алгоритма используют псевдокод . Псевдокод базируется на тех же основных структурах, что и структурные схемы алгоритма (табл. 1.1).

Пример 1.6. Описание алгоритма Евклида на псевдокоде .

Алгоритм Евклида:

Ввести А,В

цикл-пока А ≠ В

если А > В

то А:= А - В

иначе В:= В - А

все - если

все-цикл

Вывести А

Конец алгоритма.

Таблица 1.1 – Пример псевдокода для записи базовых алгоритмических структур

Структура	Псевдокод	Структура	Псевдокод
Следование			Выбор
			Все-выбор
Ветвление	Если	заданным количеством повторений	Для =
	иначе
	Все - если		Все-цикл
Цикл-пока	Цикл-пока		Выполнять
	Все-цикл

1.3. Задачи для составления блок-схем алгоритмов

Дано целое число m>1.

Получить наименьшее целое k, при котором 4 k >m.

Вычислить произведение

Дано целое число n.

Получить наименьшее число вида 2 r , превосходящее n (r - натуральное).

Даны целые числа n, k (n  k  0).

Вычислить.

Дано натуральное число n и действительное число a.

Вычислить произведение .

Дано натуральное число n.

Вычислить сумму .

Даны действительное число х и натуральное число n.

Вычислить, не используя операцию возведения в степень.

Дано натуральное число n.

Вычислить сумму:

Даны действительные числа x и a, натуральное n.

Вычислить:

Вычислить:

Даны натуральные числа n, m. Получить сумму m последних цифр числа n.

Пусть n- натуральное число. Вычислить сумму.

Дано натуральное число n.

Вычислить сумму:

Контрольные вопросы

Дайте определение алгоритма.

Перечислите основные свойства алгоритмов и раскройте их сущность.

Как подразделяются алгоритмы по типу реализуемого вычислительного процесса?

Какие способы описания алгоритмов вам известны?

Что понимается под графическим способом описания алгоритмов? В чем состоит преимущество данного способа перед словесным описанием алгоритма?

Курсовая работа >> Информатика

Весов ребер оставного дерева. 2.4 Блок -схема Рисунок 7 – Блок -схема алгоритма решения задачи 2.5 Обоснование выбора языка программирования Турбо... , интегрированную среду, намного ускоряющую процесс разработки программ. Этот программный продукт прошел...

1. Алгоритмы и основы программирования

   Практическая работа >> Информатика, программирование

   Составление программ решения различных задач на электронных вычислительных машинах; наука, занимающаяся разработкой методов... . Блок -схема данного линейного алгоритма показана на рисунке 4. Пример 1. Вычислить при x=2,3 В общем случае, алгоритм решения ...

2. Построение блок схем алгоритмов . Алгоритмические языки высокого уровня

   Реферат >> Информатика

   Подход к решению поставленных задач . Задачи реализованы на трех различных языках программирования. Блок -схемы алгоритмов , листинги программ... время. Алгоритм решения задачи получается более эффективным, если ис­пользовать метод пошаговой разработки , суть...

3. Системное и программное обеспечение

   Реферат >> Информатика

   ... : Разработка блок схемы алгоритма решения задачи по контролю знаний слушателей ФПК. ОписаниеФФффуввыа блоков схемы алгоритма решения задачи . Блок 1 ... – ввести имя (обозначение) задачи , ввести...

Алгоритм и его свойства

Решение задач на компьютере основано на понятии алгоритма. Алгоритм – это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к исходному результату.

Алгоритм означает точное описание некоторого процесса, инструкцию по его выполнению. Разработка алгоритма является сложным и трудоемким процессом. Алгоритмизация – это техника разработки (составления) алгоритма для решения задач на ЭВМ.

Изобразительные средства для описания (представление) алгоритма

Для записи алгоритма решения задачи применяются следующие изобразительные способы их представления:

Словесно- формульное описание

Блок-схема (схема графических символов)

Алгоритмические языки

Операторные схемы

Псевдокод

Для записи алгоритма существует общая методика:

Каждый алгоритм должен иметь имя, которое раскрывает его смысл.

Необходимо обозначить начало и конец алгоритма.

Описать входные и выходные данные.

Указать команды, которые позволяют выполнять определенные действия над выделенными данными

Общий вид алгоритма

Алгоритм:

Название алгоритма

Описание данных

Формульно-словесный способ записи алгоритма характеризуется тем, что описание осуществляется с помощью слов и формул. Содержание последовательности этапов выполнения алгоритмов записывается на естественном профессиональном языке предметной области в произвольной форме.

