Chương 4 lập trình cơ bản

NỘI DUNG Khái niệm bài toán và giải thuật  Đặc trưng yêu cầu của giải thuật  Các phương pháp diễn đạt giải thuật  Sơ lược về đánh giá giải thuật  Ngôn ngữ lập trình và các mức khác

Trang 1

Chương 4 Giải thuật xử lý thông

tin và ngôn ngữ lập trình

Học phần: LẬP TRÌNH CƠ BẢN

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.

2 Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình

Trang 2

NỘI DUNG

 Khái niệm bài toán và giải thuật

 Đặc trưng (yêu cầu) của giải thuật

 Các phương pháp diễn đạt 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

Output KHÁI NIỆM BÀI TOÁN

Cho số tự

nhiên n

n có phải số nguyên tố hay

không

“có” hay

“không”

Cho hồ sơ

điểm sinh viên

Tìm tất cả các sinh viên có điểm trung

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

Trang 3

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)

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

bước 2

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

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

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

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



1.

2.

3.

4.

5.

Trang 4

m

15

n

21

15 6

VÍ DỤ CÁC BƯỚC CỦA THUẬT TOÁN EUCLID

m<n m>n 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 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

Trang 5

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

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.

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

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

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

bước 2

Trang 6

BIỂU DIỄN BẰNG LƯU ĐỒ HOẶC SƠ ĐỒ KHỐI

Khối thao tác

đối tượng:=

biểu thức

Khối input

Khối điều kiện

-+

Thứ tự xử lý

BIỂU DIỄN BẰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN EUCLID

Bắt đầu

m,n

m=n?

+

-m>n ? d:= m

n:= n - m

+

d

m:=m-n

Kết thúc

Trang 7

Điều ch nh lại giá tr

của m và n

BIỂU DIỄN BẰNG GIẢ MÃ

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

while m <>

m>n m=m-n

else

n= n-m;

write(m);

Nếu m > n thì

Bớt m đi một lượng là n

ỉ

Nếu ngượ lại thì

ị

c Bớt n đi một lượng là m

Cho tới khi m = n thì tuyên bố USCLN

chính là giá trị chung của m và n

TÍNH NGHIỆM XẤP XỈ VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC

ε = 0.000001 CỦA PHƯƠNG TRÌNH f(x)= ex- x3 = 0

Sử dụng thuật toán chia đôi dựa vào

tính chất: nếu một hàm f liên tục

trên đoạn [a,b] có f(a) và f(b) thì

phương trình f(x) = 0 nhất định thừa

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]

Trang 8

a:= c b:= c

TÍNH NGHIỆM XẤP XỈ VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC

ε = 0.000001 CỦA PHƯƠNG TRÌNH f(x)= ex- x3 = 0

Ta có f(a)>0, f(b)<0 Thuật toánchia đôi tiến hành vây nghiệm, mỗi bước vây, giảm khoảng vây đi 2 lần.

c

1 Tính f(c) với c= (a+b)/2.

Không xảy ra f(c) = 0 Tiếp bước 2

Nếu f(c)> 0 thay a bởi c, sau

đó thực hiện bước 4

b

a

2.

3 Nếu f(c) <0 thay b bởi c Thực hiện bước tiếp theo

Nếu b-a > ε, quay về 1, nếu không làm tiếp

Dừng, lấy c làm nghiệm

4.

5.

TÍNH NGHIỆM XẤP XỈ VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC

ε = 0.000001 CỦA PHƯƠNG TRÌNH f(x)= ex- x3 = 0

a:= 1; b:= 4; ε = 0.00001 c:= (a+b)/2

f(c) >0 ?

-+

c

b-a < ε

Trang 9

BIỂU DIỄN BẰNG GIẢ MÃ

Cho ε = 0.000001, a=1 b=4

Lặp lại khối sau: a=1; b= 4;

epsi= 0.000001;

do

c= (a+b)/2;

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

else

Tính c:= (a+b)/2

Tính f(c)

Nếu f(c) > 0 thì thực hiện khối

Thay a bởi c

Nếu ngược lại thì thực hiện khối

b= c

while (b-a < epsi) printf(c);

Thay b bởi c

Cho tới khi b-a < ε thì lấy c làm

nghiệm xấp xỉ

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

Trang 10

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:

