Inżynieria Środowiska Wykład 6 Inżynieria programowania
ALGORYTMY Algorytmjest to sformalizowany ciąg logicznie powiązanych instrukcji (poleceń, rozkazów), których wykonanie pozwoli na przetworzenie informacji wejściowych (danych) w informacje wyjściowe (wyniki). Algorytm -rozwiązywanie "krok po kroku" dowolnego problemu.
Algorytm ma przeprowadzić system z pewnego stanu początkowego do pożądanego stanu końcowego. Badaniem algorytmów zajmuje się algorytmika.
Każdy algorytm komputerowy musi być wprowadzony do komputera w bardzo rygorystycznie zdefiniowanym języku - jednoznaczne instrukcje. Jeżeli dany algorytm da się wykonać na maszynie o dostępnej mocy obliczeniowej i pamięci oraz akceptowalnym czasie, to mówi się że jest to algorytm obliczalny. Algorytm przepis niezależny od implementacji (NARZĘDZIA) Program zastosowanie algorytmu w językuzrozumiałym przez komputer
Czynności służące do rozwiązania zadania: analizatreści zadania wykaz danychwejściowych; wiadomych i niewiadomych oraz relacji między nimi sprawdzenie czy zadanie posiada jednoznaczne rozwiązanie wybór metodyrozwiązania zadania opis czynnościdla wybranej metody rozwiązania sporządzenie i przedstawienie wyników rozwiązania zadania
Sposoby zapisu algorytmów Opis słowny-przedstawienie kolejnych czynności (akcji) na elementach (danych). Przykład:przepis kulinarny Schemat blokowy operacje na danych przedstawione graficznie w postaci elementarnych bloków.
ZASADY BUDOWY SCHEMATU BLOKOWEGO 1) Każda operacja jest umieszczona w bloku 2) Schemat ma tylko jeden blok "START" i przynajmniej jeden blok "STOP" 3) Bloki mają połączenia ukierunkowane 4) Z bloku wychodzi jedno połączenie; wyjątki -"STOP" (nie wychodzą żadne połączenia) -blok "warunkowy" ( wychodzą dwa połączenia opisane TAK i NIE) 5) W bloku "operacyjnym" odbywa się nadanie wartości (przypisanie) znak :=
Reguły graficzne tworzenia schematów blokowych Start Stop START STOP Operacje wejścia i wyjścia wczytaj a,b,x pisz suma, wynik Instrukcja wykonawcza (proces) blok operacyjny Blok decyzyjny oblicz suma:=a+b suma>0? TAK Łącznik stronicowy NIE 1
Klasy problemów algorytmy obliczeniowe (-np. całkowanie numeryczne, obliczanie funkcji z sumy wyrazów ciągu, wyznaczanie liczb pierwszych, zamiana systemów liczbowych itp.) algorytmy sortujące algorytmy wyszukujące algorytmy kompresji Metodyka algorytm "krok po kroku" algorytmy rekurencyjne algorytmy genetyczne algorytmy sztucznej inteligencji
Dla utworzenia algorytmu konieczne są: opis obiektówdo przechowywania danych wejściowych, danych pośrednich i wyników opis czynnościjakie należy wykonać z obiektami, co realizujemy przy pomocy instrukcji, które opisują: sposób działania kolejność ich wykonywania ewentualne warunki jakie muszą być spełnione opis wyników-zawiera sposób udostępnienia wyników rozwiązanego zadania
Aby zatem tworzyć działające programy wymagane są: -jakaś metoda wprowadzania i przechowania danych (liczb, tekstów itp.) -jakieś instrukcje, które umożliwią obliczenia wyników - jakieś metody pokazania wyniku
Rodzaje sieci działań: Proste(sekwencyjne) -kolejność realizacji poszczególnych operacji jest ściśle określona i żadna z nich nie może być pominięta ani powtórzona -nie używa się bloków warunkowych. Z rozwidleniem-zawiera w sobie wybór jednej z kilku możliwych dróg realizacji danego zadania, istnieje przynajmniej jeden blok warunkowy. Z pętlą, często w trakcie realizacji zadania konieczne jest powtórzenie niektórych operacji różniących się zestawem danych. Pętla obejmuje tę część bloków, która ma być powtarzana. Złożone- będące kombinacją powyższych sieci.