Графический способ описания алгоритма (блок - схема) получил самое широкое распространение. Для графического описания алгоритмов используются схемы алгоритмов или блочные символы (блоки), которые соединяются между собой линиями связи.

Каждый этап вычислительного процесса представляется геометрическими фигурами (блоками). Они делятся на арифметические или вычислительные (прямоугольник), логические (ромб) и блоки ввода-вывода данных (параллелограмм).

Порядок выполнения этапов указывается стрелками, соединяющими блоки. Геометрические фигуры размещаются сверху вниз и слева на право. Нумерация блоков производится в порядке их размещения в схеме.

Алгоритмические языки - это специальное средство, предназначенное для записи алгоритмов в аналитическом виде. Алгоритмические языки близки к математическим выражениям и к естественным языкам. Каждый алгоритмический язык имеет свой словарь. Алгоритм, записанный на алгоритмическом языке, выполняется по строгим правилам этого конкретного языка.

Операторные схемы алгоритмов. Суть этого способа описания алгоритма заключается в том, что каждый оператор обозначается буквой (например, А – арифметический оператор, Р – логический оператор и т.д.).

Операторы записываются слева направо в последовательности их выполнения, причем, каждый оператор имеет индекс, указывающий порядковый номер оператора. Алгоритм записывается в одну строку в виде последовательности операторов.

Псевдокод – система команд абстрактной машины. Этот способ записи алгоритма с помощью операторов близких к алгоритмическим языкам.

Принципы разработки алгоритмов и программ

Типы алгоритмических процессов

По структуре выполнения алгоритмы и программы делятся на три вида:

Линейные

Ветвящиеся

Циклические

Линейный алгоритм (линейная структура) – это такой алгоритм, в котором все действия выполняются последовательно друг за другом и только один раз. Схема представляет собой последовательность блоков, которые располагаются сверху вниз в порядке их выполнения. Первичные и промежуточные данные не оказывают влияния на направление процесса вычисления.

Алгоритмы разветвляющейся структуры

На практике часто встречаются задачи, в которых в зависимости от первоначальных условий или промежуточных результатов необходимо выполнить вычисления по одним или другим формулам.

Такие задачи можно описать с помощью алгоритмов разветвляющейся структуры. В таких алгоритмах выбор направления продолжения вычисления осуществляется по итогам проверки заданного условия. Ветвящиеся процессы описываются оператором IF (условие).

Циклические вычислительные процессы

Для решения многих задач характерно многократное повторение отдельных участков вычислений. Для решения таких задач применяются алгоритмы циклической структуры (циклические алгоритмы). Цикл – последовательность команд, которая повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное условие. Циклическое описание многократно повторяемых процессов значительно снижает трудоемкость написания программ.

Существуют две схемы циклических вычислительных процессов.

Особенностью первой схемы является то, что проверка условия выхода из цикла проводится до выполнения тела цикла. В том случае, если условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу.

Особенностью второй схемы является то, что цикл выполняется хоты бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла осуществляется после того, как тело цикла выполнено.

Существуют циклы с известным числом повторений и итерационные циклы. При итерационном цикле выход из тела цикла, как правило, происходит при достижении заданной точности вычисления.

Языки программирования

Языки программирования – это искусственные языки записи алгоритмов для исполнения их на ЭВМ. Программирование (кодирование) - составление программы по заданному алгоритму.

Классификация языков программирования. В общем, языки программирования делятся на две группы: операторные и функциональные. К функциональным относятся ЛИСП, ПРОЛОГ и т.д.

Операторные языки делятся на процедурные и непроцедурные (Smalltalk, QBE). Процедурные делятся на машино - ориентированные и машино – независимые.

К машино – ориентированным языкам относятся: машинные языки, автокоды, языки символического кодирования, ассемблеры.

К машино – независимым языкам относятся:

Процедурно – ориентированные (Паскаль, Фортран и др.)

Проблемно – ориентированные (ЛИСП и др.)

Объектно-ориентированные (Си++, Visual Basic, Java и др.)

Средства и правила построения блок-схем

Блок-схема является формой представления алгоритма с помощью графических символов. Графические символы, их размеры, а также правила построения блок-схем определены государственными стандартами. Рассмотрим часто употребляемые графические символы (полный список включает 42 символа).

Процесс. Выполнение операции или группы операций, в результате чего изменяется значение, форма представления или расположения данных.

Внутри символа или же в виде комментария на естественном языке или в виде формулы записываются действия, которые производятся при выполнении операции или группы операций.

Решение. Выбор направления выполнения алгоритма или программы в зависимости от некоторых переменных условий.

