Меню
Бесплатно
Регистрация
Главная  /  Анатомия  /  Алгоритм. Основные принципы составления алгоритмов. Примеры. Введение в алгоритм A Дать определение алгоритму

Алгоритм. Основные принципы составления алгоритмов. Примеры. Введение в алгоритм A Дать определение алгоритму

Алгоритм

Часто в качестве исполнителя выступает некоторый механизм (компьютер, токарный станок, швейная машина), но понятие алгоритма необязательно относится к компьютерным программам , так, например, чётко описанный рецепт приготовления блюда также является алгоритмом, в таком случае исполнителем является человек.

Понятие алгоритма относится к первоначальным, основным, базисным понятиям математики. Вычислительные процессы алгоритмического характера (арифметические действия над целыми числами, нахождение наибольшего общего делителя двух чисел и т. д.) известны человечеству с глубокой древности. Однако, в явном виде понятие алгоритма сформировалось лишь в начале XX века.

Частичная формализация понятия алгоритма началась с попыток решения проблемы разрешения (нем. Entscheidungsproblem ), которую сформулировал Давид Гильберт в 1928 году . Следующие этапы формализации были необходимы для определения эффективных вычислений или «эффективного метода» ; среди таких формализаций - рекурсивные функции Геделя - Эрбрана - Клини , и гг., λ-исчисление Алонзо Чёрча г., «Формулировка 1 » Эмиля Поста 1936 года и машина Тьюринга . В методологии алгоритм является базисным понятием и получает качественно новое понятие как оптимальности по мере приближения к прогнозируемому абсолюту. В современном мире алгоритм в формализованном выражении составляет основу образования на примерах, по подобию. На основе сходства алгоритмов различных сфер деятельности была сформирована концепция (теория) экспертных систем.

История термина

Современное формальное определение алгоритма было дано в 30-50-е годы XX века в работах Тьюринга , Поста , Чёрча (тезис Чёрча - Тьюринга), Н. Винера , А. А. Маркова .

Само слово «алгоритм» происходит от имени хорезмского учёного Абу Абдуллах Мухаммеда ибн Муса аль-Хорезми (алгоритм - аль-Хорезми). Около 825 года он написал сочинение, в котором впервые дал описание придуманной в Индии позиционной десятичной системы счисления. К сожалению, персидский оригинал книги не сохранился. Аль-Хорезми сформулировал правила вычислений в новой системе и, вероятно, впервые использовал цифру 0 для обозначения пропущенной позиции в записи числа (её индийское название арабы перевели как as-sifr или просто sifr , отсюда такие слова, как «цифра» и «шифр»). Приблизительно в это же время индийские цифры начали применять и другие арабские учёные. В первой половине XII века книга аль-Хорезми в латинском переводе проникла в Европу. Переводчик, имя которого до нас не дошло, дал ей название Algoritmi de numero Indorum («Алгоритмы о счёте индийском»). По-арабски же книга именовалась Китаб аль-джебр валь-мукабала («Книга о сложении и вычитании»). Из оригинального названия книги происходит слово Алгебра (алгебра - аль-джебр - восполнение).

Таким образом, мы видим, что латинизированное имя среднеазиатского учёного было вынесено в заглавие книги, и сегодня считается, что слово «алгоритм» попало в европейские языки именно благодаря этому сочинению. Однако вопрос о его смысле длительное время вызывал ожесточённые споры. На протяжении многих веков происхождению слова давались самые разные объяснения.

Одни выводили algorism из греческих algiros (больной) и arithmos (число). Из такого объяснения не очень ясно, почему числа именно «больные». Или же лингвистам больными казались люди, имеющие несчастье заниматься вычислениями? Своё объяснение предлагал и энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона . В нём алгорифм (кстати, до революции использовалось написание алгориѳм , через фиту) производится «от арабского слова Аль-Горетм, то есть корень». Разумеется, эти объяснения вряд ли можно счесть убедительными.

Упомянутый выше перевод сочинения аль-Хорезми стал первой ласточкой, и в течение нескольких следующих столетий появилось множество других трудов, посвящённых всё тому же вопросу - обучению искусству счёта с помощью цифр. И все они в названии имели слово algoritmi или algorismi .

Про аль-Хорезми позднейшие авторы ничего не знали, но поскольку первый перевод книги начинается словами: «Dixit algorizmi: …» («Аль-Хорезми говорил: …»), всё ещё связывали это слово с именем конкретного человека. Очень распространённой была версия о греческом происхождении книги. В англо-норманнской рукописи XIII века , написанной в стихах, читаем:

Алгоритм - это искусство счёта с помощью цифр, но поначалу слово «цифра» относилось только к нулю. Знаменитый французский трувер Готье де Куанси (Gautier de Coincy, 1177-1236) в одном из стихотворений использовал слова algorismus-cipher (которые означали цифру 0) как метафору для характеристики абсолютно никчёмного человека. Очевидно, понимание такого образа требовало соответствующей подготовки слушателей, а это означает, что новая система счисления уже была им достаточно хорошо известна.

Многие века абак был фактически единственным средством для практичных вычислений, им пользовались и купцы, и менялы, и учёные. Достоинства вычислений на счётной доске разъяснял в своих сочинениях такой выдающийся мыслитель, как Герберт Аврилакский (938-1003), ставший в 999 г. папой римским под именем Сильвестра II. Новое с огромным трудом пробивало себе дорогу, и в историю математики вошло упорное противостояние лагерей алгорисмиков и абацистов (иногда называемых гербекистами), которые пропагандировали использование для вычислений абака вместо арабских цифр. Интересно, что известный французский математик Николя Шюке (Nicolas Chuquet, 1445-1488) в реестр налогоплательщиков города Лиона был вписан как алгорисмик (algoriste). Но прошло не одно столетие, прежде чем новый способ счёта окончательно утвердился, столько времени потребовалось, чтобы выработать общепризнанные обозначения, усовершенствовать и приспособить к записи на бумаге методы вычислений. В Западной Европе учителей арифметики вплоть до XVII века продолжали называть «магистрами абака», как, например, математика Никколо Тарталью (1500-1557).

