Урок 1. Алгоритм и его свойства. Языки программирования

1. Понятие алгоритма

В современном мире мы постоянно сталкиваемся с алгоритмами: рецепт приготовления блюда, инструкция по сборке мебели, маршрут поездки — все это примеры алгоритмов.

Алгоритм — это понятное и точное предписание (указание) исполнителю выполнить конечную последовательность действий, направленных на достижение указанной цели или решение поставленной задачи.

Ключевые элементы алгоритма:

• Исполнитель — тот, кто выполняет алгоритм (человек, робот, компьютер).

• Система команд исполнителя (СКИ) — набор команд, которые понимает и может выполнить исполнитель. Например, исполнитель «Черепаха» в языке Лого понимает команды «вперед n», «направо k», а исполнитель «компьютер» понимает команды процессора.

• Среда — обстановка, в которой действует исполнитель.

2. Свойства алгоритмов

Далеко не всякая последовательность действий является алгоритмом. Алгоритм должен обладать следующими свойствами:

1. Дискретность (от лат. discretus — прерывистый) — алгоритм должен быть разбит на отдельные, законченные действия (шаги). Выполнение каждого шага заканчивается прежде, чем начинается следующий.

   • Аналогия: Рецепт разбит на отдельные шаги: «нарезать», «обжарить», «посолить».

2. Понятность — алгоритм должен быть составлен из команд, входящих в систему команд исполнителя. Алгоритм, содержащий команду «Приготовь вкусный суп», непонятен для робота-повара, так как слово «вкусный» для него не имеет смысла.

3. Определённость (детерминированность) — каждая команда алгоритма должна быть однозначной и не оставлять возможности для произвольного толкования. Результат выполнения одного и того же алгоритма должен быть одинаковым при одинаковых исходных данных.

   • Пример неопределенности: «Добавь немного соли». Пример определенности: «Добавь 5 г соли».

4. Результативность (конечность) — выполнение алгоритма должно завершиться за конечное число шагов с определенным результатом. Алгоритм не может уходить в «бесконечный цикл».

   • Пример безрезультатности: Алгоритм: «1. Начать. 2. Перейти к шагу 1. 3. Закончить.» — никогда не достигнет шага 3.

5. Массовость — алгоритм должен быть применим для решения целого класса однотипных задач, отличающихся исходными данными.

   • Пример: Алгоритм решения квадратного уравнения $ax^2 + bx + c = 0$ должен работать для любых чисел a, b, c (где a ≠ 0).

3. Способы записи алгоритмов

Алгоритмы можно представлять различными способами:

• Словесный (на естественном языке).

• Графический (в виде блок-схем).

• Программный (на языке программирования).

4. Языки программирования

Чтобы поручить выполнение алгоритма компьютеру, его необходимо записать на языке, понятном машине. Таким языком является язык программирования.

Язык программирования — это формальный знаковый система, предназначенная для записи алгоритмов, которые будут выполняться компьютером.

Классификация языков программирования:

1. По уровню:

• Языки низкого уровня — близки к машинному коду конкретного процессора.

  • Машинный код: команды состоят из нулей и единиц. Непонятен человеку.

  • Ассемблер: uses мнемонические обозначения команд (например, MOV, ADD). Трудоемок в использовании, но дает полный контроль над аппаратурой.

• Языки высокого уровня — максимально приближены к естественному человеческому языку (часто английскому). Позволяют абстрагироваться от особенностей конкретного процессора.

  • Примеры: Pascal, Python, C++, Java, JavaScript.

  • Достоинства: Простота чтения и написания, переносимость между разными компьютерами.

2. По парадигме (стилю) программирования:

• Императивные (как делать): алгоритм задается как последовательность команд, изменяющих состояние программы.

  • Процедурные (Pascal, C): программа состоит из процедур и функций.

  • Объектно-ориентированные (ООП) (C++, Java, Python): программа представляется как совокупность взаимодействующих объектов.

• Декларативные (что делать): программа описывает desired результат, а не способ его достижения.

  • Функциональные (Haskell, Lisp): программа представляет собой математическую функцию.

  • Логические (Prolog): программа основана на математической логике.

Процесс выполнения программы компьютером:
Программа на языке высокого уровня с помощью специальной программы — транслятора — переводится в машинный код.

• Компилятор — переводит (компилирует) всю программу целиком в машинный код, создавая исполняемый файл (например, .exe). Программа может быть запущена независимо.

  • Примеры: Pascal, C++, Java (частично).

• Интерпретатор — переводит (интерпретирует) и выполняет программу построчно, не создавая отдельного исполняемого файла.

  • Примеры: Python, JavaScript.

Видео урок по данному уроку от учителя информатики Трашкова Олега Леонидовича