Символ используется для изображения унифицированных структур:

РАЗВИЛКА ПОЛНАЯ

РАЗВИЛКА НЕПОЛНАЯ

ЦИКЛ-ПОКА

Модификация. Выполнение операций, меняющих команды или группу команд, изменяющих программу.

Символ используется для изображения унифицированной структуры ЦИКЛ С ПАРАМЕТРОМ. Внутри символа записывается параметр цикла с указанием начального и конечного значений, а также шаг изменения цикла, если он не равен единице.

Предопределенный процесс. Использование ранее созданных и отдельно описанных алгоритмов или программ (процедур, функций, программных модулей).Символ служит для указания обращения к процедурам, функциям, программным модулям.

Ручной ввод. Ввод данных оператором в процесс обработки при помощи устройства, непосредственно сопряженного с компьютером (например, клавиатура).

Дисплей. Ввод - вывод данных в случае, если непосредственно подключенное к процессору устройство воспроизводит данные и позволяет оператору вносить изменения в процессе их обработки.

Документ. Ввод - вывод данных, носителем которых служит бумага.

Линия потока. Указание последовательности связей между символами.

Перечислим некоторые правила изображения линий потока:

1) линии потока должны быть параллельны линиям внешней рамки блок-схемы (границам листа, на котором изображена блок-схема);

2) направление линии потока сверху вниз и слева направо принимается за основное и стрелками не обозначается, в остальных случаях направление линии потока обозначается стрелками;

3) изменение направления линии потока производится под углом 90 градусов.

Соединитель. Указание связи между прерванными линиями потока, связывающими символы. Если блок-схема состоит из нескольких частей, расположенных на одной странице, то линия потока одной части заканчивается символом СОЕДИНИТЕЛЬ, а линия потока на продолжении блок-схемы начинается с этого же символа. Внутри символов СОЕДИНИТЕЛЬ ставятся одинаковые порядковые номера, соответствующие разорванной линии потока.

Межстраничный соединитель. Указание связи между разъединенными частями схем алгоритмов и программ, расположенных на разных листах.

Данный символ служит для тех же целей, что и соединитель, но при расположении частей блок-схемы на разных страницах.

Пуск - останов. Начало, конец, прерывание процесса обработки данных или выполнения программы.

Комментарий. Связь между элементами схемы и пояснениями.

Позволяет включать в блок-схему пояснения, формулы и другую информацию.

Размеры символов должны удовлетворять соотношению b = 1.5a (a и b указаны на рис. 1). На этом же рисунке показан пример использования символа КОММЕНТАРИЙ.

Рис. 1. Фрагмент блок-схемы

Каждому символу на блок-схеме присваивается порядковый номер. Для примера на рис. 1 символу ПРОЦЕСС присвоен порядковый номер 4.

Блок-схемы - это та часть документации к программе, которая почти всегда имеется в избытке. Между тем многие программы вообще не нуждаются в блок-схемах и лишь очень немногие из них требуют больше одного листа таковых.

Блок-схемы показывают структуру ветвления программы только в одном ее аспекте. Но даже эта структура видна достаточно четко, только если вся блок-схема помещается на одной странице, и о ней очень трудно получить хорошее представление, если блок-схема располагается на нескольких листах, связанных вместе нумерованными стрелками.

Блок-схема, помещающаяся на одной странице, для большой программы по существу превращается в общий план программы, перечень ее основных этапов или блоков, и, как таковая, она очень удобна. На рис. 15.1 показан такой граф подчиненности подпрограмм.

Конечно, такой граф и не следует стандартам блок-схем, и не нуждается в них. Все эти правила относительно вида элементов, стрелок, порядка нумерации и т. д. нужны только для того, чтобы можно было понять подробные блок-схемы.

Рис.15.1. Пример структуры программы

Подробные блок-схемы, однако, устарели; они только мешают, и в лучшем случае пригодны для обучения новичков, еще не умеющих алгоритмически мыслить. В свое время предложенные Голдстайном и Нейманом маленькие квадратики на блок-схемах вместе со своим содержанием выступали в качестве языков высокого уровня, объединяя абсолютно непонятные операторы машинного языка в группы, имеющие определенный смысл. Как давно уже указал Айверсон2, в систематическом языке высокого уровня такая группировка уже осуществлена, так что каждый квадратик просто соответствует оператору (рис. 15.2). Тогда сами квадратики превращаются в случайное и ненужное упражнение по рисованию, и от них можно отказаться. Но теперь не остается ничего, кроме стрелок. Стрелки, соединяющие оператор со следующим за ним, не нужны, сотрем их. Остаются только операторы перехода. Но если следовать хорошей практике, а использовать блочные структуры для минимизации числа операторов перехода, то останется совсем/немного стрелок, вот они-то очень сильно облегчают понимание. Эти стрелки можно перенести прямо ни распечатку программы и совсем избавиться от блок-схемы.

