Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình (lập TRÌNH cơ bản SLIDE)

Chương 7. Giải thuật xử lý thông
tin và ngôn ngữ lập trình
Học phần: LẬP TRÌNH CƠ BẢN


Tài liệu tham khảo


2

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

Giải thuật xử lý thông tin và ngơn ngữ lập trình


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



Ngơn ngữ lập trình và các mức khác nhau của ngơn ngữ
lập trình



3

Q trình thực hiện chương trình trên ngơn ngữ bậc cao
Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


Input

u cầu

KHÁI NIỆM BÀI TỐN

Output

Cho số tự
nhiên n

n có phải số
ngun tố hay
khơng

“có” hay
“khơng”

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 tốn nghĩa là cho input,
và u cầu để tìm (tính) ra output
4

Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình


KHÁI NIỆM THUẬT TỐN


Thuật tốn (algorithm) là một q 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 tốn



Ví dụ : thuật tốn Euclid tìm ước số chung lớn nhất của hai số tự
nhiên. Thay vì phải tính tốn 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:

5



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



Nếu a> b, USCLN(a,b) = USCLN (a-b,b)



USCLN(a,a)= a
Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình


THUẬT TỐN EUCLID
TIM USCLN CỦA HAI SỐ TỰ NHIÊN


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

1.

Bước 1: Kiểm tra nếu m= n thì về bước 5, nếu khơng 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
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

6

Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình


VÍ DỤ CÁC BƯỚC CỦA THUẬT TỐN EUCLID

m n
15 21
15 6

mm>n

9

6

m>n

3
3

6
3

mm=n

USCLN(15,21) = 3
7

Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình


CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA THUẬT TỐN



Input



Output



Tính xác định: Sau mỗi bước, bước tiếp theo hồn tồn xác định.



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



Tính dừng: q trình tính tốn ln phải dừng sau một số hữu hạn bước.



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

8

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TỐN


Dùng ngơn ngữ tự nhiên



Dùng sơ đồ khối



Dùng mã giả (pseudo-code)

9

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TỐN


Ví dụ


Thuật tốn giải PT bậc nhất: ax + b = 0
(a, b là các số thực).

Đầu vào: a, b thuộc R

Đầu ra: nghiệm phương trình ax + b = 0
Tư duy:
• Nếu a = 0
• b = 0 thì phương trình có nghiệm bất kì.
• b ≠ 0 thì phương trình vơ nghiệm.
• Nếu a ≠ 0
• Phương trình có nghiệm duy nhất x = -b/a


Biểu diễn thuật toán: Sử dụng ngôn
ngữ tự nhiên
Đầu
Đầu
1.
2.

vào: a, b thuộc R
ra: nghiệm phương trình ax + b = 0
Nhập 2 số thực a và b.
Nếu a = 0 thì
2.1. Nếu b = 0 thì
2.1.1. Phương trình vơ số nghiệm
2.1.2. Kết thúc thuật tốn.
2.2. Ngược lại
2.2.1. Phương trình vơ nghiệm.
2.2.2. Kết thúc thuật tốn.
3. Ngược lại
3.1. Phương trình có nghiệm.
3.2. Giá trị của nghiệm đó là x = -b/a
3.3. Kết thúc thuật toán.

Sử dụng lưu đồ - sơ đồ khối
Khối giới hạn
Chỉ thị bắt đầu và kết thúc.
Khối vào ra
Nhập/Xuất dữ liệu.
Khối lựa chọn
Tùy điều kiện sẽ rẽ nhánh.
Khối thao tác
Ghi thao tác cần thực hiện.
Đường đi
Chỉ hướng thao tác tiếp theo.


Sử dụng lưu đồ - sơ đồ khối
Bắt đầu
Đọc a,b
Đ
Đ
Xuất
“VSN”

b=0

a=0
S

S
Tính

x = -b/a

Xuất
“VN”
Kết thúc

Xuất x


Sử dụng mã giả


Vay mượn ngơn ngữ nào đó (ví dụ Pascal) để biểu diễn
thuật toán.
Đầu vào: a, b thuộc R
Đầu ra: nghiệm phương trình ax + b = 0
If a = 0 Then
Begin
If b = 0 Then
Xuất “Phương trình vơ số nghiệm”
Else
Xuất “Phương trình vơ nghiệm”
End
Else
Xuất “Phương trình có nghiệm x = -b/a”


Cài đặt thuật toán bằng C/C++
#include <stdio.h>
#include <conio.h>

void main()
{
int a, b;
printf(“Nhap a, b: ”);
scanf(“%d%d”, &a, &b);
if (a == 0)
if (b == 0)
printf(“Phương trình VSN”);
else
printf(“Phương trình VN”);
else
printf(“x = %.2f”, -float(b)/a);
}


Sơ lược về đánh giá giải thuật


Với mỗi bài toán có thể có nhiều thuật tốn 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 tốn 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.