Przykład W algorytmach sortujących potrzebny jest mechanizm zamianywartości umieszczonych w dwóch zmiennych, jeśli są w niewłaściwej kolejności Algorytm wymaga zmiennej pomocniczej(jak do zamiany zawartości dwóch szklanek potrzebna jest trzecia szklanka) Opis słowny: Opis słowny: 1. Wczytaj dane do obiektów 1 i 2 2. Przepisz zawartość obiektu 1 do obiektu pomocniczego 3. Przepisz zawartość obiektu 2 do obiektu 1 4. Przepisz zawartość obiektu pomocniczego do obiektu 1 5. Wyprowadź wartości obiektów 1 i 2
wczytaj a,b pom:=a schemat blokowy zamiany wartości w dwóch zmiennych a:=b b:=pom drukuj a, b
obiekt pomocniczy 1 3 A 2 B
Przykład2 z blokiem decyzyjnym i pętlą Ile razy trzeba podzielić na pół daną liczbę, aby uzyskać wartość mniejszą od ε Opis słowny: 1. Wczytaj liczbę i ε 2. Ustal wartość licznika równą 0 3. Podziel liczbę przez 2 4. Zwiększ licznik o 1 5. Sprawdź czy wynik jest mniejszy od ε, jeśli tak, to przejdź do punktu 6, jeśli nie to wróć do punktu 3 6. Wyprowadź wartość licznika
wczytaj liczba, ε licznik:=0 schemat blokowy liczba:=liczba/2 licznik:=licznik+1 liczba< ε NIE TAK drukuj licznik czy algorytm jest poprawny??
wczytaj liczba, ε A może tak lepiej? licznik:=0 liczba:=liczba/2 licznik:=licznik+1 liczba< ε NIE TAK drukuj licznik
A może jeszcze inaczej? wczytaj liczba, ε Który z tych trzech algorytmów jest poprawny? licznik:=0 licznik:=licznik+1 liczba< ε NIE liczba:=liczba/2 TAK drukuj licznik Widzimy, że potrzebna jakaś ocena poprawności
A więc, aby tworzyć efektywne algorytmy i móc je aplikować programowo, potrzebne są następujące elementy: Spektrum obiektówprogramowych, możliwość ich odróżniania, klasyfikacja do typu, umieszczanie ich identyfikatorów (nazw) i wartości w pamięci Spektrum operacji(operatorów nadawania wartości, arytmetycznych, porównania) operacje na obiektach! Mechanizm sterowania co wykonać następnie po aktualnej operacji
Optymalny algorytm wyszukiwania indeksu najmniejszego elementu (czyli numeru elementu) 1. Umieszczamy elementy w obiektach od x[1] do x[n] 2. Zmiennej pomocniczej minprzypisujemy 1 3. Dla zmiennej iod 2 do n-1z krokiem co 2 wykonujemy: Zmiennej pomocniczej min_lokprzypisujemy indeks mniejszej liczby z pary x[i], x[i+1] (czyli przypiszemy i lub i+1) jeśli element x[min_lok] jest mniejszy (w sensie użytego operatora) od elementu x[min], to zmiennej minprzypisujemy wartość min_lok 4. Jeśli njest liczbą nieparzystą, to kończymy algorytm. Jeśli njest liczbą parzystą to wykonujemy: jeśli element x[n] jest mniejszy (w sensie użytego operatora) od elementu x[min], to zmiennej minprzypisujemy wartość ni kończymy algorytm
1 2 3 4 5 min_lok min_lok
Podstawy programowania Do 1954 roku język maszynowy(eniac, Mark I-USA) niskiego poziomu -dla Kodowanie instrukcji procesora w postaci ciągu liczb dwójkowych (elementarny rozkaz i dane) - pracochłonność (same liczby, długie algorytmy działań takich jak dodawanie i mnożenie) np. rzymskie - trudność śledzenia błędów
lata 50-te -zastąpienie kodów liczbowych operacji nazwami mnemotechnicznymi np. mnożenie MPY (multiply) język symboliczny - assembler ASSEMBLER także program tłumaczący na kod maszynowy (wewnętrzny) DISSASSEMBLER tłumaczenie odwrotne Cechy Assemblera - wąski zbiór rozkazów, prymitywna architektura ówczesnych komputerów, - brak rejestrów (pamięci pomocniczych), - brak operacji zmiennoprzecinkowych
1954 języki tzw. wysokiego poziomu (kod maszynowy i assembler to niski poziom bliższy procesorowi) Zapis operacji w sposób łatwiejszy, zrozumiały idobrze kontrolowany przez programistę Po stworzeniu kodu programu w języku następuje proces translacji (tłumaczenia, kompilacji) na język wewnętrzny komputera.
