giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình

NỘI DUNG Khái niệm bài toán giải thuật Đặc trưng của giải thuật Các phương pháp diễn đạt giải thuật Sơ lược về đánh giá giải thuật Sơ lược về đánh giá giải thuật Ngôn ngữ lập trình

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Tài liệu tham khảo

Giáo trình tin học cơ sở, Hồ Sỹ Đàm, Đào Kiến Quốc, Hồ Đắc Phương Đại học Sư phạm, 2004 – Chương 7, 9.

NỘI DUNG

Khái niệm bài toán giải thuật

Đặc trưng của giải thuật

Các phương pháp diễn đạt giải thuật

Sơ lược về đánh giá giải thuật

Sơ lược về đánh giá giải thuật

Ngôn ngữ lập trình và các mức khác nhau của ngôn ngữ lập trình

Quá trình thực hiện chương trình trên ngôn ngữ bậc cao

KHÁI NIỆM BÀI TOÁN

Cho số tự nhiên n

n có phải số nguyên tố hay

bình trên 8

Danh sách sv

thoả mãn

Thiết kế hình học, tải trọng

Tính sức bền Độ bền Cho một bài toán nghĩa là cho input,

và yêu cầu để tìm (tính) ra output

KHÁI NIỆM THUẬT TOÁN

Thuật toán (algorithm) là một quá trình gồm một dãy hữu hạn các thao tác có thể thực hiện được sắp xếp theo một trình tự xác định dùng để giải một bài toán

Ví dụ : thuật toán Euclid tìm ước số chung lớn nhất của hai số tự

nhiên Thay vì phải tính toán theo định nghĩa chỉ làm rõ cấu trúc của USCLN (tích của các ước số chung với số mũ nhỏ nhất) thuật toán Euclid dựa trên các tính chất sau:

USCLN(a,b) = USCLN (b,a))

Nếu a> b, USCLN(a,b) = USCLN (a-b,b)

USCLN(a,a)= a

THUẬT TOÁN EUCLID

TIM USCLN CỦA HAI SỐ TỰ NHIÊN

Bài toán: Cho hai số m, n tìm d = USCLN(m,n)

1. Bước 1: Kiểm tra nếu m= n thì về bước 5, nếu không thực hiện tiếp

bước 2

2. Bước 2: Nếu m> n thì về bước 4 nếu không thực hiện tiếp bước 3

3. Bước 3: m <n, bớt n đi một lượng bằng m và quay về bước 1

4. Bước 4: bớt m đi một lượng bằng n và quay về bước 1

5. Bước 5: Lấy d chính là giá trị chung của m và n Kết thúc

VÍ DỤ CÁC BƯỚC CỦA THUẬT TOÁN EUCLID

9 6

3 6

3 3

m>n m<n m=n USCLN(15,21) = 3

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA THUẬT TOÁN

Input

Output

Tính xác định: Sau mỗi bước, bước tiếp theo hoàn toàn xác định

Tính khả thi: các chỉ dẫn đặt ra đều có thể thực hiện được

Tính dừng: quá trình tính toán luôn phải dừng sau một số hữu hạn bước

Tính dừng: quá trình tính toán luôn phải dừng sau một số hữu hạn bước

Tính phổ dụng: mỗi thuật toán không chỉ dùng cho một bài toán với dữ liệu cụ thể mà có thể áp dụng với một lớp các bài toán cùng kiểu Chẳng hạn người ta nói tới thuật toán tìm USCLN của hai số tự nhiên bất kỳ chứ không phải thuật toán tìm USCLN của 15 và 21

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TOÁN

Dùng ngôn ngữ tự nhiên

Dùng sơ đồ khối

Dùng mã giả (pseudo-code)

THUẬT TOÁN BỐC SỎI

Dùng ngôn ngữ tự nhiên

Ví dụ: Bài toán bốc sỏi: có 30 viên sỏi Hai người chơi, mỗi

người đến lượt mình bốc từ 1 đến 3 viên sỏi Ai bốc cuối cùng

là thắng Làm thế nào để người đi trước thắng.

Bước 1, bốc 2 viên

1. Bước 1, bốc 2 viên

2. Bước 2: nếu số sỏi đã hết, dừng cuộc chơi, tuyên bố người (đi

trước) thắng cuộc Nếu không về bước tiếp theo

3. Bước 3: Đối phương bốc k viên 0 < k<4

4. Bước 4: Người đi trước bốc một lượng là 4 - k sau đó quay về

bước 2

BIỂU DIỄN BẰNG LƯU ĐỒ HOẶC SƠ ĐỒ KHỐI

-BIỂU DIỄN BẰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN EUCLID

BIỂU DIỄN BẰNG GIẢ MÃ

Trong khi m ≠ n thì lặp lại khối sau: read(m,n);

Bớt m đi một lượng là n

Cho tới khi m = n thì tuyên bố USCLN

chính là giá trị chung của m và n

m=m-n

else

n= n-m;write(m);

Đ iều chỉnh lại giá trị

của m và n Nếu ngược lại thì

Bớt n đi một lượng là m

nhận một nghiệm c nằm giữa [a,b]

Phương trình có hai nghiệm như

trong hình vẽ Ta vây nghiệm nhỏ

hơn trong đoạn [1,4]

c:= (a+b)/2a:= 1; b:= 4; ε = 0.00001

BIỂU DIỄN BẰNG GiẢ MÃ

Nếu f(c) > 0 thì thực hiện khối

Nếu ngược lại thì thực hiện khối

if (epx(c)-sin(c) > 0) a=c

HIỆU QUẢ CỦA THUẬT TOÁN

Với mỗi bài toán có thể có nhiều thuật toán khác nhau Tuy nhiên hiệu quả của chúng có thể rất khác nhau.

