Виды алгоритмов и примеры

Программирование - это записывание чего-то с использованием чужого малознакомого языка. С развитием этой области знания разработчики пошли еще дальше и научились записывать "что-то", даже не понимая, как оно звучит на русском языке. Новички учатся писать код сразу на C++ или php, используя множество библиотек, и толком даже не понимают, как то, что они создают, звучит на их родном языке. Алгоритмизация занимается разъяснением и доведением до понятного этого "что-то".

Алгоритмизация

Большинство примеров алгоритмов по информатике даже в вузах изучается на посредственном уровне. Общепринятой практикой является бесконечное написание все более сложного кода. Попытки неопытных программистов приступать к написанию программ сразу на языке программирования можно сравнить с работой журналиста, который, едва овладев основами иностранного языка, пишет статью для журнала. Избежать подобную проблему можно, если начать записывать свое произведение сначала на родном языке, отредактировать его, проверить на ошибки и в конце перевести на необходимый язык.

Преимущество такого подхода заключается главным образом в том, что переводом разработчик будет заниматься только 25 % времени, в то время как при написании программы на новом языке он потратит на работу с малознакомым языком все 100 %. При этом он окажется в стесненных условиях и не сможет провести хорошую проверку на ошибки и доработку проекта.

Алгоритмизация помогает при реализации проекта на компьютере описать процесс решения на родном и понятном языке в виде схемы взаимосвязанных алгоритмов, провести анализ идей и получить наиболее качественный и продуманный код, который будет устойчивее к ошибкам и эффективнее работать.

Понятие алгоритма

Компьютер не умеет решать задачи, он способен только выполнять простые действия в указанном порядке. "Как же калькулятор?" - спросите вы. Он тоже является плодом трудов программистов, которые создали программу, использующую определенные алгоритмы для получения необходимых результатов. Рассмотрим абстрактную ситуацию. Что следует сделать, если попросить найти корни квадратного трехчлена человека, который не знаком с методами решения уравнений?

Очевидно, что его необходимо обучить решать квадратные уравнения. Происходит это по следующей схеме:

1. Выбрать способ решения.
2. Изучить все детали выбранного способа.
3. Объяснить первые два пункта будущему исполнителю на понятном ему языке.

Затем можно будет давать исполнителю задания на решение квадратного уравнения. И если первые два шага просты и понятны - все способы решения описаны в соответствующей литературе, то третий шаг представляет сложность.

Как можно гарантировать, что идеи, используемые при решении задачи, будут восприняты исполнителем так же, как это понимаете вы? Здесь мы вплотную подходим к понятию алгоритма. Практика показывает, что для правильного объяснения чего-то кому-то необходимо соблюдать следующие шаги:

• определить исходные данные (переменная и коэффициенты квадратного уравнения);
• разбить процесс решения на однозначно известные компоненты для исполнителя (формулы дискриминанта и нахождения корней);
• указать порядок выполнения этапов (сначала вычислить дискриминант, затем корни);
• установить условие, при котором решение считается завершенным (проверить найденные корни, подставив их в уравнение на место переменных);
• обозначить, каким именно должен быть результат решения (корни принадлежат множеству действительных чисел).

Описанный набор шагов в общем смысле и являет собой алгоритм. Таким образом под алгоритмом можно понимать способ решения поставленной задачи, записанный при помощи определенных правил, позволяющих обеспечить однозначное понимание выполняемых действий и их порядка. Ниже будут подробнее рассмотрены алгоритмы и примеры задач.

Основные свойства алгоритма

Дискретность. Процесс решения задачи всегда состоит из строго отделенных друг от друга действий, называемых шагами, имеющими определенный порядок выполнения.

Определенность. Каждый шаг должен быть понятным и однозначным как по смыслу, так и в ключе действия, которое предстоит совершить.

Результативность. Алгоритм должен давать результат. При этом количество шагов может исчисляться тысячами или миллионами, но они всегда должны приводить к результату.

Массовость. Любой алгоритм, разработанный для решения какой-либо задачи, должен быть применим ко всем задачам этого типа для всех допустимых исходных данных.

Возможности компьютера

Для правильного создания алгоритмов под компьютеры важно понимать их возможности. Рассмотрим сначала величины, с которыми работает ЭВМ. В общем случае их можно разделить на числовые и текстовые, постоянные и переменные.

Под постоянными числами понимаются все числа: 3,15, 100, 10⁵, их особенностью является неизменность в течение всей работы программы. Переменные величины меняют свое значение в ходе выполнения кода и обозначаются, как правило, буквами: x, y, max, min и т. д.

Текстовые переменные аналогично числовым бывают постоянными или переменными. В первом случае это просто текст: "хорошо", "a и b" и пр. Во втором - такое же символьное обозначение, как и числовых переменных: name, city и т. п. Отличие между ними заключается главным образом в выделяемой памяти компьютера под хранение такой переменной.

Операции, которые способен выполнять компьютер:

1. Считывать данные с устройств ввода (клавиатура, мышь, файлы).
2. Вычисление значений с использованием математические функции: сложение, вычитание, sin, cos, ln и т. д. - в каждом языке программирования свой набор встроенных функций.
3. Вывод данных (на экран, на бумагу, в сетевой интерфейс).
4. Переход между этапами выполнения программы.
5. Сравнение двух величин (больше, меньше, равно).

Это основные операции, которые могут выполняться большинством языков программирования.

Способы описания алгоритмов

Словесный. Это самый простой способ. Его примером может служить кулинарный рецепт. Допускается использование простых математических формул.

Графический. Описание с помощью схем. Это особый способ записи алгоритмов с использованием своего рода общепринятого алгоритмического языка - фигур и блоков, имеющих определенное значение: прямоугольник - простой действие, наклонный параллелограмм - ввод/вывод, ромб - условие и т. д.