Problemy: - zrozumiałość - jednoznaczność - skuteczność tłumaczenia Języki wysokiego poziomu po etapie początkowym stały się maszynowo niezależne z powodu wielu wersji translatorów (programów kompilujących) Kompilator(ang. compiler) to program służący do tłumaczenia kodu napisanego w jednym języku (języku źródłowym) na równoważny kod w innym języku (języku wynikowym). Najczęściej jest to tłumaczenie z języka wysokiego poziomu (łatwiejszego dla programisty) ma język wewnętrzny procesora. Proces ten nazywany jest kompilacją.
Języki wysokiego poziomu COBOL dla przedsiębiorstw, język prawie naturalny (ang) MULTIPLY mnożenie, ADD dodawanie, czy dobrze?? Do dziś specjaliści potrzebni (w USA 500 $/godzza zmiany daty w 2000) W kolejnych latach - obfitość języków programowania BASIC, LOGO prostota, interpretacja w odróżnieniu od kompilacji, tłumaczenie na bieżąco każdej instrukcji a nie programu w całości PASCAL, C, C+, C++ -języki strukturalne z elementami tzw. programowania obiektowego OOP(ObjectOrientedProgramming) języki zorientowane obiektowo (PROLOG, Visual Basic, Delphi, Java, C#)
OBIEKTY- dane dana (nazwa danej, wartość danej) deklaracje, definicje - opisy obiektów instrukcje - czynności na obiektach Program -algorytm zapisany w języku programowania
Podprogram-wyodrębniona część programu (ze względu na czytelność lub wielokrotne użycie) posiadająca wyodrębnioną nazwęi sposób wymiany informacjiz pozostałymi jego częściami
Deklaracja podprogramu- opis podprogramu Instrukcja wywołania podprogramu wykonanie, zastosowanie podprogramu wewnątrz programu głównego lub innego podprogramu Kod źródłowy-tekst programu w języku programowania (plik tekstowy pas) Kompilacja- tłumaczenie (w całości) kodu źródłowego na wykonywaną postać binarną, ładowalną (plik exe) odrębny proces Interpretacja tłumaczenie kolejnych instrukcjiw trakcie procesu wykonywania
Przetwarzanie programu użytkowego Komunikaty o błędach wyniki postać postać EDYCJA źródłowa Kompilacja ładowalna Wykonanie programu parametry PROGRAMISTA dane
Przykładowy język Javascript JavaScriptjest to interpretowany, zorientowany obiektowo, skryptowy język programowania. JavaScriptjest oddzielnym językiem (nie jest uproszczoną wersją Javy). Może być osadzany w innych programach, na przykład w przeglądarce internetowej, aby, mając dostęp do obiektów otoczenia (np. modelu obiektowego przeglądarki internetowej - DOM), można sprawować nad tym otoczeniem kontrolę. Javascriptjest łatwy w nauce i pozwala na pewne zdynamizowanie stron internetowych. Przeglądarki mogą pytać o zezwolenie na wykonanie skryptu.