Итак, сочинения по искусству счёта назывались Алгоритмами . Из многих сотен можно выделить и такие необычные, как написанный в стихах трактат Carmen de Algorismo (латинское carmen и означает стихи) Александра де Вилла Деи (Alexander de Villa Dei, ум. 1240) или учебник венского астронома и математика Георга Пурбаха (Georg Peurbach, 1423-1461) Opus algorismi jocundissimi («Веселейшее сочинение по алгоритму»).

Постепенно значение слова расширялось. Учёные начинали применять его не только к сугубо вычислительным, но и к другим математическим процедурам. Например, около 1360 г. французский философ Николай Орем (Nicolaus Oresme, 1323/25-1382) написал математический трактат Algorismus proportionum («Вычисление пропорций»), в котором впервые использовал степени с дробными показателями и фактически вплотную подошёл к идее логарифмов. Когда же на смену абаку пришёл так называемый счёт на линиях, многочисленные руководства по нему стали называть Algorithmus linealis , то есть правила счёта на линиях.

Можно обратить внимание на то, что первоначальная форма algorismi спустя какое-то время потеряла последнюю букву, и слово приобрело более удобное для европейского произношения вид algorism . Позднее и оно, в свою очередь, подверглось искажению, скорее всего, связанному со словом arithmetic .

Машина Тьюринга

Основная идея, лежащая в основе машины Тьюринга, очень проста. Машина Тьюринга - это абстрактная машина (автомат), работающая с лентой отдельных ячеек, в которых записаны символы. Машина также имеет головку для записи и чтения символов из ячеек, которая может двигаться вдоль ленты. На каждом шагу машина считывает символ из ячейки, на которую указывает головка, и, на основе считанного символа и внутреннего состояния, делает следующий шаг. При этом, машина может изменить свое состояние, записать другой символ в ячейку или передвинуть головку на одну ячейку вправо или влево.

На основе исследования этих машин был выдвинут тезис Тьюринга (основная гипотеза алгоритмов):

Этот тезис является аксиомой, постулатом, и не может быть доказан математическими методами, поскольку алгоритм не является точным математическим понятием.

Рекурсивные функции

С каждым алгоритмом можно сопоставить функцию, которую он вычисляет. Однако возникает вопрос, можно ли произвольной функции сопоставить машину Тьюринга, а если нет, то для каких функций существует алгоритм? Исследования этих вопросов привели к созданию в 1930-х годах теории рекурсивных функций .

Класс вычислимых функций был записан в образ, напоминающий построение некоторой аксиоматической теории на базе системы аксиом. Сначала были выбраны простейшие функции, вычисление которых очевидно. Затем были сформулированы правила (операторы) построения новых функций на основе уже существующих. Необходимый класс функций состоит из всех функций, которые можно получить из простейших применением операторов.

Подобно тезису Тьюринга в теории вычислительных функций была выдвинута гипотеза, которая называется тезис Чёрча :

Доказательство того, что класс вычислимых функций совпадает с исчисляемыми по Тьюрингу, происходит в два шага: сначала доказывают вычисление простейших функций на машине Тьюринга, а затем - вычисление функций, полученных в результате применения операторов.

Таким образом, неформально алгоритм можно определить как четкую систему инструкций, определяющих дискретный детерминированный процесс, который ведет от начальных данных (на входе) к искомому результату (на выходе), если он существует, за конечное число шагов; если искомого результата не существует, алгоритм или никогда не завершает работу, либо заходит в тупик.

Нормальный алгоритм Маркова

Нормальный алгоритм Маркова - это система последовательных применений подстановок, которые реализуют определенные процедуры получения новых слов из базовых, построенных из символов некоторого алфавита. Как и машина Тьюринга, нормальные алгоритмы не выполняют самих вычислений: они лишь выполняют преобразование слов путем замены букв по заданным правилам .

Нормально вычислимой называют функцию, которую можно реализовать нормальным алгоритмом. То есть, алгоритмом, который каждое слово из множества допустимых данных функции превращает в ее исходные значения ..

Создатель теории нормальных алгоритмов А. А. Марков выдвинул гипотезу, которая получила название принцип нормализации Маркова:

Подобно тезисам Тьюринга и Черча, принцип нормализации Маркова не может быть доказан математическими средствами.

Стохастические алгоритмы

Однако, приведенное выше формальное определение алгоритма в некоторых случаях может быть слишком строгим. Иногда возникает потребность в использовании случайных величин . Алгоритм, работа которого определяется не только исходными данными, но и значениями, полученными из генератора случайных чисел , называют стохастическим (или рандомизированным, от англ. randomized algorithm ) . Формально, такие алгоритмы нельзя называть алгоритмами, поскольку существует вероятность (близкая к нулю), что они не остановятся. Однако, стохастические алгоритмы часто бывают эффективнее детерминированных, а в отдельных случаях - единственным способом решить задачу .

На практике вместо генератора случайных чисел используют генератор псевдослучайных чисел .

Однако следует отличать стохастические алгоритмы и методы, которые дают с высокой вероятностью правильный результат. В отличие от метода , алгоритм дает корректные результаты даже после продолжительной работы.

