Класифікація моделей.
Розглядаючи моделі за ознакою галузі використання, можна сказати, що вони бувають:
• навчальні — наочні посібники, тренажери, навчальні програми;
• дослідні — створюються для дослідження характеристик реального об'єкта (наприклад, модель теплоходу перевіряється на плавучість, а модель літака — на аеродинамічні характеристики);
• науково-технічні — для дослідження процесів та явищ (наприклад, ядерний реактор або синхрофазотрон);
• ігрові моделі — для вивчення можливої поведінки об'єкта в запрограмованих або непередбачених ситуаціях (наприклад: військові, економічні, спортивні ігри тощо);
• імітаційні моделі — виконується імітація дійсної ситуації, що багато повторюється для вивчення реальних обставин (наприклад: випробування лікарських препаратів на мишах або інших тваринах, політ собаки в космос).
За ознакою фактора часу моделі можуть бути динамічні та статичні. В першому випадку над об'єктом виконуються дослідження протягом деякого терміну (наприклад, постійний нагляд сімейного лікаря), а в другому — робиться одноразовий зріз стану (наприклад, одноразове обстеження в поліклініці).
За способом представлення моделі можуть бути матеріальні та інформаційні.
Матеріальні моделі — це предметне відображення об'єкта зі збереженням геометричних та фізичних властивостей (наприклад: іграшки, чучела тварин, географічні карти, глобус і таке інше). Це матеріальні моделі реально існуючих об'єктів. Матеріальною моделлю можна також вважати хімічний або фізичний дослід. Ці моделі реалізують матеріальний підхід до вивчення об'єкта чи явища.
Поняття алгоритму і його властивості.
Алгоритм - це правило перетворення інформації, застосування якого до заданої (вхідної) інформації приводить до результату - нової інформації. Так, наприклад, застосування правила додавання дробів до 1/2 і 2/3 дає результат 5/6. Основну увагу в теорії алгоритмів приділяється методам завдання (описання, конструювання) алгоритмів.
Алгоритм - це скінченний набір інструкцій по перетворенню інформації (команд), виконання яких приводить до результату. Кожна інструкція алгоритму містить точний опис деякої елементарної дії по перетворенню інформації, а також (в явному або неявному вигляді) вказівку на інструкцію, яку необхідно виконувати наступною. Так, алгоритм додавання дробів можна задати такою послідовністю команд:
Алгоритми мають ряд важливих властивостей:[32]
Скінченність
алгоритм має завжди завершуватись після виконання скінченної кількості кроків. Процедуру, яка має решту характеристик алгоритму, без, можливо, скінченності, називають методом обчислень.
Дискретність
процес, що визначається алгоритмом, можна розчленувати (розділити) на окремі елементарні етапи (кроки), кожен з яких називається кроком алгоритмічного процесу чи алгоритму.[31]
Визначеність
кожен крок алгоритму має бути точно визначений. Дії, які необхідно здійснити, повинні бути чітко та недвозначно визначені для кожного можливого випадку.
Вхідні дані
алгоритм має деяку кількість (можливо, нульову) вхідних даних, тобто, величин, заданих до початку його роботи або значення яких визначають під час роботи алгоритму.
Вихідні дані
алгоритм має одне або декілька вихідних даних, тобто, величин, що мають досить визначений зв'язок із вхідними даними.
Ефективність
Алгоритм вважають ефективним, якщо всі його оператори досить прості для того, аби їх можна було точно виконати за скінченний проміжок часу з допомогою олівця та аркушу паперу.
Масовість
властивість алгоритму, яка полягає в тому, що алгоритм повинен забезпечувати розв'язання будь-якої задачі з класу однотипних задач за будь-якими вхідними даними, що належать до області застосування алгоритму.
Форми представлення алгоритму.
У процесі розробки алгоритму можуть використовуватись різні способи його опису, які відрізняються за простотою, наочністю, компактністю, мірою формалізації, орієнтації на машинну реалізацію тощо.
Форми запису алгоритму:
словесна або вербальна (мовна, формульно-словесна);
псевдокод (формальні алгоритмічні мови);
схемна:
структурограми (схеми Нассі-Шнайдермана);
графічна (блок-схема, виконується за вимогами стандарту).
Базові структури алгоритму (лінійна, розгалужена, циклічна).
Всього існують чотири базових структури алгоритмів:
лінійні;
розгалужені;
циклічні;
змішані.