Использование алгоритмического языка. Аналогично графическому, это также особенный способ записи алгоритма. Существует множество алгоритмических языков. Их правила не являются строгими, иначе это был бы язык программирования. Рассмотрим пример алгоритма расчета заработной платы в зависимости от стажа, записанный при помощи алгоритмического языка.

алг заработная плата (int ST, real ZP)
	арг ST
	рез ZP
	начало
		если ST < 5 то zp = 150
		иначе
			если ST <= 15 то ZP = 180
			иначе ZP = 180 + (ST - 15)*10	
	конец

Алгоритмический язык можно назвать более строгой формой записи по сравнению со словесной. Используется ограниченный набор слов и их конструкций, а также оформление с отступами. Минусом словесной формы и алгоритмического языка является ухудшающаяся наглядность алгоритма при увеличении его размеров. Поэтому данные способы могут быть использованы только для передачи смысла небольших алгоритмов.

Виды алгоритмов

Существует огромное множество алгоритмов, созданных для решения самых разных задач. Например, любой учебник высшей математики содержит сотни алгоритмов: решение системы линейных уравнений, нахождение экстремумов функции, вычисление интеграла и т. д. Однако при детальном рассмотрении их структуры оказывается, что все алгоритмы можно разделить на несколько видов. Рассмотрим эти виды алгоритмов с примерами.

• линейный (вычисление результата сложения или умножения, обмен значениями нескольких переменных);
• разветвляющийся (определение наибольшего из нескольких чисел);
• циклический (сортировка массива, вычисление факториала).

Это базовые виды. Стоит также отметить, что в ряде литературы выделяется еще и четвертый вид - рекурсивный. Но особого обозначения в схематической записи он не имеет и реализуется через базовые.

Подробнее о каждом алгоритме вычисления с примерами будет рассказано ниже.

Принципы алгоритмизации

1. Определить исходные данные.
2. Выбрать способ решения.
3. Разбить выбранные способ на шаги исходя из возможностей компьютера (языка программирования).
4. Выполнить алгоритм в виде схемы, определив четкий порядок шагов.
5. Вывод результатов вычислений.
6. Обозначить переход к выходу схемы.

Отладка алгоритма

Человек допускает ошибки, и это факт. Главным параметром любого алгоритма должна быть правильность его работы. Отладка - это процесс выявления и исправления ошибок алгоритма. Для этого берется определенный набор исходных данных, называемых тестовыми. Они представляют собой, как правило, всевозможные типы исходных данных. Например, если на ввод подается число, то алгоритм следует проверить на корректную работу с учетом: положительных, отрицательных, целых и вещественных чисел, нулевые значения и т. п.

Главным инструментом для проверки точности алгоритма остается человеческий мозг. Конечно, допустимо использование других компьютерных инструментов для автоматизации проверки, но так или иначе подготовкой тестов и анализом результатов занимается человек. В таком случае возникает вопрос, а зачем нужен алгоритм, если человек выполняет все сам? Затем, что главная задача алгоритма - многократное решение определенного типа задач.

Линейные алгоритмы

Линейным является алгоритм, в котором шаги идут последовательно друг за другом. Любой алгоритм, не содержащий ветвлений и циклов, является линейным. Рассмотрим пример алгоритма, решающего следующую задачу: в двух клетках сидят волк и заяц, нужно поменять их местами.

Ключом к решению данной задачи является дополнительная клетка temp, которую следует использовать, чтобы поменять местами животных.

Разветвляющиеся алгоритмы

Как и следует из названия, алгоритм имеет несколько ветвей. Суть работы заключается в выборе одного из возможных вариантов вычислительного процесса в зависимости от каких-либо условий. Схематическое ветвление изображается ромбовидным блоком, внутри которого указывается условие, а по сторонам от него располагаются ветви выбора в зависимости от того, истинно условие или ложно. Разветвляющийся алгоритм и примеры его применения можно найти повсеместно. В программировании это типичная конструкция if-else, которая есть почти в любом языке.

Приведем пример алгоритма для решения задачи о нахождении наибольшего среди трех чисел.

Циклический алгоритм

Циклическим является алгоритм, в котором происходит многократное повторение одних и тех же шагов, в которых меняться может только значение конкретной переменной, над которой производятся расчеты. Виды циклического алгоритма и пример будут рассмотрены ниже, а пока перечислим основные шаги для построения цикла.

1. Присваивание начального значения переменных. Без выполнения этого условия цикл, скорее всего, не сможет работать или будет совершать ошибки.
2. Блок вычисления результатов. Это основное тело цикла.
3. Проверка условия окончания циклического процесса. Если забыть указать условие, при котором следует завершить цикл, алгоритм будет выполняться бесконечно.
4. Изменение переменных. Этот блок вступает в силу после проверки условия окончания, если оно было ложным. Если забыть про этот блок, то цикл будет вечно выполнять одно действие и никогда не завершится. Поэтому важно, чтобы переменные претерпевали какие-либо изменения на каждой итерации цикла.

Существует несколько видов циклических алгоритмов: с постусловием, предусловием и параметром.

Построим циклический алгоритм на примере нахождения факториала числа N.

Другие типы алгоритмов

Существует еще ряд алгоритмов, которые отличаются по классификации или происхождению.

• Механические алгоритмы. Например, работа двигателя внутреннего сгорания или сборочного конвейера.
• Вероятностные алгоритмы. Их работа основана на теории вероятности и математической статистике.
• Эвристические алгоритмы. Используют практические соображения в своей работе, без строгого математического обоснования.
• Генетические алгоритмы. Применяют биологические идеи в своей работе.

И другие.