В действительности блок-схемы гораздо больше превозносятся, чем используются на практике. Я никогда не видел, чтобы опытный программист чертил блок-схемы, прежде чем написать программу. Когда стандарты организации требуют блок-схем, то почти неизменно они рисуются после. Многие программистские организации с гордостью пользуются специальными программами для построения "этого незаменимого инструмента программиста" по готовой машинной программе. Я не считаю этот универсальный опыт прискорбным проявлением дурного топа, признание в котором сопровождается нервным смехом. Напротив, это свидетельство здравого смысла, урок, проливающий свет на истинную пользу блок-схем.

Единицей интерпретации в языке блок-схем является блок. Работой всего интерпретатора управляет функция, которая перемещает фокус интерпретации по блок-схеме, распознает тип блока, на который указывает фокус и запускает функцию обработки (интерпретации) соответствующего блока. После того как функция обработки блока отработает, она передает управление функции управляющей работой интерпретатора. ...

Параллельно различные формы представления алгоритма, что позволит более формально подойти к конкретному алгоритму. 2. Методические особенности изучения раздела «Алгоритм и исполнители» 2.1 Содержание раздела в стандарте Прежде всего необходимо сказать, что общеобразовательный стандарт по информатике является нормативным документом, определяющим требования: · к месту базового курса...

На псевдокоде называется структурным планом. Псевдокод удобен тем, что позволяет программисту сосредоточиться на формулировке алгоритма, не задумываясь над синтаксическими особенностями конкретного языка программирования. Описание алгоритмов с помощью блок-схем. Для разработки структуры программы удобнее пользоваться записью алгоритма в виде блок-схемы (в...

мувати їх засобами мови Turbo Pascal з використанням циклів. Завдання: розробити алгоритм, намалювати блок-схему і написати програму обчислення значення функції , розкладеної в степеневий ряд. Обчислення суми членів ряду проводити доти, доки абсолютна величина члена ряду не стане меншою від (наприклад,). При цьому порахувати кількість виконаних кроків ітерації (скільки членів ряду ввійшло в...

В современном мире цифровой техники программирование является основой для работы различных вычислительных машин, гаджетов и прочего электронного оборудования. А умение быстро и правильно составить блок-схему алгоритма выступает фундаментом, основой данной науки. Такая схема является графической моделью процессов, которые необходимо выполнять оборудованию. Она состоит из отдельных функциональных блоков, выполняющих различные назначения (начало/конец, ввод/вывод, вызов функции и т. д.).

Алгоритм и алгоритмизация

По сути, алгоритм является обычной инструкцией о том, в какой последовательности необходимо выполнять те или иные действия при переработке исходных данных в требуемый результат. Наряду с этим термином зачастую используют Под ней понимают совокупность способов и приемов составления последовательности для решения конкретных задач.

Часто алгоритм применяется не в качестве инструкции для вычислительной машины, а как схема выполнения каких-либо действий. Это позволяет отметить эффективность и результативность данного способа решения, исправить возможные ошибки, а также сравнить его с другими подобными решениями еще до введения в компьютер. Кроме того, алгоритм представляет собой основу для составления программы, которую необходимо написать на языке программирования, с тем, чтобы в дальнейшем реализовать процесс обработки информации на ПК. На сегодняшний день получили известность два практических способа построения таких последовательностей. Первым является пошаговое словесное описание, а вторым - блок-схема алгоритма задачи. Первый из них получил существенно меньшее распространение. Это объясняется отсутствием наглядности и многословностью. Второй способ, наоборот, является весьма удобным средством изображения последовательности. Он широко распространен как в учебной, так и в научной литературе.

Элементы блок-схем

Блок-схема алгоритма программы представляет собой последовательность графических символов, предписывающих выполнение конкретных операций, а также связей между ними. Внутри каждого такого изображения указывается информация о задаче, подлежащей выполнению. Размеры и конфигурация графических символов, а также порядок оформления последовательностей регламентированы ГОСТ 19003-80 и ГОСТ 19002-80.

Рассмотрим основные элементы блок-схемы алгоритма (на фото предоставлены примеры их начертания).

1. Процесс - вычислительное действие либо последовательность таких действий.

2. Решение - проверка заданного условия.

3. Модификация - заголовок цикла.

4. Предопределенный процесс - обращение к процедуре.

5. Документ - печать и вывод данных.

6. Перфокарта - ввод информации.

7. Ввод/Вывод - Ввод/Вывод данных.