Найпростіша в написанні та виконанні перша з цих структур - лінійна. До неї відносяться алгоритми, що складаються лише з простих команд. Які ж команди можна назвати простими? Простими з точки зору комп'ютера являються ті команди, що виконуються виконавцем безумовно, тобто після першої команди виконується друга, потім третя і т.д. Загальний вигляд лінійного алгоритму, поданий мовою блок-схем, наступний:
На відміну від людини виконавець "комп'ютер" не може відмовитися від виконання команди, він не може подібно недбалому учню сказати "не хочу", "не можу", " в мене болить голова і поганий настрій". Команда, записана в алгоритмі, повинна бути виконаною, тому, якщо знехтувати суто людськими якостями ("не хочу", "не можу" і т.д.), лінійним можна назвати алгоритм ранкового збирання до школи.
проснутися;
зробити ранковий туалет;
одягнутися;
поснідати;
зібрати речі;
одягнути верхній одяг;
вийти до школи.
Та, навіть, в такому простому алгоритмі в зразу ж знайдете недоліки. А що робити, якщо я себе погано почуваю (захворів), а якщо я вже зібрав речі ввечері, а якщо я не встиг напередодні вивчити всі уроки і мені необхідно щось повторити, а що значить одягнути верхній одяг (він залежить від пори року, погоди тощо). Якщо ж спробувати прослідкувати за вашою поведінкою на протязі дня, то з'ясується, що майже ніколи ви не дієте за лінійним алгоритмом. Весь час ви аналізуєте ситуацію, змінюєте свою поведінку та свої плани, пристосовуєтесь до обставин. Тому набагато частіше зустрічається другий тип алгоритму - розгалужений. Цей алгоритм обов'язково містить в собі хоча б одну умову (як правило, їх набагато більше) і виконується він в залежності від цієї умови.Мовою блок-схем розгалужений алгоритм подається наступним чином:
Тепер розберемось, що ж таке умова з точки зору виконавця. Умовою називається таке речення, на яке можна дати відповідь "так" чи "ні". Як правило, кажуть, що в першому випадку (коли ми відповіли на речення "так") умова являється істиною, а в другому хибною.Виходячи з цього, речення "Якого кольору твій піджак?" не можна вважати умовою, а речення "Твоє волосся русяве?" - можна.Однак, навіть маючи в своєму арсеналі команду розгалуження, важко реалізувати алгоритми, що потребують багаторазового повторення деякої послідовності однакових дій. В цих випадках нас виручає циклічний алгоритм. У нашому житті дуже часто зустрічаються алгоритми з повторами, причому чітко визначаються два типи повторів. В одному випадку ми чітко знаємо, скільки разів необхідно повторити задану послідовність команд, а в іншому - ні. Наприклад, в першому класі вчителька дає завдання дітям: "Діти, напишіть, будь ласка, в зошитах десять цифр "1", а потім рядочок цифр "2". Чим відрізняються ці два завдання? В першому випадку дитина отримала чітку вказівку написати десять одиниць, а в другому - ця вказівка була не точною (рядочок двійок). Чому другий випадок не такий точний? Тому що кількість отриманих кожним учнем цифр буде залежати від їх власного почерку: одні учні пишуть охайно маленькими цифрами, інші - неохайно величезними кривулями.В залежності від того, чи знаємо ми скільки разів необхідно повторювати якусь послідовність команд розрізняють цикли з лічильником (кількість повторень відома заздалегідь) та цикли з умовою (цикл робиться доки не виконається якась умова). Примітка: Знов запропонуйте дітям пофантазувати і придумати ситуації, коли можна визначити кількість повторень, а коли не можна.Крім того, в циклах з умовою теж можна виділити два різних випадки:
цикл з передумовою - коли ми спочатку перевіряємо умову, а потім виконуємо деяку послідовність дій (так, ми спочатку перевіряємо, чи вимита підлога в тій класній кімнаті, де нам потрібно чергувати, а потім починаємо прибирання);
цикл с післяумовою - спочатку ми виконуємо хоч один раз необхідну послідовність дій, а потім перевіряємо, чи не досягли ми бажаного результату (коли ми хочемо пити, ми спочатку ковтаємо хоч глоток води, а потім починаємо контролювати, чи не вгамували ми свою спрагу).
Мовою блок-схем обидва типи циклів виглядають наступним чином:
змішаний тип алгоритму, в якому поєднуються елементи лінійних, розгалужених та циклічних алгоритмів. Блок-схеми алгоритмів.
