Формалізація та алгоритмізація медичних задач

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Міністерство охорони здоровя України

львівський Національний медичний університет Імені данила галицького

Методичні рекомендації

для самостійної роботи студентів при підготовці до практичного заняття

Навчальна дисципліна Медична інформатика

Тема заняття: Формалізація та алгоритмізація медичних задач

Львів - 2011

Актуальнiсть теми заняття: Формалiзація та алгоритмізація медичних задач є важливою складовою опису послiдовностi дiй в процесi дослідження та аналiзу бiомедичних об'єктiв. Необхідною умовою ефективного використання лiкарем комп'ютерної технiки є його знання принципiв побудови програмного забезпечення, в основi якого лежать певнi алгоритми. Вивчення основ алгоритмізації - необхідна умова поєднання теорії і практики програмування, частина математичної культури та загальної куль тури мислення.

Мета заняття: забезпечити знання теоретичних і практичних основ формалізації та алгоритмізації медичних задач.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ

Фундаментом сучасної методології розробки програм є алгоритми. Програми, що створюються як вправи на початкових етапах навчання програмування, - це переважно нескладні завдання, записані однією з мов програмування.

На етапах навчання методи, за допомогою яких виконують завдання, набувають дедалі більшого значення, їх застосування потрібне для розроблення плану виконання завдання ще до того, як розв'язок буде виражений мовою програмування, тобто виникає необхідність створення алгоритму.

Для наочного представлення структури розв'язання складних задач особливо підходять схеми алгоритмів їх розв'язку, адже їх можна реалізувати будь-якою мовою програмування.

Загальними для всіх алгоритмів і найсуттєвішими є ознаки форми, структури і двосторонніх зв'язків між конструктивними об'єктами.

Крім цього, важливе значення мають не лише можливості нових поколінь обчислювальних засобів, а й часова складність вибраного алгоритму.

Вивчення основ алгоритмізації - необхідна умова поєднання теорії і практики програмування, частина математичної культури та загальної куль тури мислення.

ЕТАПИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧІ НА ЕОМ

Розв'язання будь-якої задачі на ЕОМ складається з кількох етапів, а саме

· постановка завдання;

· формалізація (математична постановка задачі);

· вибір (або розроблення) методу розв'язування;

· розроблення алгоритму;

· складання програми;

· налагодження програми;

· обчислення та обробка результатів.

Поряд з цими етапами у процесі розв'язування задачі користувач може проводити:

· вибір мови програмування;

· опис структури даних;

· оптимізацію програми;

· тестування;

· документування та ін.

Під час постановки задачі першочергову увагу треба приділити з'ясуванню кінцевої мети і розроблення загального підходу до досліджуваної проблеми, а саме встановити:

· чи зрозуміла термінологія у формулюванні задачі;

· що дано;

· що необхідно знайти;

· які загальні властивості явища чи об'єкта;

· чи існує розв'язок поставленої задачі і чи він єдиний;

· яких даних не вистачає і чи всі вони потрібні;

· які слід зробити припущення;

· які можливості конкретної ЕОМ і заданої системи програмування (проаналізувати).

Формалізація _ це побудова математичної моделі розглядуваного явища. У результаті аналізу суті задачі визначається об'єм і специфіка даних, вводиться система умовних позначень, встановлюється приналежність розв'язуваної задачі до одного з відомих класів задач, вибирається відповідний математичний апарат.

На перший погляд більшість задач, які зустрічаються на практиці, не мають чіткого і однозначного опису. Деякі задачі взагалі неможливо сформулювати в термінах, що допускають комп'ютерне розв'язання.

Зазвичай для формального опису задачі необхідна велика кількість різних параметрів, і часто лише в ході додаткових експериментів можна знайти інтервали зміни цих параметрів. Якщо певні аспекти розв'язуваної задачі можна виразити в термінах якої-небудь формальної моделі, то це, безумовно, необхідно зробити, оскільки в цьому випадку в рамках формальної моделі можна дізнатись, чи існують методи й алгоритми розв'язання поставленої задачі. Навіть якщо вони не існують, то використання засобів і властивостей формальної моделі допоможе в побудові розв'язку задачі.