8. Соединитель - разрыв линий потока.

9. Начало/Конец - начало, конец, остановка, пуск, вход и выход используются во вспомогательных алгоритмах.

10. Комментарий - используют для размещения пояснительных надписей.

11. Вертикальные и горизонтальные потоки - направление последовательности, линия связи между блоками.

12. Слияние - соединение потоков.

13. Межстраничный соединитель - метка, символизирующая о переходе на другой лист.

Правила начертания

Построение блок-схемы алгоритма осуществляется по конкретным требованиям, прописанным ГОСТ. Например, при соединении графических символов используются только горизонтальные или вертикальные линии. Потоки, направленные справа налево и снизу вверх, обязательно помечаются стрелками. Прочие линии могут не помечаться. Расстояние между параллельными потоками не должно быть меньше трех миллиметров, а между остальными элементами - не менее пяти миллиметров. Размеры блоков должны быть кратными пяти. Отношение горизонтали к вертикали графического символа составляет 1,5. Иногда допускается равное двум. Для удобства описания графические символы следует нумеровать. По характеру связей различают виды блок-схем алгоритма линейной, циклической и разветвляющейся структуры.

Переменные, константы и ячейки памяти

Для лучшего понимания принципа действия алгоритма можно рассмотреть простейший автомат. В его состав входят память, состоящая из ячеек; записывающая/считывающая головка; процессор. В чем заключается принцип работы такого устройства? Головка, получив приказ от процессора, осуществляет запись данных в ячейку либо производит считывание константы. В простейшем случае это будет арифметическое число. Кроме того, константами могут быть строки символов и др. Под переменной понимается ячейка памяти, в которой хранится информация. За время выполнения алгоритма в такой ячейке могут быть записаны различные данные. На этом принципе построены персональные компьютеры и прочая электроника. Алгоритм выполнения какой-либо задачи является набором команд для считывания или записи информации в эти ячейки памяти.

Массивы

Массивы являются еще одной разновидностью индексированных переменных. По сути, это совокупность ячеек, которая объединена общим обозначением. Массивы различают двумерные, трехмерные и т. д. Простейший из них представляет собой ряд последовательных ячеек. Такой массив имеет свое имя. Каждый элемент обладает своим номером - индексом. Константа, записанная в ячейку, называется элементом массива.

Двумерный тип по своему расположению элементов напоминает матрицу. Ячейки в таком массиве характеризуются двумя индексами (это напоминает шахматную доску с нумерацией клеток). По такому же принципу реализованы трехмерные и больше структуры.

Линейные алгоритмы

Такой тип последовательности блок-схемы алгоритмов (примеры приведены в этой статье) характеризуется выполнением от начала и до конца сверху вниз. В таком случае автомат выполняет предписанные ему операции шаг за шагом. Каждое действие обрабатывается процессором. Кроме вычислений, он при необходимости приказывает записывающей/считывающей головке, куда и что необходимо записать и откуда считать. Конечный результат записывается в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой индекс и хранит свою константу.

Разветвляющиеся алгоритмы

На практике линейный тип встречается крайне редко. Зачастую необходимо организовать последовательность, которая в зависимости от заданных условий протекает по той или иной ветви. Блок-схема алгоритма разветвленного типа содержит элемент «Решение», благодаря которому выполняется проверка определенного условия, и чем их больше, тем больше ветвей у последовательности.

Блок-схемы алгоритмов: примеры

Рассмотрим, каким образом функционирует разветвленный алгоритм. В качестве примера возьмем функцию: z = y/x. Из условия видно, что данное уравнение обладает одним ограничением - на нуль делить нельзя. Так что необходимо исключить данное решение и предупредить пользователя о возникшей ошибке. Сначала составляется блок-схема алгоритма. Она будет состоять из семи блоков. Первый графический символ - «Начало», второй - «Ввод», здесь следует задать значения Х и Y. Затем следует блок «Решение», в нем проводится проверка условия: Х=0. В данном случае автомат проводит сверку с ячейкой константой, если вводимое значение совпадет с ней, то решение алгоритма пойдет по ветви «Да». В таком случае управление передается четвертому блоку, и автомат выдает «ошибку», работа заканчивается в седьмом символе «Конец». Если результат проверки отрицательный, тогда в пятом графическом символе осуществляется процесс деления и определяется значение Z. В шестом блоке выводится результат на экран.

Циклические алгоритмы

Зачастую при решении задач необходимо повторять выполнение какой-либо операции по одной и той же зависимости при различных значениях переменных и производить неоднократный проход по одному и тому же участку схемы. Такие участки принято называть циклами, а алгоритм - циклическим. Использование данного метода существенно сокращает саму последовательность. принято делить на два типа: с наперед неизвестным и наперед известным количеством таких проходов.