Trong tin học người ta quan tâm nhiều đến độ phức tạp về thời gian: giải bài toán đó cần bao nhiêu thời gian, vấn đề này được quy về số phép tính cơ bản cần được thực hiện

Độ phức tạp không gian: sự tiêu tốn không gian nhớ

Vấn đề hiệu quả thời gian là vấn đề được nghiên cứu nhiều hơn cả

VÍ DỤ HIỆU QUẢ TÌM KIẾM

Ví dụ bài toán tìm kiếm: cho một dãy n số khác nhau a1,a2 ai an và

một số x.Hãy cho biết x có trong dãy số đó hay không và ở vị trí thứ bao nhiêu Thuật toán tìm kiếm tuần tự như sau:

HIỆU QUẢ CỦA THUẬT TOÁN

Nếu sắp xếp dãy số theo thứ tự tăng dần có thể tìm bằng thuật toán tìm kiếm nhị

phân, với tư tưởng thu hẹp dần vùng tìm kiếm

Bước 1 Cho d := 1, c:=n (d: đầu, c: cuối, g: giữa)

Bước 2 Tính g := [(d+c)/2]

Bước 3 So x với ag Nếu x=ag chuyển tới bước 7 Nếu khác thì tiếp tục thực hiện bước 4

Bước 4 Nếu d=c thì tuyên bố không có số x và kết thúc Nếu không thì thực hiện bước 5 tiếp

Bước 4 Nếu d=c thì tuyên bố không có số x và kết thúc Nếu không thì thực hiện bước 5 tiếp

Cứ mỗi lần không tìm được ta lại giảm độ dài vùng tìm kiếm đi hai lần Số bước tìm trung bình là

log2n Nếu có 1 triệu phần tử thì chỉ mất khoảng 20 lần tìm, rất nhỏ so với tìm tuần tự

NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

Ngôn ngữ lập trình (programming language) là ngôn ngữ biểu diễn thuật toán dùng để điều khiển máy tính thực hiện các công việc đã định.

Các quy tắc viết được gọi là cú pháp (syntax) của ngôn ngữ ý nghĩa mà ngôn ngữ chuyển tải gọi là ngữ nghĩa (semantic)

Một chương trình máy tính (program)phải được thể hiện trên một ngôn ngữ xác định Như vậy một thuật toán có thể diễn đạt bằng nhiều chương trình khác nhau trên những ngôn ngữ khác nhau.

CÁC MỨC CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

Ngôn ngữ máy: ngôn ngữ thể hiện trực tiếp trong hệ lệnh của máy Nói chung ngôn ngữ máy là ngôn ngữ ở mức các bít, nên cũng được gọi là ngôn ngữ nhị phân

Hợp ngữ (assembly) là loại ngôn ngữ về cơ bản là gần với ngôn ngữ nhị phân, mỗi lệnh của ngôn ngữ máy có một lệnh tương ứng của hợp ngữ nhưng hợp ngữ sử dụng mã chữ

Ngôn ngữ bậc cao – còn gọi là ngôn ngữ thuật toán (Algorithmic language) là ngôn ngữ biểu diễn thuật toán độc lập với hệ lệnh của máy

Mỗi ngôn ngữ xác định một kiểu diễn đạt kịch bản điều khiển máy tính Mỗi một kịch bản điều khiển máy viết trên một ngôn ngữ lập trình gọi là một

chương trình (program)

Nhược điểm: khó viết, khó chữa lỗi, phụ thuộc vào từng loại máy

Nhược điểm: khó viết, khó chữa lỗi, phụ thuộc vào từng loại máy Nói chung chi phí cao.

HỢP NGỮ (ASSEMBLY)

Về cơ bản, mỗi lệnh hợp ngữ tương tự với một lệnh máy – nhưng dùng

mã chữ nên dễ hiểu, dễ sửa

Phải dịch ra ngôn ngữ máy (thay mã lệnh và địa chỉ)

Có các lệnh macro, cho phép thay thế hiệu quả hơn

Ưu điểm: dễ lập trình dễ sửa lỗi hơn ngôn ngữ máy

Nhược điểm: vẫn còn phức tạp và phụ thuộc vào máy

NGÔN NGỮ BẬC CAO

Ngôn ngữ máy và hợp ngữ phụ thuộc vào máy, lại khó dùng, vì nó buộc

người lập trình phải viết tinh tế đến mức lệnh máy

Người ta muốn các ngôn ngữ chỉ diễn tả thuật toán mà thôi, không liên quan đến các hệ lệnh đặc thù của máy tính cụ thể Các ngôn ngữ này gọi là ngôn ngữ bậc cao (high level language) hay còn gọi là ngôn ngữ thuật toán