16

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


VÍ DỤ HIỆU QUẢ TÌM KIẾM
Ví dụ bài tốn 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 khơng và ở vị trí thứ
bao nhiêu. Thuật tốn 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. Tun bố khơng có số x. Kết thúc



Bước 5. Tun 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

17

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


HIỆU QUẢ CỦA THUẬT TOÁN
Nếu sắp xếp dãy số theo thứ tự tăng dần có thể tìm bằng thuật tốn 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 tun bố khơng có số x và kết thúc. Nếu khơng thì thực hiện bước 5 tiếp theo



Bước 5. Nếu x < ag thì thay c bằng ag và quay về bước 2. Nếu khơng thì thực hiện bước 6 tiếp theo



Bước 6. Thay d bằng ag và quay về bước 2



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

Cứ mỗi lần khơng tìm được ta lại giảm độ dài vùng tìm kiếm đi hai lần. Số bước tìm trung bình là log 2n.
Nếu có 1 triệu phần tử thì chỉ mất khoảng 20 lần tìm, rất nhỏ so với tìm tuần tự

18

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


Vấn đề cài đặt tḥt toán và ngơn ngữ
lập trình


Ngơn ngữ lập trình (programming language) là ngơn ngữ biểu
diễn thuật tốn 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 tốn có thể diễn đạt
bằng nhiều chương trình khác nhau trên những ngơn ngữ khác
nhau.
19

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


CÁC MỨC CỦA NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH


Ngơn ngữ máy: ngơn ngữ thể hiện trực tiếp trong hệ lệnh của máy. Nói chung
ngơn ngữ máy là ngơn ngữ ở mức các bít, nên cũng được gọi là ngơn 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



Ngơn ngữ bậc cao – cịn gọi là ngơn ngữ thuật tốn (Algorithmic language) là
ngơn 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 ngơn ngữ lập trình gọi là một
chương trình (program)
20

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


NGƠN NGỮ MÁY


Chính là ngơn 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.
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

Ghi từ AX về 2B00
21
thuật xử lý thơng tinA3
và ngơn
ngữ lập trình
00 2B
1010
0011 0000 0000Giải0010
1011

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 ngơn ngữ máy



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

Hợp ngữ

22

Mã máy trong hệ hexa

MOV AX CHIEU_DAI

A1 64 10

ADD AX CHIEU_RONG

03 66 10

MOV NUA_CHU_VI AX

A3 00 2B
Giải thuật xử lý thông tin và ngôn ngữ lập trình


DỊCH HỢP NGỮ (ASSEMBLY)


Để máy có thể chạy được thì phải dịch chương trình trên hợp ngữ thành một chương
trình trên ngơn ngữ máy -> nhờ một phần mềm có tên là bộ hợp dịch (assembler)



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



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 hồn chỉnh để sẵn sàng chạy ngay.



Thường thực hiện một bước khác là liên kết, để kết hợp nhiều mô đun đối tượng
thành một chương trình nhị phân hồn chỉnh. Sau đó mới nạp chương trình này vào
thi hành

23

Giải thuật xử lý thơng tin và ngơn ngữ lập trình


NGƠN NGỮ BẬC CAO


Ngơn 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 ngơn ngữ chỉ diễn tả thuật tốn mà thôi, không liên
quan đến các hệ lệnh đặc thù của máy tính cụ thể. Các ngơn ngữ này gọi là
ngơn ngữ bậc cao (high level language) hay còn gọi là ngơn ngữ thuật tốn
(algorithmic language)



Ngơn ngữ thuật tốn có hình thức giống với ngơn ngữ tự nhiên hoặc ngơn

ngữ tốn học nên dễ diễn đạt hơn nhiều so với ngôn ngữ máy hoặc hợp ngữ

24

Giải thuật xử lý thông tin và ngơn ngữ lập trình


VÍ DỤ VỀ NGƠN NGỮ BẬC CAO


Ví dụ giải phương trình
bậc 2 trên PASCAL

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)

25



20

10
40
30

FORTRAN
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
FORMAT ('NGHIEM 1= ',
F8.3, NGHIEM 2 = ', F8.3)
GOTO 30
WRITE(3,40)
FORMAT('VO NGHIEM')
END

Giải thuật xử lý thông tin và ngơn ngữ lập trình