Некоторые исследователи допускают возможность того, что стохастический алгоритм даст с некоторой заранее известной вероятностью неправильный результат. Тогда стохастические алгоритмы можно разделить на два типа :

  • алгоритмы типа Лас-Вегас всегда дают корректный результат, но время их работы не определено.
  • алгоритмы типа Монте-Карло , в отличие от предыдущих, могут давать неправильные результаты с известной вероятностью (их часто называют методами Монте-Карло ).

Другие формализации

Для некоторых задач названные выше формализации могут затруднять поиск решений и осуществление исследований. Для преодоления препятствий были разработаны как модификации «классических» схем, так и созданы новые модели алгоритма. В частности, можно назвать:

  • многоленточная и недетерминированная машины Тьюринга;
  • регистровая и РАМ машина - прототип современных компьютеров и виртуальных машин;

и другие.

Формальные свойства алгоритмов

Различные определения алгоритма в явной или неявной форме содержат следующий ряд общих требований:

Виды алгоритмов

Особую роль выполняют прикладные алгоритмы, предназначенные для решения определённых прикладных задач. Алгоритм считается правильным, если он отвечает требованиям задачи (например, даёт физически правдоподобный результат). Алгоритм (программа) содержит ошибки, если для некоторых исходных данных он даёт неправильные результаты, сбои, отказы или не даёт никаких результатов вообще. Последний тезис используется в олимпиадах по алгоритмическому программированию , чтобы оценить составленные участниками программы.

Случай, когда результатом вычисления функции является логическое выражение «истина» или «ложь» (или множество {0, 1}), называют задачей, которая может быть решаемой или нерешаемой в зависимости от вычислимости функции .

Важно точно указывать допустимое множество входных данных, поскольку задача может быть решаемой для одного множества и нерешаемой для другого.

Одной из первых задач, для которой была доказана нерешаемость, является проблема остановки . Формулируется она следующим образом:

Доказательство неразрешимости проблемы остановки важно тем, что к ней можно свести другие задачи. Например, простую проблему остановки можно свести к задаче остановки на пустой строке (когда нужно определить для заданной машины Тьюринга, остановится ли она, будучи запущенной на пустой строке), доказав тем самым неразрешимость последней. .

Анализ алгоритмов

Вместе с распространением информационных технологий увеличился риск программных сбоев. Одним из способов избежания ошибок в алгоритмах и их реализациях служат доказательства корректности систем математическими средствами.

Использование математического аппарата для анализа алгоритмов и их реализаций называют формальными методами. Формальные методы предусматривают применение формальных спецификаций и, обычно, набора инструментов для синтаксического анализа и доказательства свойств спецификаций. Абстрагирование от деталей реализации позволяет установить свойства системы независимо от ее реализации. Кроме того, точность и однозначность математических утверждений позволяет избежать многозначности и неточности естественных языков .

По гипотезе Ричарда Мейса, «избежание ошибок лучше устранения ошибок» . По гипотезе Хоара, «доказательство программ решает проблему корректности, документации и совместимости» . Доказательство корректности программ позволяет выявлять их свойства по отношению ко всему диапазону входных данных. Для этого понятие корректности было разделено на два типа:

  • Частичная корректность - программа дает правильный результат для тех случаев, когда она завершается.
  • Полная корректность - программа завершает работу и выдает правильный результат для всех элементов из диапазона входных данных.

Во время доказательства корректности сравнивают текст программы со спецификацией желаемого соотношения входных-выходных данных. Для доказательств типа Хоара эта спецификация имеет вид утверждений, которые называют предусловиями и постусловиями. В совокупности с самой программой, их еще называют тройкой Хоара. Эти утверждения записывают

P {Q }R

где P - это предусловие, что должно выполняться перед запуском программы Q , а R - постусловие, правильное после завершения работы программы.

Формальные методы были успешно применены для широкого круга задач, в частности: разработке электронных схем, искусственного интеллекта, автоматических систем на железной дороге, верификации микропроцессоров , спецификации стандартов и спецификации и верификации программ .

Время работы

Распространенным критерием оценки алгоритмов является время работы и порядок роста продолжительности работы в зависимости от объема входных данных.

Для каждой конкретной задачи составляют некоторое число, которое называют ее размером. Например, размером задачи вычисления произведения матриц может быть наибольший размер матриц-множителей, для задач на графах размером может быть количество ребер графа.

Время, которое тратит алгоритм как функция от размера задачи , называют временной сложностью этого алгоритма T (n ). Асимптотику поведения этой функции при увеличении размера задачи называют асимптотичной временной сложностью, а для ее обозначения используют специальную нотацию .

Именно асимптотическая сложность определяет размер задач, которые алгоритм способен обработать. Например, если алгоритм обрабатывает входные данные размером за время cn ², где c - некоторая константа , то говорят, что временная сложность такого алгоритма O (n ²).

Часто, во время разработки алгоритма пытаются уменьшить асимптотическую временную сложность для наихудших случаев. На практике же бывают случаи, когда достаточным является алгоритм, который «обычно» работает быстро.

Грубо говоря, анализ средней асимптотической временной сложности можно разделить на два типа: аналитический и статистический. Аналитический метод дает более точные результаты, но сложен в использовании на практике. Зато статистический метод позволяет быстрее осуществлять анализ сложных задач .

В следующей таблице приведены распространенные асимптотические сложности с комментариями .