Пример решения разветвляющегося алгоритма

Рассмотрим пример, в котором дана блок-схема алгоритма с наперед неизвестным количеством проходов. Для этого следует решить задачу - указать наименьшее число членов ряда сумма которых превышает число К. Такая блок-схема алгоритма состоит из восьми символов. Вначале вводим значение числа К (№2). Затем в блоке 3 переменная П получает значение «единица», это значит, что с него начнется отсчет натуральных чисел. А накопительная сумма С в начале получает значение «нуль». Далее управление передается в пятый блок, где происходит выполнение команды: С=С+П. То есть происходит суммирование значений ячеек С и П, и результат перезаписывается в С. После сложения первого члена данной последовательности в блоке №6 осуществляется проверка условия - не превышает ли сумма заданное число К? Если условие не выполнено, тогда управление передается четвертому блоку, где к переменной П прибавляется единица и осуществляется переход снова к блоку №5. Данная процедура будет происходить до тех пор, пока не выполнится условие: С>К, то есть накапливаемая сумма превысит заданное значение. Переменная П является счетчиком цикла. Далее происходит переход к блоку №7, где отпечатываются результаты работы.

Алгоритмы, содержащие структуры вложенных циклов

Часто при алгоритмическом решении поставленной задачи возникает потребность создания цикла, который содержит в своем теле другой цикл. Это считается нормой. Такие элементы называют структурами вложенных циклов. Их порядок может быть достаточно большим. Он определяется методом, благодаря которому достигается решение необходимой задачи. Например, при обработке как правило, строится блок-схема алгоритма без вложения циклов. И тем не менее в ряде случаев при решении подобных задач возникает необходимость выбора именно такого варианта решения. Следует отметить, что все вложенные циклы, включая первый (наружный), должны содержать счетчики с разными именами. Вне пределов своего цикла они могут использоваться в качестве обычных переменных.

Вспомогательные алгоритмы

Данный тип последовательности является аналогом языковой подпрограммы. Вспомогательный алгоритм имеет имя и параметры, которые называют формальными. Имя дается для того, чтобы отличать его в ряду других, а параметры выполняют роль выходных и входных математических функций. Их выбирают таким образом, чтобы был исчерпан полный набор необходимых величин. Часто один и тот же формальный параметр оказывается одновременно и входным, и выходным. Например, в таком алгоритме на вход может подаваться массив для обработки. А в результирующей части он может быть представлен в измененном виде в качестве выходного параметра. Среди алгоритмов вспомогательного типа различают функции и процедуры.

Декомпозиция алгоритма

Под этим термином понимают разложение общей схемы алгоритма на вспомогательные (функции и процедуры) и головной. Этот метод весьма прост, когда алгоритм задан блок-схемой - сначала из него вычленяют участки, отвечающие за основную работу. Наиболее сложные этапы оформляются как функции и процедуры верхнего уровня. Далее их делят на элементарные участки низкого уровня. Здесь работает принцип «от сложного к простому». Это проводится до тех пор, пока алгоритм не будет разобран на Обычно решение декомпозиции последовательности состоит из трех главных этапов: ввода данных, вывода отсортированного массива. Первый и последний этапы вследствие их элементарности не нуждаются в разложении, поэтому их выполняют в головном алгоритме. А вот второй является весьма сложным самостоятельным фрагментом вычислений, поэтому его обычно выводят в отдельный блок. Этапы сортировки, в свою очередь, делятся на две части: установления необходимости проведения процедуры (N-1)-кратного прохода по заданному массиву и нахождения наименьшего элемента в рассматриваемом фрагменте массива с последующей перестановкой его с начальным элементом участка. Так как последний этап неоднократно повторяется, то его оформляют как отдельную процедуру.

2.1 Разработка алгоритма.

Алгоритм - это

a. описание последовательности действий для решения задачи или достижения поставленной цели;

b. правила выполнения основных операций обработки данных;

c. описание вычислений по математическим формулам.

Перед началом разработки алгоритма необходимо четко уяснить задачу: что требуется получить в качестве результата, какие исходные данные необходимы и какие имеются в наличии, какие существуют ограничения на эти данные. Далее требуется записать, какие действия необходимо предпринять для получения из исходных данных требуемого результата.

На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов:

Словесная (записи на естественном языке);

Графическая (изображения из графических символов);

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.);

Программная (тексты на языках программирования).

Словесный способ записи алгоритмов представляет собой описание последовательных этапов обработки данных. Алгоритм задается в произвольном изложении на естественном языке.