Практично будь-яку галузь математики чи інших наук можна використати для побудови моделі певного кола задач. Для задач, числових за своєю природою, можна побудувати моделі на основі загальних математичних конструкцій, таких як системи лінійних рівнянь, диференціальні рівняння тощо. Для задач з символьними або текстовими даними можна застосувати моделі символьних послідовностей або формальних граматик. Розв'язок таких задач містить етапи компіляції та інформаційного пошуку.

Після визначення математичного формулювання задачі слід вибрати метод її розв'язання. При цьому потрібно враховувати:

· складність формул і співвідношень;

· необхідну точність обчислень і характеристики самого методу.

Похибка результату визначається вибраним чисельним методом розв'язання задачі.

Коли побудована (підібрана) модель поставленої задачі, то, звичайно, слід шукати розв'язок в термінах цієї моделі.

На етапі розробки алгоритму основна мета полягає в побудові розв'язання у формі алгоритму, що складається зі скінченої послідовності інструкцій, кожна з яких має чіткий зміст і може бути виконана з певними обчислювальними затратами за скінчений час. Тобто програма, написана на основі розробленого алгоритму, при будь-яких початкових даних ніколи не повинна приводити до нескінченних циклічних обчислень. З цією метою здійснюється:

· поділ обчислювального процесу на можливі складові частини;

· встановлення порядку їх слідування;

· опис змісту кожної такої частини;

· перевірка реалізації вибраного методу.

Розгляд крупноблочної структури алгоритму, дає змогу швидше і простіше розробити кілька різних його варіантів, провести їх аналіз, оцінку і вибрати оптимальний. Поетапна деталізація алгоритму дає можливість здійснювати його розробку по частинах одночасно кількома спеціалістами.

Складання програми передбачає подання алгоритму у формі, зрозумілій ЕОМ.

При відлагодженні програми розробник перевіряє її візуально та виявляє помилки у процесі компіляції.

Обчислення та обробка результатів дозволяє отримати розв'язок задачі шляхом виконання завершеної програми. Цей етап є підсумком виконання всіх попередніх етапів, а іноді обумовлює необхідність повного перегляду і зміни підходу до розв'язання задачі.

ПОНЯТТЯ АЛГОРИТМУ

алгоритмічний забезпечення програмування кислотність

Термін “алгоритм” звичайно використовується для позначення деякої послідовності дій, що приводять до досягнення потрібного результату. Слово «алгоритм» є перефразуванням географічної назви місцевості Хорезм через праці відомого узбецького математика Мухамеда ібн Муса аль Хорезмі (близько 825 року). У IX ст. великий узбецький математик Мухаммед, уродженець Хорезма, розробив правила виконання чотирьох арифметичних дій над числами в десятковій системі числення. Множину цих правил назвали алгоритмом (algorithmi - від латинського написання імені аль-Хорезмі), а потім словом “алгоритм” почали позначати сукупність правил певного виду, а не тільки правил виконання арифметичних дій.

Одним із найперших алгоритмів є відомий алгоритм Евкліда для знаходження найбільшого спільного дільника натуральних чисел ( ІІІ ст. до н. е.).

Тривалий час поняття алгоритму використовували лише математики при позначенні правил розв'язування різних задач. Розвиток математичної науки привів до необхідності уточнення поняття алгоритму як одного з основних математичних понять і розробки нової математичної дисципліни “Теорії алгоритмів”.

Інтуїтивно алгоритм трактується як ефективна обчислювальна процедура в працях Бореля (1912 р.), Вейля (1921 р.) та ефективна обчислювальна функція у роботі Чорча (1936 р.). За Постом (1936 р.) алгоритм - це послідовність пронумерованих інструкцій. У термінах Тюрінга (1936 р.) алгоритм - не порожня послідовність команд. Еквівалентні їм інтуїтивні поняття алгоритму введені Марковим (1951 р.) і Колмогоровим (1953 р.).