Wstawienie skryptu do dokumentu HTML Skrypty JavaScript są zagnieżdżane w dokumentach HTML. Skrypt JavaScript umieszczane są między znacznikami <SCRIPT> i </SCRIPT>. <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> treść skryptu </SCRIPT>
<HTML><HEAD></HEAD> <BODY> <P> To jest tekst 1</P> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> treść skryptu 1 </SCRIPT> <P> To jest tekst 2</P> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> treść skryptu 2 </SCRIPT> </BODY></HTML> Może istnieć wiele skryptów naprzemiennie z pozostałym kodem HTML
Aby tworzyć działające skrypty JavaScript wymagane są: -jakaś metoda wprowadzania i przechowania danych (liczb, tekstów) -jakieś instrukcje, które umożliwią obliczenia wyników - jakieś metody pokazania wyniku
Wykorzystanie skryptu Javascript w dokumencie HTML <HTML><HEAD></HEAD> <BODY> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> // obiekt document i jego metoda write- wypisanie tekstu document.write("to jest zwykły tekst"); // wysyłamy też znacznik HTML document.write("<br />"); //nadajemy wartość zmiennej x=5; //... i wyświetlamy jej wartość document.write("wartość zmiennej <I>x</I> : "+x); document.write("<br>to jest liczba PI:"+Math.PI); </SCRIPT> <P> a to już akapit poza skryptem</p> </BODY></HTML> właściwość obiektu
Kilka zasad pisania skryptów Komentarze Komentarz o kilku wierszach, /* treść komentarza */ Jednowierszowy komentarz // tekst Wykorzystywane są w celu: - opisy wyjaśniające - dezaktywowanie instrukcji (testy, błędy)
Identyfikatory Są to nazwy elementów (zmiennych, obiektów, funkcji) Zmienne służą do przechowania wartości określonego typu Jednym z podstawowych sposobów nadania wartości zmiennej jest instrukcja przypisania (nadania wartości) Ciąg liter, cyfr, znaków podkreślenia (nie wolno spacji!) Musi się zaczynać od litery Ważne duże i małe litery! (w odróżnieniu od innych języków) Przykłady identyfikatorów dla zmiennych: x alfa Alfa mojazmienna B11 c_33 to dwie różne zmienne styl "wielbłądzi"
Operatory Arytmetyczne: + - * / %(reszta z dzielenia) Przypisania: = += x+=5 odpowiada x=x+5, = x =5 odpowiada x=x 5, *= x*=5 odpowiada x=x*5, /= x/=5 odpowiada x=x/5, ++ inkrementacja zwiększenie o 1 x++ odpowiada x=x+1 -- dekrementacja zmniejszenie o 1 x-- odpowiada x=x-1 %= x%=5 odpowiada x=x%5 (reszta z dzielenia) + konkatenacja (łączenie tekstów) "Mateusz " + 'Kowalski' para " lub para '
Przykładowo: <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> x = 7; //początkowo x ma wartość 7 x++; //zwiększamy o 1 x += 4; //dodajemy 4 x %= 10; //reszta z dzielenia z przez 10, a więc.. 2 //tu trzeba by wypisać wartość x na ekranie, zaraz się nauczymy </SCRIPT>
Operatory porównania ==!=(nierówne) <= < > >= Przykładowo: x==5 x>=3 a+b> 3*y jest to pytanie: czy jest spełnione? odpowiedź: tak lub nie (TRUE/FALSE)
Operatory logiczne koniunkcja (i) && alternatywa (lub) negacja! true && false dajefalse!false daje true
Instrukcje wykonanie akcji! Instrukcje języka oddzielamy średnikami (jeśli zapisujemy w tym samym wierszu). Czasem blok kilku instrukcji otaczamy klamrami { } zazwyczaj we wnętrzu instrukcji warunkowych i iteracyjnych (np. if, for, while) o nich za chwilę <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> instrukcja1; { instrukcja2; instrukcja3; instrukcja4; } </SCRIPT> traktowany w całości jako blok instrukcji
Typy instrukcji - przypisania (nadania wartości); -warunkowe -pętle - wykonania funkcji (metody obiektu)
Instrukcja przypisania zmienna = wyrażenie; Po lewej stronie znaku = tylko nazwa zmiennej!!! Po prawej stronie znaku = piszemy wyrażenie (bardzo podobne jak w Excelu), zawierające liczby, operatory, nawiasy okrągłe, funkcje metody obiektów, oraz zmienne o ZNANYCH WARTOŚCIACH Wyrażenie jest obliczane i jego wartość przechowana w zmiennej Przykłady: x=5; alfa= 3*x; b15=(3-x)+2/alfa;
Instrukcja wypisania na ekranie document.write(element); documentto wbudowany obiekt w Javascript, a write(pisz) to jedna z jego funkcji (tzw. metoda) Przykład identyfikator obiektu i identyfikator jego metody oddzielamy kropką <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> document.write ("To jest zwykły tekst<br />"); x=5; //przypisujemy wartość zmiennej // wyświetlamy jej wartość document.write("wartość zmiennej <I>x</I> : "+x+"<br />"); napis="mateusz " + 'Kowalski'; document.write(napis); </SCRIPT> Jak widzimy można wysyłać znaczniki (do pozycjonowania, formatowania itp.)