Пример. Записать алгоритм нахождения наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел.

Алгоритм может быть следующим:

1. задать два числа;

2. если числа равны, то взять любое из них в качестве ответа и остановиться, в противном случае продолжить выполнение алгоритма;

3. определить большее из чисел;

4. заменить большее из чисел разностью большего и меньшего из чисел;

5. повторить алгоритм с шага 2.

Описанный алгоритм применим к любым натуральным числам и должен приводить к решению поставленной задачи. Убедитесь в этом самостоятельно, определив с помощью этого алгоритма наибольший общий делитель чисел 125 и 75.

Словесный способ не имеет широкого распространения по следующим причинам:

Такие описания строго не формализуемы;

Страдают многословностью записей;

Допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний.

Графический способ представления алгоритмов является более компактным и наглядным по сравнению со словесным.

При графическом представлении алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий.

Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой.

Псевдокод представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов.

Он 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. В частности, в псевдокоде, так же, как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных (базовых) конструкций.

2.2 Блок-схема.

Блок-схемой называют графическое представление алгоритма, в котором он изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий.

В блок-схеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.п.) соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блочного символа. Блочные символы соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения действий.

Приведем наиболее часто употребляемые символы.

Название символа	Обозначение и пример заполнения	Пояснение
Процесс		Вычислительное действие или последовательность действий
Решение		Проверка условий
Модификация		Начало цикла
Предопределенный процесс		Вычисления по подпрограмме, стандартной подпрограмме
Ввод-вывод		Ввод-вывод в общем виде
Пуск-останов		Начало, конец алгоритма, вход и выход в подпрограмму
Документ		Вывод результатов на печать

Блок "процесс" применяется для обозначения действия или последовательности действий, изменяющих значение, форму представления или размещения данных. Для улучшения наглядности схемы несколько отдельных блоков обработки можно объединять в один блок. Представление отдельных операций достаточно свободно.

Блок "решение" используется для обозначения переходов управления по условию. В каждом блоке "решение" должны быть указаны вопрос, условие или сравнение, которые он определяет.

Блок "модификация" используется для организации циклических конструкций. (Слово модификация означает видоизменение, преобразование). Внутри блока записывается параметр цикла, для которого указываются его начальное значение, граничное условие и шаг изменения значения параметра для каждого повторения.

Блок "предопределенный процесс" используется для указания обращений к вспомогательным алгоритмам, существующим автономно в виде некоторых самостоятельных модулей, и для обращений к библиотечным подпрограммам.

Пример. Составить блок-схему алгоритма определения высот ha, hb, hc треугольника со сторонами a, b, c, если

где p = (a + b + c) / 2.
Решение. Введем обозначение тогда h a = t/a, h b = t/b, h c = t/c. Блок-схема должна содержать начало, ввод a, b, c, вычисление p, t, h a , h b , h c , вывод результатов и останов.

2.3 Структуры алгоритмов.

Алгоритмы можно представлять как некоторые структуры, состоящие из отдельных базовых (т.е. основных) элементов. Естественно, что при таком подходе к алгоритмам изучение основных принципов их конструирования должно начинаться с изучения этих базовых элементов

Логическая структура любого алгоритма может быть представлена комбинацией трех базовых структур: следование, ветвление, цикл.

Характерной особенностью базовых структур является наличие в них одного входа и одного выхода.

1. Базовая структура следование. Образуется из последовательности действий, следующих одно за другим:

2. Базовая структура ветвление. Обеспечивает в зависимости от результата проверки условия (да или нет) выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран.

Структура ветвление существует в четырех основных вариантах:

Если-то-иначе;

Выбор-иначе.

1) если-то если условие то действия конец если 2) если-то-иначе если условие то действия 1 иначе действия 2 конец если 3) выбор выбор при условие 1: действия 1 при условие 2: действия 2 . . . . . . . . . . . . при условие N: действия N конец выбора 4) выбор-иначе выбор при условие 1: действия 1 при условие 2: действия 2 . . . . . . . . . . . . при условие N: действия N иначе действия N+1 конец выбора

Пример. Составить блок-схему алгоритма вычисления функции

Базовая структура цикл. Обеспечивает многократное выполнение некоторой совокупности действий, которая называется телом цикла.

Структура цикл существует в трех основных вариантах:

Цикл типа для .

Предписывает выполнять тело цикла для всех значений некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне.

Цикл типа пока .

Предписывает выполнять тело цикла до тех пор, пока выполняется условие, записанное после слова пока.

Цикл типа делать - пока .