Алгоритм - це набір інструкцій, що описує, як деяке завдання може бути виконане. Іншими словами, алгоритм - система формальних правил, що визначає зміст і порядок дій над вхідними даними і проміжними результатами, необхідними для отримання кінцевого результату при розв'язуванні задачі.

Загальна структура алгоритмічного забезпечення наведена на рис. 1.



Рис.1. Загальна структура алгоритмічного забезпечення

Говорячи про алгоритми, необхідно розглянути джерела їх виникнення.

Перше джерело - це практика, наше повсякденне життя, що надає можливість, а іноді й вимагає отримувати алгоритми шляхом описання дій з розв'язування різних задач. Такі алгоритми називаються емпіричними.

Друге джерело - це наука. З її теоретичних положень і встановлених фактів можуть бути виведені алгоритми. Так, на основі теоретичних законів можна побудувати алгоритми для управління різними технологічними процесами.

Третім джерелом є різні комбінації і модифікації вже наявних алгоритмів. Тут велику роль відіграють кваліфікація та винахідливість працівників, їх знання про математичні закономірності перетворень алгоритмів.

Основні форми використання алгоритмів - автономне, бібліотечне, пакетне.

Автономний алгоритм визначається вирішуваним завданням, структурою використовуваних даних, структурою логічних зв'язків часток (модулів) алгоритму і мовою { псевдокодів}, на якій представлений, описаний алгоритм.

Бібліотека алгоритмів визначається безліччю завдань, що вирішуються за допомогою бібліотеки, безліччю алгоритмів для вирішення типових завдань деякої наочної області і структурою використовуваних даних.

Пакет алгоритмів, як і бібліотека, визначається безліччю завдань, що вирішуються за допомогою пакету, безліччю алгоритмів для вирішення типових завдань або їх складових частин з деякої наочної області, структурою використовуваних даних і обмінів даними між завданнями (модулями), спеціальною мовою, на якій формулюється завдання (послідовність етапів вирішуваного завдання, послідовність завдань.

ВЛАСТИВОСТІ АЛГОРИТМУ

При розв'язуванні будь-якої задачі та побудові алгоритму її розв'язку звичайно беруть до уваги наявність деяких вхідних даних і мають уявлення про результат, що необхідно отримати.

Будь-який алгоритм повинен мати такі основні властивості:

· детермінованість (визначеність) - через повну однозначність правил, встановлених в алгоритмі, застосування алгоритму до однакових вхідних даних повинно приводити до однакового результату;

· дискретність - процес, що визначається алгоритмом, можна розчленувати (розділити) на окремі елементарні етапи (кроки), кожен з яких називається кроком алгоритмічного процесу чи алгоритму;

· масовість - алгоритм повинен бути придатним для розв'язування всіх задач певного типу. Наприклад, алгоритм для розв'язування системи лінійних рівнянь повинен бути придатним для системи, що складається з довільної кількості рівнянь, причому для нього існує множина даних, що допускаються в якості вхідних, тобто початкова система величин може вибиратись із деякої потенційно нескінченної множини;

· результативність - вказує на наявність таких варіантів вхідних даних, для яких обчислювальний процес, що реалізується за наданим алгоритмом, повинен через скінчену кількість етапів (кроків) зупинитись і дати шуканий результат або сигнал про те, що наданий алгоритм непридатний для розв'язання поставленої задачі.

Не всяка послідовність команд є алгоритмом.

Всі команди, алгоритму мають бути зрозумілі виконавцеві. Він можливо не зможе виконати ту чи іншу команду, але вони обов'язково мають бути зрозумілі. Наприклад, ви можете дати таку команду: "Злетіти і пролетіти 15000 метрів."

Будь-яку команду алгоритму можна виконати тільки одним способом.

Команди, які можна виконати декількома способами є невизначеними. Наприклад, команда "Сходити в магазин" буде невизначеною, оскільки невідомо про який магазин йде мова. Команда "Сходити в магазин, що знаходиться на нашій вулиці" теж погана, оскільки можливо, що на нашій вулиці багато магазинів, а декому може виявитися не зрозумілим про яку вулицю іде мова.