Bước 1 Cho i = 1

Bước 2 Nếu ai = x thì chuyển tới bước 5, nếu không thực hiện tiếp

bước 3

Bước 3 Tăng i lên 1 và kiểm tra i > n Nếu đúng về bước 4 Nếu

sai quay về bước 2

Bước 4 Tuyên bố không có số x Kết thúc

Bước 5 Tuyên bố số x chính là số thứ i Kết thúc



Số bước tìm trung bình là n/2 Nếu có 1 triệu phần tử thì phải mất khoảng

500.000 phép so sánh

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 a g Nếu x=a g 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

theo

Bước 5 Nếu x < a g thì thay c bằng a g và quay về bước 2 Nếu không thì thực hiện bước 6

tiếp theo



Bước 6 Thay d bằng a g và quay về bước 2

Bước 7 Tuyên bố số x chính là số thứ g Kết

thúc



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

là log 2 n Nếu có 1 triệu phần tử thì chỉ mất khoảng 20 lần tìm, rất nhỏ so với tìm tuần tự

Trang 11

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)



Trang 12

Mã máy nhị phân Mã hexa Ý nghĩa

1001 0001 0110 0000 0001 0000 A1 60 10 Nạp 1060 lên TG AX

0000 0011 0110 0110 0001 0000 03 66 10 Cộng AX với 1066 -> AX

1010 0011 0000 0000 0010 1011 A3 00 2B Ghi từ AX về 2B00

NGÔN NGỮ MÁY

 Chính là ngôn ngữ được viết bằng lệnh máy trong hệ nhị phân

hoặc hệ 16

 Ưu điểm, tận dụng được khả năng của máy, tối ưu được thời

gian chạy

 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

Trang 13

DỊCH HỢP NGỮ (ASSEMBLY)

 Để máy có thể chạy được thì phải dịch chương trình trên hợp ngữ thành một

chương

trình trên ngôn ngữ máy -> nhờ một phần mềm có tên là bộ hợp dịch (assembler)

 thế mã lệnh và địa chỉ bằng các mã số.đầu tiên bộ hợp dịch sẽ phải bố trí không gian nhớ cho các đối tượng, sau đó thay

 Thay thế được thực hiện với các lệnh macro, là các lệnh tương đương với

nhiều lệnh.

 Kết quả của bước dịch đầu tiên là tạo ra các mô đun đối tượng, là các đoạn

chương trình dưới dạng nhị phân nhưng chưa có cấu trúc hoàn chỉnh để sẵn

sàng chạy ngay.

 thành một chương trình nhị phân hoàn chỉnh Sau đó mới nạp chương trình này vàoThường thực hiện một bước khác là liên kết, để kết hợp nhiều mô đun đối tượng

thi hành

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

Trang 14

* * *

VÍ DỤ VỀ NGÔN NGỮ BẬC CAO

 Ví dụ giải phương trình

DELTA = B B - 4 A C

IF DELTA < 0 GOTO 10 X1= (- B + SQRT(DELTA))/(2*A) X2 =(- B - SQRT(DELTA))/(2*A) WRITE (3,20) X1, X2

20 FORMAT ('NGHIEM 1= ', F8.3, NGHIEM 2 = ', F8.3)

GOTO 30

DELTA := B*B - 4*A*C;

IF DELTA >= 0 THEN

BEGIN

X1 := (- B +

SQRT(DELTA))

/(2*A);

X2 := (- B - SQRT(DELTA))/(2*A);

WRITE (X1,X2);

END

ELSE

WRITE(‘Vô nghiệm)

10 40 30

WRITE(3,40) FORMAT('VO NGHIEM') 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)

Trang 15

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

Kết quả

xử lý Chương trình

nguồn

Các mô đun đối tượng

Chương trình chạy được

Lỗi cú pháp Lỗi liên kết Lỗi thi hành

Soạn thảo Dịch Liên kết Thực hiện

Trang 16

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

Tóm tắt nội dung

 Ngôn ngữ lập trình là phương tiện diễn tả thuật toán để máy tính có thể sử

dụng trực tiếp hoặc gián tiếp

 Theo mức trừu tượng hoá có các mức là ngôn ngữ máy, hợp ngữ và ngôn

ngữ thuật toán Đối với hợp ngữ phải sử dụng phần mềm hợp dịch, với ngôn

ngữ thuật toán phải dùng phần mềm biên dịch để tạo ra phần mềm tương

ứng trong ngôn ngữ máy – ngôn ngữ mà máy có thể chạy trực tiếp

 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

Trang 17

THẢO LUẬN

 Sự khác biệt giữa các mức ngôn ngữ lập trình, nguyên tắc

phân biệt các mức của NNLT.

 Đánh giá hiệu quả của các thuật toán khác nhau cùng giải

quyết một bài toán.

 Phân tích ưu, nhược điểm của từng phương pháp biểu

diễn giải thuật?

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Thuật toán là gì? Cho ví dụ

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

a Rút gọn một phân số.

b Kiểm tra xem ba số cho trước a, b và c có thể là độ dài ba cạnh của

một tam giác hay không?

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

chất này

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

1.

2.

3.

4.

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"

Chỉ dùng phép cộng, tính bình phương của một số

5.

6.

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	471,93 KB