Предписывает выполнять тело цикла до тех пор, пока выполняется условие, записанное после слова пока. Условие проверяется после выполнения тела цикла.

Заметим, что циклы для и пока называют также циклами с предпроверкой условия а циклы делать - пока - циклами с постпроверкой условия. Иными словами, тела циклов для и пока могут не выполниться ни разу, если условие окончания цикла изначально не верно. Тело цикла делать - пока выполнится как минимум один раз, даже если условие окончания цикла изначально не верно.

Цикл для i от i1 до i2 шаг i3 тело цикла (последовательность действий) конец цикла цикл пока условие тело цикла (последовательность действий) конец цикла цикл делать тело цикла (последовательность действий) пока условие конец цикла

с заданной точностью (для данного знакочередующегося степенного ряда требуемая точность будет достигнута, когда очередное слагаемое станет по абсолютной величине меньше).

Вычисление сумм - типичная циклическая задача. Особенностью же нашей конкретной задачи является то, что число слагаемых (а, следовательно, и число повторений тела цикла) заранее неизвестно. Поэтому выполнение цикла должно завершиться в момент достижения требуемой точности.

При составлении алгоритма нужно учесть, что знаки слагаемых чередуются и степень числа х в числителях слагаемых возрастает.

Решая эту задачу "в лоб" путем вычисления на каждом i-ом шаге частичной суммы

S:=S+(-1)**(i-1)*x**i/i ,

мы получим очень неэффективный алгоритм, требующий выполнения большого числа операций. Гораздо лучше организовать вычисления следующим образом: если обозначить числитель какого-либо слагаемого буквой р, то у следующего слагаемого числитель будет равен -р*х (знак минус обеспечивает чередование знаков слагаемых), а само слагаемое m

будет равно p/i, где i - номер слагаемого.

Алгоритм, в состав которого входит итерационный цикл, называется итерационным алгоритмом. Итерационные алгоритмы используются при реализации итерационных численных методов. В итерационных алгоритмах необходимо обеспечить обязательное достижение условия выхода из цикла (сходимость итерационного процесса). В противном случае произойдет зацикливание алгоритма, т.е. не будет выполняться основное свойство алгоритма - результативность.

Вложенные циклы.

Возможны случаи, когда внутри тела цикла необходимо повторять некоторую последовательность операторов, т. е. организовать внутренний цикл. Такая структура получила название цикла в цикле или вложенных циклов. Глубина вложения циклов (то есть количество вложенных друг в друга циклов) может быть различной.

При использовании такой структуры для экономии машинного времени необходимо выносить из внутреннего цикла во внешний все операторы, которые не зависят от параметра внутреннего цикла.

Пример вложенных циклов для. Вычислить сумму элементов заданной матрицы А(5,3).

Пример вложенных циклов пока. Вычислить произведение тех элементов заданной матрицы A(10,10), которые расположены на пересечении четных строк и четных столбцов.

Задание алгоритмов с помощью блок-схем оказалось очень удобным средством изображения алгоритмов и получило широкое распространение.

Блок-схема алгоритма - графическое изображение алгоритма в виде связанных между собой с помощью стрелок (линий перехода) и блоков - графических символов, каждый из которых соответствует одному шагу алгоритма. Внутри блока дается описание соответствующего действия.

В таблице приведены наиболее часто употребляемые символы.

Символы блок-схемы

Название символа	Обозначение и пример заполнения	Пояснение
Процесс		Вычислительное действие или последовательность действий
Решение		Проверка условий
Модификация		Начало цикла
Предопределенный процесс		Вычисления по подпрограмме, стандартной подпрограмме
Ввод-вывод		Ввод-вывод в общем виде
Пуск-остановка		Начало, конец алгоритма, вход и выход в подпрограмму
Документ		Вывод результатов

Блок «» применяется для обозначения действия или последовательности действий, изменяющих значение, форму представления или размещения данных. Для улучшения наглядности схемы несколько отдельных блоков обработки можно объединять в один блок. Представление отдельных операций достаточно свободно.

Блок «» используется для обозначения переходов управления по условию. В каждом блоке «решение» должны быть указаны вопрос, условие или сравнение, которые он определяет.

Блок «» используется для организации циклических конструкций. (Слово «модификация» означает «видоизменение, преобразование»). Внутри блока записывается параметр цикла, для которого указываются его начальное значение, граничное условие и шаг изменения значения параметра для каждого повторения.

Блок «» используется для указания обращений к вспомогательным алгоритмам, существующим автономно в виде некоторых самостоятельных модулей, и для обращений к библиотечным подпрограммам.

Для примера приведем блок-схемы алгоритма нахождения максимального из двух значений: