Этапы решения задач с помощью ЭВМ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

ИНФОРМАТИКА

Уровень профессионального образования: высшее образование – бакалавриат

Направление подготовки: 15.03.01 «Машиностроение»

Профиль подготовки: «Машины и технология литейного производства»

Квалификация выпускника: 63, академический бакалавр

Форма обучения: очная

Тула 2014 г.

Конспект лекций составлен доцентом С. К. Захаровым и обсужден на заседании кафедры СЛиТКМПолитехнического института

Протокол № 1 от «29» августа 2014 г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

Конспект лекций составлен пересмотрен и утвержден на заседании кафедры СЛиТКМПолитехнического института

протокол №___ от «» августа 20___ г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

Тема: Этапы решения задач с помощью ЭВМ. Алгоритм. Языки программирования

1. Этапы решения задач с помощью ЭВМ

2. Алгоритмы решения задач и их свойства

3. Обозначения элементов алгоритмов (блоки)

4. Базовые управляющие конструкции

5. Системы программирования. Состав

6. Реализация языка

7. Характеристики языков программирования

8. Целевое назначение систем программирования

9. Этапы обработки программы машиной

Этапы решения задач с помощью ЭВМ

Очень многие инженерные задачи можно решить с помощью уже готовых программ - прикладных пакетов. Они умеют интегрировать и дифференцировать, решать системы линейных и нелинейных уравнений, а также уравнения в частных производных. Однако, далеко не все инженерные и информационные задачи удобно решать с помощью стандартных пакетов. В очень многих случаях целесообразна разработка оригинальных программ для решения возникших задач.

Рассмотрим этапы решения физической задачи с помощью ЭВМ и выясним, какое место занимает непосредственно программирование в этом процессе. В качестве примера выберем задачу определения пути S, пройденного снарядом при выстреле со скоростью V₀ под углом a к горизонту.

Физическая постановка задачи. Здесь производится выработка физической модели процесса или явления, т.е. формулировка предположений, отражающих наши представления о нем. В нашем случае при малых скоростях можно предположить, что земля плоская, а также нет сопротивления воздуха.

Математическая постановка задачи. На этом этапе на основе физической формулировки задачи выбираются переменные, подлежащие определению, записываются ограничения, связи между переменными, в совокупности образующие математическую модель решаемой проблемы. В результате инженерная задача приобретает вид формализованной математической задачи, записанной в виде уравнений. При нашей физической модели можно записать хорошо известные уравнения движения точки x = V₀ cos a t; y = V₀ sin a t - gt²/2; S = ò vdt. При этом интеграл вычисляется от 0 до t так, чтобы y конечное = 0

Выбор или разработка метода численного решения. Для поставленной математической задачи необходимо выбрать метод ее численного решения, сводящий решение задачи к последовательности арифметических и логических операций. Разработкой и изучением таких методов занимается раздел математики, называемый численным анализом. Примером численного метода в нашем случае является метод прямоугольников для вычисления определенного интеграла. В этом методе интеграл заменяется конечной суммой.

Разработка алгоритма решения. Это означает, что на основе выбранного метода записывается последовательность действий, приводящих к решению задачи. Разработка алгоритма обычно завершается либо представлением в виде графической схемы, либо записью с помощью символов специального языка проектирования программ, называемого псевдокодом. Используются также другие средства представления логики алгоритма: HIPO-диаграммы, таблицы решений и др. Цель такого представления состоит в том, чтобы еще до этапа программирования убедиться в правильности логики разрабатываемого алгоритма.

Разработка интерфейса пользователя. Параллельно с разработкой алгоритма разрабатывается сценарий работы программы, т.е. ее представление на экране при взаимодействии с пользователем.

Написание программы. На этом этапе алгоритм записывается в виде последовательности предложений на понятном ЭВМ языке.

Отладка программы. При реализации алгоритма в виде программы и ее вводе с клавиатуры в память ЭВМ могут быть допущены ошибки. Их обнаружение, локализацию и устранение выполняют на этапе отладки программы. Одним из критериев профессионального мастерства программистов является их способность обнаруживать и исправлять собственные ошибки: начинающие программисты не умеют этого делать, у опытных программистов это не вызывает затруднений. Тем не менее, ошибки в программах делают все. По данным разных авторов, этап отладки программы занимает от 50 до 70 % времени, затрачиваемого на все этапы создания программы и получения решения с помощью ЭВМ. В связи с важностью и трудоемкостью этапа отладки все современные системы программирования имеют специальные средства, помогающие в обнаружении и устранении ошибок.

Отладка метода и алгоритма. На этом этапе, наиболее трудоемком, производится тестирование программы, т.е. проверяется, правильно ли результаты ее работы отражают предметную область, для моделирования которой программа создана. С этой целью проводятся многочисленные расчеты, результаты которых сравнивают с уже известными экспериментальными данными и теоретическими решениями. При несовпадении результатов приходится изменять алгоритм или метод решения, а возможно и строить другую физическую модель.

Серийные расчеты. На этом этапе проводятся многочисленные предусмотренные постановкой задачи расчеты по исследованию влияния исходных данных на характеристики процесса. Результаты стараются выводить в удобном для просмотра и анализа виде.

2. Алгоритмы решения задач и их свойства

Из рассмотрения этапов решения физической задачи видно, что этап непосредственно программирования занимает малую часть исследования, можно сказать, что это его техническая часть. Гораздо более важную роль играет (наряду, естественно, с созданием физической и математической моделей, а также выбором или разработкой метода решения) разработка оптимального алгоритма решения задачи. Именно алгоритмы наиболее сложны при обучении и требуют высокого уровня логического мышления. Поэтому в нашем курсе мы будем постоянно возвращаться к алгоритмам решения задач и уделять большое внимание правилам перевода алгоритмических конструкций в синтаксические конструкции программ на языке С++.

Алгоритм - это система точно сформулированных правил, определяющих процесс преобразования допустимых исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходной информацию). Таким образом, алгоритм должен содержать конечную последовательность шагов или операций, однозначно определяющих процесс переработки исходных и промежуточных данных в искомый результат. В нем отображается логика и способ формирования решения с указанием формул, логических условий и соотношений для контроля достоверности результатов.

При составлении алгоритмов следует учитывать ряд требований, выполнение которых приводит к формированию необходимых свойств.

Свойства алгоритма