(algorithmic language)

Ngôn ngữ thuật toán có hình thức giống với ngôn ngữ tự nhiên hoặc ngôn ngữ toán học nên dễ diễn đạt hơn nhiều so với ngôn ngữ máy hoặc hợp ngữ

GOTO 30

10 WRITE(3,40)

40 FORMAT('VO NGHIEM')

30 END

DỊCH NGÔN NGỮ BẬC CAO

Máy tính chỉ có thể thi hành trực tiếp ngôn ngữ nhị phân, do đó phải dịch bằng một cách nào đó để máy tính có thể thực hiện được

Có hai cách thực hiện:

- Sử dụng một chương trình mô phỏng (phần mềm này đã ở mã nhị phân gọi là

chương trình thông dịch - interpreter) Chương trình này đọc và thi hành các lệnh trong ngôn ngữ bậc cao Do vậy chương trình thông dịch thực sự đóng vai trò một máy ảo Trong chế độ thông dịch, không sinh chương trình tương ứng trong mã nhị phân

- Dịch chương trình trong ngôn ngữ thuật toán thành một chương trình ở ngôn ngữ máy bảo toàn ngữ nghĩa nhờ chương trình biên dịch (compiler)

THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH TRÊN NGÔN NGỮ BẬC CAO

Soạn thảo chương trình nhờ một bộ soạn thảo nào đó

Phân tích từ vựng (lexical analys): tạo ra hồ sơ của tất cả các đối tượng của chương trình phục vụ cho việc phân phối không gian nhớ sau này

Phân tích cú pháp (syntax analys): Cú pháp (syntax): quy tắc viết các câu lệnh

(statement) đảm bảo rõ nghĩa, không nhập nhằng Nếu không đúng sẽ không thể tạo được

mã Tất cả các lỗi cú pháp đều được phát hiện được trong khi dịch

Tạo mã, tối ưu mã (code generation, optimalization)

Liên kết: (link) kết nối các mô đun đối tượng thành một chương trình hoàn chỉnh và duy nhất.

Thực hiện, tải chương trình và nạp dữ liệu để chạy Khi chạy vẫn còn có thể có lỗi ngữ nghĩa Lỗi ngữ nghĩa chỉ có thể phát hiện khi chạy chương trình

DỊCH SANG NGÔN NGỮ MÁY

Phần mềm soạn thảo

Chương trình dịch

Chương trình liên kết Dữ liệu

Chương trình nguồn

Các mô đun đối tượng

Chương trình chạy được

Kết quả

xử lý

Lỗi cú pháp

Lỗi liên kết Lỗi thi

hành

MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM

1985: với sự xuất hiện bộ phát triển Turbo Pascal đã hình thành một khuynh hướng mới về việc tạo ra các môi trường phát triển tích hợp IDE (Intergated Development Environment) -> toàn bộ các quá trình soạn thảo, dịch, liên kết , thi hành và gỡ lỗi được thực hiện trong cùng một mối trường liên hệ chặt chẽ

bước phát triển tiếp của IDE là việc phát triển hướng đối tượng, phát triển theo mẫu, lập trình hướng tới thành phần (liên kết động các thành phần có sẵn trong

mã nhị phân) làm việc sinh mã chương trình trở nên hiệu quả hơn rất nhiều

Các hệ CASE (Computer Aided Software Engineering) còn cho phép phát sinh

mã trên nền thiết kế là một bước tiến theo một khuynh hướng khác

Các bước chính để dịch từ một chương trình nguồn sang mã nhị phân là

soạn thảo, phân tích từ vựng, phân tích cú pháp, dịch, tối ưu hoá, liên kết

mã Trong các môi trường tích hợp các khâu trên và cả khâu gỡ lỗi được tích hợp vào trong một tổng thể

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1 Thuật toán là gì? Cho ví dụ.

2 Xác định input và output cho các thuật toán sau đây:

tam giác hay không?

3 Trình bày tính chất xác định của thuật toán và nêu rõ nghĩa của tính chất

3 Trình bày tính chất xác định của thuật toán và nêu rõ nghĩa của tính chất

này

4 Cho tam giác ABC có góc vuông A và cho biết cạnh a và góc B Hãy viết

thuật toán để tính góc C, cạnh b và cạnh c.

5 Hãy phát biểu thuật toán để giải bài toán sau: "Có một số quả táo Dùng cân

hai đĩa (không có quả cân) để xác định quả táo nặng nhất"

6 Chỉ dùng phép cộng, tính bình phương của một số

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

7 So sánh ngôn ngữ thuật toán với ngôn ngữ máy và hợp

ngữ

8 Kể tên một số ngôn ngữ lập trình mà bạn biết

9 Nếu các bước thực hiện một chương trình trên ngôn ngữ

thuật giải

10 Phân biệt lỗi cú pháp và lỗi ngữ nghĩa

11 Trình bày môi trường phát triển tích hợp

HỎI VÀ ĐÁP