Сложность Комментарий Примеры
O (1) Устойчивое время работы не зависит от размера задачи Ожидаемое время поиска в в хеш-таблице
O (log log n ) Очень медленный рост необходимого времени Ожидаемое время работы интерполирующего поиска n элементов
O (log n ) Логарифмический рост - удвоение размера задачи увеличивает время работы на постоянную величину Вычисление x n ; Двоичный поиск в массиве из n элементов
O (n ) Линейный рост - удвоение размера задачи удвоит и необходимое время Сложение/вычитание чисел из n цифр; Линейный поиск в массиве из n элементов
O (n log n ) Линеаритмичный рост - удвоение размера задачи увеличит необходимое время чуть более чем вдвое Сортировка слиянием или кучей n элементов; нижняя граница сортировки сопоставлением n элементов
O (n ²) Квадратичный рост - удвоение размера задачи увеличивает необходимое время в четыре раза Элементарные алгоритмы сортировки
O (n ³) Кубичный рост - удвоение размера задачи увеличивает необходимое время в восемь раз Обычное умножение матриц
O (c n ) Экспоненциальный рост - увеличение размера задачи на 1 приводит к c -кратному увеличению необходимого времени; удвоение размера задачи увеличивает необходимое время в квадрат Некоторые задачи коммивояжёра , алгоритмы поиска полным перебором

Наличие исходных данных и некоторого результата

Алгоритм - это точно определённая инструкция, последовательно применяя которую к исходным данным, можно получить решение задачи. Для каждого алгоритма есть некоторое множество объектов, допустимых в качестве исходных данных. Например, в алгоритме деления вещественных чисел делимое может быть любым, а делитель не может быть равен нулю.

Алгоритм служит, как правило, для решения не одной конкретной задачи, а некоторого класса задач. Так, алгоритм сложения применим к любой паре натуральных чисел. В этом выражается его свойство массовости, то есть возможности применять многократно один и тот же алгоритм для любой задачи одного класса.

Для разработки алгоритмов и программ используется алгоритмизация - процесс систематического составления алгоритмов для решения поставленных прикладных задач. Алгоритмизация считается обязательным этапом в процессе разработки программ и решении задач на ЭВМ. Именно для прикладных алгоритмов и программ принципиально важны детерминированность, результативность и массовость, а также правильность результатов решения поставленных задач.

Алгоритм - это понятное и точное предписание, исполнительно совершить последовательность действий, направленных на достижение цели.

Представление алгоритмов

Формы записи алгоритма:

  • словесная или вербальная (языковая, формульно-словесная);
  • псевдокод (формальные алгоритмические языки);
  • схематическая:
    • структурограммы (схемы Насси-Шнайдермана);
    • графическая (блок-схемы).

Обычно сначала (на уровне идеи) алгоритм описывается словами, но по мере приближения к реализации он обретает всё более формальные очертания и формулировку на языке, понятном исполнителю (например, машинный код).

Эффективность алгоритмов

Хотя в определении алгоритма требуется лишь конечность числа шагов, требуемых для достижения результата, на практике выполнение даже хотя бы миллиарда шагов является слишком медленным. Также обычно есть другие ограничения (на размер программы, на допустимые действия). В связи с этим вводят такие понятия как сложность алгоритма (временна́я , по размеру программы, вычислительная и др.).

Для каждой задачи может существовать множество алгоритмов, приводящих к цели. Увеличение эффективности алгоритмов составляет одну из задач современной информатики . В 50-х гг. XX века появилась даже отдельная её область - быстрые алгоритмы . В частности, в известной всем с детства задаче об умножении десятичных чисел обнаружился ряд алгоритмов, позволяющих существенно (в асимптотическом смысле) ускорить нахождение произведения. См. быстрое умножение

Алгоритм Евклида - эффективный метод вычисления наибольшего общего делителя (НОД). Назван в честь греческого математика Евклида; один из древнейших алгоритмов, который используют до сих пор .

Описан в «Началах» Евклида (примерно 300 до н. э.), а именно в книгах VII и X. В седьмой книге описан алгоритм для целых чисел, а в десятой - для длин отрезков.

Существует несколько вариантов алгоритма, ниже записанный в псевдокоде рекурсивный вариант:

функция нод(a, b) если b = 0 возврат a иначе возврат нод(b, a mod b)

НОД чисел 1599 и 650:

Шаг 1 1599 = 650*2 + 299
Шаг 2 650 = 299*2 + 52
Шаг 3 299 = 52*5 + 39
Шаг 4 52 = 39*1 + 13
Шаг 5 39 = 13*3 + 0


См. также

Примечания

  1. Kleene 1943 in Davis 1965:274
  2. Rosser 1939 in Davis 1965:225
  3. (Игошин, с. 317)
  4. Basics: The Turing Machine (with an interpreter! . Good Math, Bad Math (9 февраля 2007). Архивировано из первоисточника 2 февраля 2012.
  5. (Игошин, раздел 33)
  6. Энциклопедия кибернетики , т. 2 , c. 90-91.
  7. (Игошин, раздел 34)
  8. «Probabilistic algorithms should not be mistaken with methods (which I refuse to call algorithms), which produce a result which has a high probability of being correct. It is essential that an algorithm produces correct results (discounting human or computer errors), even if this happens after a very long time.» Henri Cohen A Course in Computational Algebraic Number Theory. - Springer-Verlag, 1996. - P. 2. - ISBN 3-540-55640-0
  9. Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rives"t, Clifford Stein . - ISBN 0-262-03293-7
  10. (Раздел 12, с. 12-22 в Atallah, 2010)
  11. (Игошин, раздел 36)
  12. Peter Linz An Introduction to Formal Languages and Automata. - Jones and Bartlett Publishers, 2000. - ISBN 0-7637-1422-4
  13. "computability and complexity", Encyclopedia of computer Science and Technology , Facts On File, 2009,

– система правил, сформулированная на понятном исполнителю языке, которая определяет процесс перехода от допустимых исходных данных к некоторому результату и обладает свойствами массовости, конечности, определенности, детерминированности.