Obiekt Math(uwaga! z dużą literą M) Wbudowany obiekt Math zawiera wartości matematyczne, jako właściwości (ang. property) i metody (ang. method). Są tutaj przechowywane pewne stałe matematyczne: Math.property lub gotowe funkcje Math.method gdzie property lub method jest jednym z podanych niżej elementów.
property(właściwości) E e - stała Eulera, która wynosi ok. 2.718 PI wartość liczby π, czyli ok. 3.14159
method(metody) abs(wyrażenie) cos(wyrażenie) sin(wyrażenie) tan(liczba) ceil(liczba) floor(liczba) round(liczba) exp(liczba) wartość bezwzględna liczby funkcje trygonometryczne (argument w radianach!!!) zaokrąglenie do całkowitej w górę zaokrąglenie do całkowitej w dół zaokrąglenie do najbliższej całkowitej e x UWAGA!!! log(liczba) logarytm naturalny liczby! pow(liczba1,liczba2) random() sqrt(liczba) wartość liczby1 podniesionej do potęgi liczby2 wartość pseudolosowa z przedziału (0,1) bez argumentu pierwiastek kwadratowy liczby
Przykłady: <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> document.write(math.sin(4*math.pi/180)+"<br />"); </SCRIPT> lub wykorzystując zmienną: <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> wynik=math.sin(3*math.pi/180); document.write(wynik); </SCRIPT>
Sekwencja obliczeń: <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> //Pierwiastki równania kwadratowego a=5; b=5; c=1; delta=b*b-4*a*c; pdelta=math.sqrt(delta); x1=(-b-pdelta)/2/a; //albo /(2*a) x2=(-b+pdelta)/2/a; document.write('x1:'+x1+"<br />"); x1:-0.7236067977499789 x2:-0.276393202250021 document.write('x2:'+x2+"<br />"); </SCRIPT> Oczywiście gdy delta będzie ujemne, to błąd! NaN nieokreślone Jak przeciwdziałać? Instrukcja badania warunku if(test, sprawdzenie!)
Przykład pisania wyrażeń zapis w skrypcie JavaScript y = sin 2 x x 3 3 ( x + 4 3 ) x x=math.pi; //musimy określić wartość x y= (Math.pow(Math.sin(x),2)- Math.pow((x-3)*x,1/3)) /(Math.abs(Math.pow(x,-3))+4); document.write(y); łatwo o błędy (dużo nawiasów!) Uwaga: wolno spacje, ale nie wewnątrz nazw wolno przenieść do następnego wiersza
jak sobie ułatwić? wprowadzać zmienne pomocnicze liczymy etapami. y = sin 2 x x 3 3 ( x + 4 3 ) x <SCRIPT language="javascript"> x=math.pi; //jak poprzednio L1= Math.pow(Math.sin(x),2); L2=Math.pow((x-3)*x,1/3); L= L1- L2;//licznik M= Math.abs(Math.pow(x,-3))+4;//mianownik y= L/M;//wynik document.write(y); </SCRIPT>
Inna metoda wyprowadzenia danych - wyświetlanie w dodatkowym okienku alert Metoda dla obiektu window, tworząca okienko dialogowe z napisem informacyjnym lub wartością numeryczną. <SCRIPT language="javascript"> raz=2; alert("witaj!"); alert("witaj "+raz+"-gi raz"); </SCRIPT> dokładniej window.alert, ale domyślny obiekt to window
Instrukcja warunkowa if...else Instrukcja if powoduje wykonanie kodu źródłowego instrukcja1tylko wtedy, gdy warunek logiczny jest spełniony. Jeżeli zostanie użyty poszerzony wariant instrukcji if, to po spełnieniu warunku zostanie wykonany kod instrukcja1lecz w przeciwnym wypadku zostanie wykonany kod instrukcja2. if(warunek) { kod wykonywany jeżeli warunek spełniony } else { kod wykonywany jeżeli warunek nie spełniony } opcjonalnie czyli można opuścić-wówczas przy niespełnionym warunku nic nie jest wykonywane