Слово «алгоритм» происходит от имени великого среднеазиатского ученого 8–9 вв. Аль-Хорезми (Хорезм – историческая область на территории современного Узбекистана). Из математических работ Аль-Хорезми до нас дошли только две – алгебраическая (от названия этой книги родилось слово алгебра) и арифметическая. Вторая книга долгое время считалась потерянной, но в 1857 в библиотеке Кембриджского университета был найден ее перевод на латинский язык. В ней описаны четыре правила арифметических действий, практически те же, что используются и сейчас. Первые строки этой книги были переведены так: «Сказал Алгоритми. Воздадим должную хвалу Богу, нашему вождю и защитнику». Так имя Аль-Хорезми перешло в Алгоритми, откуда и появилось слово алгоритм. Термин алгоритм употреблялся для обозначения четырех арифметических операций, именно в таком значении он и вошел в некоторые европейские языки. Например, в авторитетном словаре английского языка Webster"s New World Dictionary , изданном в 1957, слово алгоритм снабжено пометкой «устаревшее» и объясняется как выполнение арифметических действий с помощью арабских цифр.

Слово «алгоритм» вновь стало употребительным с появлением электронных вычислительных машин для обозначения совокупности действий, составляющих некоторый процесс. Здесь подразумевается не только процесс решения некоторой математической задачи, но и кулинарный рецепт и инструкция по использованию стиральной машины, и многие другие последовательные правила, не имеющие отношения к математике, – все эти правила являются алгоритмами. Слово «алгоритм» в наши дни известно каждому, оно настолько уверенно шагнуло в разговорную речь, что сейчас нередко на страницах газет, в выступлениях политиков встречаются выражения «алгоритм поведения», «алгоритм успеха» и т.д.

Тьюринг А. Может ли машина мыслить ? М., Мир, 1960
Успенский В. Машина Поста. Наука, 1988
Кормен Т., Лейзерсон, Ривес Р. Алгоритмы. Построение и анализ . М., МЦНМО, 1999

Найти "АЛГОРИТМ " на

Практически все в нашем мире подчиняется каким-то законам и правилам. Современная наука не стоит на месте, благодаря чему человечеству известна масса формул и алгоритмов, следуя которым, можно рассчитать и воссоздать множество действий и строений, созданных природой, и воплотить в жизнь идеи, придуманные человеком.

В этой статье мы разберем основные понятия алгоритма.

История появления алгоритмов

Алгоритм - понятие, появившиеся в XII веке. Само слово "алгоритм" происходит от латинской интерпретации имени известного математика среднего востока Мухаммеда аль Хорезми, который написал книгу "Об индийском счете". В этой книге описано, как правильно записывать натуральные числа, используя арабские цифры, и приведено описание алгоритма действий столбиком над такими числами.

В XII веке книга "Об индийском счете" была переведена на латинский язык, тогда-то и появилось данное определение.

Взаимодействие алгоритма с человеком и машиной

Создание алгоритма требует творческого подхода, поэтому новый список последовательных действий может создать только живое существо. А вот для исполнения уже существующих инструкций фантазию иметь не обязательно, с этим справится даже бездушная техника.

Отличным примером точного исполнения заданной инструкции является пустая микроволновая печь, которая продолжает работать, несмотря на отсутствие пищи внутри нее.

Субъект или объект, которому не обязательно вникать в суть алгоритма, называется формальным исполнителем. Человек тоже может стать формальным исполнителем, однако в случае нерентабельности того или иного действия мыслящий исполнитель может все сделать по-своему. Поэтому основными исполнителями являются компьютеры, микроволновые печи, телефоны и другая техника. Понятие алгоритма в информатике имеет самое важное значение. Каждый алгоритм составляется с расчетом на конкретного субъекта, с учетом допустимых действий. Те объекты к которым субъект может применить инструкции, составляют среду исполнителя.

Практически все в нашем мире подчиняется каким-то законам и правилам. Современная наука не стоит на месте, благодаря чему человечеству известна масса формул и алгоритмов, следуя которым, можно рассчитать и воссоздать множество действий и творений природы и воплотить в жизнь идеи, придуманные человеком. В этой статье мы разберем основные понятия алгоритма.

Что такое алгоритм?

Большинство действий, которые мы выполняем в течение своей жизни, требуют соблюдений ряда правил. От того, насколько верное представление имеет человек о том что, как и в какой последовательности он должен сделать, зависит качество и результат выполнения поставленных перед ним задач. С детства родители пытаются выработать в своем чаде алгоритм основных действий, например: проснуться, заправить постель, умыться и почистить зубы, сделать зарядку, позавтракать и т. д., список, который человек всю жизнь выполняет с утра тоже можно считать своеобразным алгоритмом.

Какой из способов будет использован, зависит от нескольких факторов: от сложности задачи, от того, насколько нужно детализировать процесс решения задачи и т. д.

Графический вариант построения алгоритма

Графический алгоритм — понятие, подразумевающие под собой разложение действий, которые нужно выполнить для решения определенной задачи, по определенным геометрическим фигурам.

Изображаются не как попало. Для того чтобы их мог понять любой человек применяются чаще всего блок-схемы и структурограммы Насси-Шнейдермана.

Также блок-схемы изображаются в соответствии с ГОСТ-19701-90 и ГОСТ-19.003-80.
Графические фигуры, применяемые в алгоритме, делятся на:

    Основные. Основные изображения применяются для обозначения операций, нужных для обработки данных при решении задачи.

    Вспомогательные. Вспомогательные изображения нужны для обозначения отдельных, не самых важных, элементов решения задачи.

В графическом алгоритме используемые для обозначения данных, называются блоками.

Все блоки идут в последовательности "сверху вниз" и "слева направо" — это правильное направление потока. При правильной последовательности линии, соединяющие между собой блоки, не показывают направление. В остальных случаях направление линий обозначается с помощью стрелок.

У правильной схемы алгоритма не должно быть больше одного выхода из обрабатывающих блоков и менее двух выходов из блоков, отвечающих за и проверку выполнения условий.

Как правильно построить алгоритм?

Структура алгоритма, как было сказано выше, должна строиться по ГОСТ, иначе она не будет понятна и доступна окружающим.

Общая методика по записи включает в себя следующие пункты:

Название, по которому будет понятно, какую задачу можно решить с помощью этой схемы.

У каждого алгоритма должны быть четко обозначены начало и конец.

У алгоритмов должны быть четко и ясно описаны все данные, как входные, так и выходные.

При составлении алгоритма следует отметить действия, которые позволят производить нужные для решения задачи действия над выбранными данными. Примерный вид алгоритма:

  • Имя схемы.
  • Данные.
  • Начало.
  • Команды.
  • Конец.

Правильное построение схемы существенно облегчит вычисление алгоритмов.

Геометрические фигуры, отвечающие за разные действия в алгоритме

Горизонтально расположенный овал - начало и конец (знак завершения).

Горизонтально расположенный прямоугольник — вычисление или другие действия (знак процесса).

Горизонтально расположенный параллелограмм — ввод или вывод (знак данных).

Горизонтально расположенный ромб — проверка условия (знак решения).

Вытянутый, горизонтально расположенный шестиугольник — модификация (знак подготовки).

Модели алгоритмов представлены ниже на рисунке.

Формульно-словестный вариант построения алгоритма.

Формульно-словестные алгоритмы записываются в произвольной форме, на профессиональном языке той области, к которой относится задача. Описание действий таким способом осуществляют с помощью слов и формул.

Понятие алгоритма в информатике

В компьютерной сфере все строится на алгоритмах. Без четких указаний, введенных в виде специального кода, не будет работать ни одна техника или программа. На уроках информатики ученикам стараются дать основные понятия алгоритмов, научить пользоваться ими и самостоятельно их создавать.

Создание и использование алгоритмов в информатике - процесс более творческий, чем, например, выполнение указаний к решению задачи в математике.

Существует также специальная программа «Алгоритм», которая помогает людям, несведущим в области программирования, создавать свои собственные программы. Такой ресурс сможет стать незаменимым помощником для тех, кто делает первые шаги в информатике и хочет создавать свои игры или любые другие программы.

С другой стороны, любая программа — алгоритм. Но если алгоритм несет в себе лишь действия, которые нужно выполнять, вставляя свои данные, то программа уже несет в себе готовые данные. Еще одно отличие — это то, что программа может быть запатентована и являться частной собственностью, а алгоритм нет. Алгоритм — понятие более обширное, нежели программа.

Вывод

В этой статье мы разобрали понятие алгоритма и его виды, узнали, как правильно записывать графические схемы.

Каждый алгоритм имеет дело с данными – входными, промежуточными и выходными.

Конечность. Понимается двояко: во-первых, алгоритм состоит из отдельных элементарных шагов, или действий, причем множество различных шагов, из которых составлен алгоритм, конечно. Во-вторых, алгоритм должен заканчиваться за конечное число шагов. Если строится бесконечный, сходящийся к искомому решению процесс, то он обрывается на некотором шаге и полученное значение принимается за приближенное решение рассматриваемой задачи. Точность приближения зависит от числа шагов.

Элементарность (понятность). Каждый шаг алгоритма должен быть простым, чтобы устройство, выполняющее операции, могло выполнить его одним действием.

Дискретность. Процесс решения задачи представляется конечной последовательностью отдельных шагов, и каждый шаг алгоритма выполняется за конечное (не обязательно единичное) время.

Детерминированность (определенность). Каждый шаг алгоритма должен быть однозначно и недвусмысленно определен и не должен допускать произвольной трактовки. После каждого шага либо указывается, какой шаг делать дальше, либо дается команда остановки, после чего работа алгоритма считается законченной.

Результативность. Алгоритм имеет некоторое число входных величин – аргументов. Цель выполнения алгоритма состоит в получении конкретного результата, имеющего вполне определенное отношение к исходным данным. Алгоритм должен останавливаться после конечного числа шагов, зависящего от данных, с указанием того, что считать результатом. Если решение не может быть найдено, то должно быть указано, что в этом случае считать результатом.

Массовость. Алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде, т.е. он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся лишь исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма.

Эффективность. Одну и ту же задачу можно решить по-разному и соответственно за разное время и с различными затратами памяти. Желательно, чтобы алгоритм состоял из минимального числа шагов и при этом решение удовлетворяло бы условию точности и требовало минимальных затрат других ресурсов.

Точное математическое определение алгоритма затрудняется тем, что интерпретация предусмотренных предписаний не должна зависеть от выполняющего их субъекта. В зависимости от своего интеллектуального уровня он может либо вовсе не понять, что имеется в виду в инструкции, либо, наоборот, интерпретировать ее непредусмотренным образом.

Можно обойти проблему интерпретации правил, если наряду с формулировками предписаний описать конструкцию и принцип действия интерпретирующего устройства. Это позволяет избежать неопределенности и неоднозначности в понимании одних и тех же инструкций. Для этого необходимо задать язык, на котором описывается множество правил поведения, либо последовательность действий, а также само устройство, которое может интерпретировать предложения, сделанные на этом языке, и выполнять шаг за шагом каждый точно определенный процесс. Оказывается, что такое устройство (машину) можно выполнить в виде, который остается постоянным независимо от сложности рассматриваемой процедуры.