Prosty przykład dla instrukcji warunkowej <HTML><HEAD></HEAD><BODY> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> x=5; //przypisujemy wartość zmiennej if(x>0) document.write("tak"); // warunkowo else document.write("nie"); </SCRIPT> </BODY></HTML> tak
Najogólniejsza postać instrukcji warunkowej jeśli mamy kilka warunków if(warunek1) { kod wykonywany jeżeli warunek spełniony } else if(warunek2){ instrukcje wykonywane jeżeli warunek2 spełniony } else if(warunek3){ instrukcje wykonywane jeżeli warunek2 spełniony } else{ instrukcje wykonywane jeżeli warunki powyższe niespełnione }
Przykład badania kilku warunków: <HTML><HEAD></HEAD><BODY> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> x=math.round(math.random()*10);//losowanie l. całk. od 0 do 10 if (x<5){ document.write("mniejsze od 5"); } else if ((x>=5)&&(x<=8)){// koniunkcja document.write("w przedziale [5, 8]"); } else if ((x>8)&&(x<10)){// inny przedział document.write("w przedziale (8,10) więc tylko 9"); } else{//pozostałe document.write("pozostało tylko 10"); } document.write("<br />Sprawdzam :",x); </SCRIPT> </BODY></HTML>
Instrukcja iteracyjna - "pętla" for (dla) Instrukcja wykorzystywana do wielokrotnego wykonania pewnego zestawu instrukcji. Pętla forpowtarza instrukcje wnętrza pętli aż do momentu, kiedy testowany warunek staje się fałszywy. W JavaScriptpętla forjest podobna do pętli w Java i C.
Pętla for posiada następującą składnię: for( inicjalizacja licznika; test_logiczny; inkrementacja ) instrukcja; lub for( inicjalizacja licznika; test_logiczny; inkrementacja ) { instrukcja1; instrukcja2; w klamrach {} instrukcje wewnętrzne... jeśli jest ich więcej niż jedna }
Przykład dla iteracji for <HTML> <HEAD></HEAD> <BODY> <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> for (i=0; i<11; i++) { document.write(i+"<br/>"); } </SCRIPT> </BODY></HTML> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 można wykorzystywać licznik
Przykład <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> for (i=0; i<91; i++) { document.write(i+" "+Math.sin(i*Math.PI/180)+"<BR />"); } </SCRIPT> metoda write może też być wieloargumentowa (argumenty oddzielane plusami lub przecinkami) document.write(i," ",Math.sin(i*Math.PI/180),"<BR />");
Przykład pętli zagnieżdżanej <SCRIPT LANGUAGE="JavaScript"> for (i=1; i<=3; i++) for (k=1; k<=4; k++) document.write(i+" "+k+"<br />"); </SCRIPT> jedna spacja dla każdego kroku pętli zewnętrznej wykonywana jest pętla wewnętrzna, czyli instrukcja wykona się 3*4=12 razy 11 12 13 14 21 22 23 24 31 3 2 33 34 wykorzystuje się np. w tablicach dwuwymiarowych
Pętla while while (warunek) { instrukcje } 1 Wykonuje iterację (powtarza instrukcje) gdy warunek spełniony, gdy nie, to 3 przechodzi dalej. Sprawdzenie warunku odbywa się przed wykonaniem instrukcji. 6 10 n = 0; x = 0; while( n < 10 ) { n++; //zwiększ n o 1 x += n; // zwiększ x o n document.write(x+"<br />"); } 15 21 28 36 45 55