В настоящее время можно выделить три основных типа универсальных алгоритмических моделей. Они различаются исходными посылками относительно определения понятия алгоритма.

Первый тип связывает понятие алгоритма с наиболее традиционными понятиями математики – вычислениями и числовыми функциями. Второй тип основан на представлении об алгоритме как о некотором детерминированном устройстве, способном выполнять в каждый отдельный момент лишь весьма примитивные операции. Такое представление обеспечивает однозначность алгоритма и элементарность его шагов. Кроме того, такое представление соответствует идеологии построения компьютеров. Основной теоретической моделью этого типа, созданной в 1930-х гг. английским математиком Аланом Тьюрингом, является машина Тьюринга.

Третий тип – это преобразования слов в произвольных алфавитах, в которых элементарными операциями являются подстановки, т.е. замены части слова (под словом понимается последовательность символов алфавита) другим словом. Преимущества этого типа моделей состоят в его максимальной абстрактности и возможности применить понятие алгоритма к объектам произвольной (необязательно числовой) природы. Примеры моделей третьего типа – канонические системы американского математика Эмиля Л. Поста и нормальные алгоритмы, введенные советским математиком А. А. Марковым.

Модели второго и третьего типа довольно близки и отличаются в основном эвристическими акцентами, поэтому не случайно говорят о машине Поста, хотя сам Пост об этом не говорил.

Запись алгоритма на некотором языке представляет собой программу. Если программа написана на специальном алгоритмическом языке (например, на ПАСКАЛе, БЕЙСИКе или каком-нибудь другом), то говорят об исходной программе . Программа, написанная на языке, который непосредственно понимает компьютер (как правило, это двоичные коды), называется машинной, или двоичной.

Любой способ записи алгоритма подразумевает, что всякий описываемый с его помощью предмет задается как конкретный представитель часто бесконечного класса объектов, которые можно описывать данным способом.

Средства, используемые для записи алгоритмов, в значительной мере определяются тем, кто будет исполнителем.

Если исполнителем будет человек, запись может быть не полностью формализована, на первое место выдвигаются понятность и наглядность. В данном случае для записи могут быть использованы схемы алгоритмов или словесная запись.

Для записи алгоритмов, предназначенных для исполнителей-автоматов, необходима формализация, поэтому в таких случаях применяют формальные специальные языки. Преимущество формального способа записи состоит в том, что он дает возможность изучать алгоритмы как математические объекты; при этом формальное описание алгоритма служит основой, позволяющей интеллектуально охватить этот алгоритм.

Для записи алгоритмов используют самые разнообразные средства. Выбор средства определяется типом исполняемого алгоритма. Выделяют следующие основные способы записи алгоритмов:

■ вербальный – алгоритм описывается на человеческом языке;

■ символьный – алгоритм описывается с помощью набора символов;

■ графический – алгоритм описывается с помощью набора графических изображений.

Общепринятыми способами записи алгоритма являются графическая запись с помощью схем алгоритмов (блок-схем) и символьная запись с помощью какого-либо алгоритмического языка.

Для описания алгоритма с помощью схем изображают связанную последовательность геометрических фигур, каждая из которых подразумевает выполнение определенного действия алгоритма. Порядок выполнения действий указывается стрелками.

В схемах алгоритмов используют следующие типы графических обозначений.

Начало и конец алгоритма обозначают с помощью одноименных символов (рис. 21.1).

Рис. 21.1.

Шаг алгоритма, связанный с присвоением нового значения некоторой переменной, преобразованием некоторого значения с целью получения другого значения, изображается символом "процесс" (рис. 21.2).

Рис. 21.2.

Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых переменных условий изображается символом "решение" (рис. 21.3).

Рис. 21.3.

Здесь Р означает предикат (условное выражение, условие). Если условие выполнено (предикат принимает значение ИСТИНА), то выполняется переход к одному шагу алгоритма, а если не выполнено, то к другому.

Имеются примитивы для операций ввода и вывода данных, а также другие графические символы. В настоящий момент они определены стандартом ГОСТ 19.701–90 (ИСО 5807–85) "Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения". Всего сборник ЕСПД содержит 28 документов.

По схеме алгоритма легко составить исходную программу на алгоритмическом языке.

В зависимости от последовательности выполнения действий в алгоритме выделяют алгоритмы линейной, разветвленной и циклической структуры.

В алгоритмах линейной структуры действия выполняются последовательно одно за другим.

В алгоритмах разветвленной структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия производятся различные последовательности действий. Каждая такая последовательность действий называется ветвью алгоритма.

В алгоритмах циклической структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия выполняется повторяющаяся последовательность действий, называющаяся телом цикла. Вложенным называется цикл, находящийся внутри тела другого цикла. Итерационным называется цикл, число повторений которого не задается, а определяется в ходе выполнения цикла.

В этом случае одно повторение цикла называется итерацией.

Наверняка можно утверждать, что многие знакомы с термином "алгоритм". Его применяют весьма широко и не только в области вычислительной техники и программирования. Также несомненно и то, что у многих сформировалось свое (пусть даже большей частью интуитивное) понимание смысла этого термина.

Термин "алгоритм" происходит от имени средневекового математика Абу Джафара ибн Мусы аль-Хорезми. Редакция последней части имени ученого в европейских странах привела к образованию термина "алгорифм" или "алгоритм". Европейцы, начавшие осваивать современную десятичную систему счисления в XII в., знакомились с трудами арабских ученых, и труд упомянутого выше жителя Хорезма, посвященный правилам счета в десятичной системе счисления, был широко известен. Поэтому и наполнение термина "алгоритм" было следующим: операции над числами.

Через века старое, прежнее понимание этого термина стало утрачиваться, и данный термин стали применять по отношению к одному-единственному алгоритму – алгоритму Евклида, предназначенному для отыскания наибольшего общего делителя пары целых чисел.

4.1. Определение алгоритма

Современное содержание понятия алгоритма можно определить следующим образом.

Алгоритм – точное описание, которое задает алгоритмический процесс, начинающийся с произвольного исходного данного (из некоторой совокупности возможных для данного алгоритма исходных данных) и направленный на получение полностью определенного этим исходным данным результата.

Алгоритмический процесс – процесс последовательного преобразования конструктивных объектов (слов, чисел, пар слов, пар чисел, предложений и т. п.), происходящий дискретными "шагами". Каждый шаг состоит в смене одного конструктивного объекта другим.

Поскольку алгоритмы могут применяться к весьма произвольным объектам (числам, буквам, словам, графам, логическим выражениям и т. д.), в определении алгоритма используется специальный термин – "конструктивный объект", объединяющий в себе все эти возможные случаи. Так, в описанном ниже алгоритме под конструктивными объектами можно понимать тройки чисел.

4.2. Свойства алгоритма

Любой алгоритм должен обладать следующими свойствами:

    дискретность (это означает, что, алгоритм представляет собой конечную последовательность отдельных шагов, каждый из которых определяет законченное действие);

    детерминированность (это означает, что, каждый шаг алгоритма должен быть понятен исполнителю и не должен быть истолкован неоднозначно);

    массовость (это означает, что алгоритм должен предназначаться для реализации целого класса однотипных задач, а не для одной конкретной задачи);

    результативность (это означает, что алгоритм должен приводить к одному и тому же результату при одних и тех же исходных данных, за исключением, когда алгоритм частично или полностью основан на действиях с псевдослучайными числами, и при том за конечное время).

Для задания алгоритма необходимо описать следующие его элементы:

      набор объектов, составляющих совокупность возможных исходных данных, промежуточных и конечных результатов;

      правило начала;

      правило непосредственной переработки информации (описание последовательности действий);

      правило окончания;

      правило извлечения результатов.

Алгоритм всегда рассчитан на конкретного исполнителя. В нашем случае таким исполнителем является ЭВМ. Для обеспечения возможности реализации на ЭВМ алгоритм должен быть описан на языке, понятном компьютеру, то есть на языке программирования.

4.3. Основные способы описания алгоритмов

К основным способам описания алгоритмов можно отнести следующие:

    словесно-формульный (пошаговый);

    структурный или блок-схемный;

    с помощью граф-схем;

    с помощью сетей Петри.

Перед составлением программ чаще всего используются словесно-формульный и блок-схемный способы.

Пошаговый (словесно-формульный) способ . Алгоритм записывается в виде текста с формулами по пунктам (шагам ), определяющим последовательность действий. Каждый из шагов представляет собой вполне определенное законченное действие.

Пример описания алгоритма . Решение квадратных уравнений. Словесно-формульным способом алгоритм решения этой задачи может быть записан в следующем виде:

Шаг 1. Ввести три числа a ,b ,c .

Шаг 2. Вычислить дискриминант

Шаг 3. Проверить условие: если d <0, то идти на шаг 8, иначе идти на шаг 4.

Шаг 4. Вычислить 1-й корень

Шаг 5. Вычислить 2-й корень

Шаг 6. Вывести два числа x 1 ,x 2 .

Шаг 7. Идти на шаг 9.

Шаг 8. Вывести текст "Уравнение не имеет действительных корней".

Шаг 9. Конец.

Блок-схема – это ориентированный граф, вершины которого могут быть одного из трех типов, представленных на рис. 6.1.

Функциональная вершина используется для представления функцииf:X →Y .

Предикатная вершина используется для представления функции (или предиката)p :X →(T ,F ), то есть логического выражения, передающего управление по одной из двух возможных ветвей.

Композиция (следование)

Выбор (ветвление)

Итерация (цикл)

Объединяющая вершина представляет передачу управления от одной из двух входящих ветвей к одной выходящей ветви.

Структурная блок-схема – это блок-схема, которая может быть выражена как композиция из четырех элементарных блок-схем (рис. 4.1).

Любая программа для машины может быть представлена структурной блок-схемой.

Важной особенностью приведенных выше структур является то, что они имеют один вход и один выход.

Структурное программирование – процесс разработки алгоритмов с помощью структурных блок-схем.

В более широком плане структурное программирование допускает большее разнообразие структур управления, чем предложенные четыре. Причиной для расширения множества структур является требование удобства и естественности.

Программирование сверху вниз – это процесс пошагового разбиения алгоритма на все более мелкие части с целью получения таких элементов, для которых можно написать конкретные команды. Структурное программирование сверху вниз – это процесс программирования сверху вниз, ограниченный использованием структурных блок-схем.

Структурное программирование является одной из технологий программирования, получившей наибольшее распространение. В нем наибольшее внимание уделяется этапу проектирования программы, при выполнении которого рекомендуется придерживаться следующих основных принципов, называемых принципами структурного программирования :

    принцип модульности;

    принцип нисходящей разработки программы;

    сквозной структурный контроль;

    принцип простой структуры программы.

Эти принципы, предложенные американскими специалистами в конце ХХ века, остаются актуальными и в наше время, особенно при разработке больших и сложных программных комплексов.