Якщо ж будь-яку команду можна виконати тільки одним способом, то ми можемо виявити, що скільки разів би не виконувався конкретний алгоритм, він завжди приводитиме до одного і тому ж результату, якщо, звичайно, він виконується в однакових умовах.

Як встановлено в теорії алгоритмів, існують і такі класи задач, для розв'язування яких нема і не може бути встановлено універсального прийому - алгоритму розв'язування (хоча при окремих обмеженнях на ці розв'язування алгоритм може бути знайдено). Такі задачі називають алгоритмічно нерозв'язними.

Розробка алгоритму більш чи менш складної задачі вимагає високої кваліфікації виконавця і розуміння змісту задачі. З реалізацією алгоритму безпосередньо пов'язане вміння застосувати цей алгоритм до конкретних вхідних даних розв'язуваної задачі. Таке застосування називається алгоритмічним процесом. Цей процес полягає у перетворенні вхідних даних за правилами, визначеними заданим алгоритмом.

Алгоритмічний процес загалом складається із самостійних етапів, кожен з яких призначений для переведення даних з одного стану в інший. Одним із завдань кожного етапу обчислень є також визначення свого наступника.

З поняттям алгоритмічного процесу тісно пов'язане і поняття обчислювального процесу.

Обчислювальний процес в ЕОМ детермінований перетворенням даних за допомогою заданих кінцевих систем правил.

Суть алгоритмізації обчислювального процесу полягає в наступному:

· виокремлення автономних етапів обчислювального процесу;

· формальний запис змісту кожного з них;

· визначення порядку виконання виділених автономних етапів обчислювального процесу;

· перевірка правильності вибраного алгоритму для реалізації заданого методу обчислень.

Результати алгоритмізації обчислювального процесу систематизують (формалізуються) у вигляді певної обчислювальної схеми, тобто деякої послідовності операцій і форм запису результатів цих операцій, яка задає алгоритм розв'язання даної задачі.

Тестування алгоритму - це перевірка правильності або неправильності роботи алгоритму на спеціально заданих тестах або тестових прикладах - завданнях з відомими вхідними даними і результатами (інколи - їх наближення). Тестовий набір має бути мінімальним і повним, тобто таким, що забезпечує перевірку кожного окремого типу наборів вхідних даних, особливо виняткових випадків.

Приклад. При розв'язанні квадратного рівняння ax² + bx + c = 0 такими винятковими випадками, наприклад, будуть: 1) а = b = c = 0; 2) а = 0, b, c - відмінні від нуля; 3) D = b² - 4aс < 0 і ін.

Повну гарантію правильності алгоритму може дати опис роботи і результатів алгоритму за допомогою системи аксіом і правил виводу або верифікація алгоритму. Для нескладних алгоритмів грамотний підбір тестів і повне тестування може дати повну картину працездатності.

Трасування - це метод покрокової фіксації динамічного стану алгоритму на деякому тесті. Часто здійснюється за допомогою таблиць трасувань, в яких кожен рядок відповідає певному стану алгоритму, а стовпець - певному стану параметрів алгоритму (вхідних, вихідних і проміжних). Трасування полегшує відладку і розуміння алгоритму.

Процес пошуку і виправлення (явних або неявних) помилок в алгоритмі називається відладкою алгоритму.

Деякі помилки в складних програмних комплексах можуть виявитися тільки в процесі їх експлуатації, на останньому етапі пошуку і виправлення помилок - етапі супроводу. На цьому етапі також уточнюють і покращують документацію, навчають персонал використанню алгоритму (програми).

СПОСОБИ ПРЕДСТАВЛЕННЯ АЛГОРИТМІВ

У процесі розроблення 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 та графічна, яка типово, виконується за вимогами стандарту).

Псевдокод - система позначень і правил, призначена для записування алгоритмів. Він займає проміжне місце між звичайною і формальною мовою. Через свої особливості псевдокоди орієнтовані на людину. Наприклад:



У псевдокоді не вимагається дотримання синтаксичних правил для запису команд, які властиві формальним мовам, що полегшує запис алгоритму на стадії його проектування і дає можливість використати ширший набір команд, розрахований на абстрактного виконавця. У псевдокоді звичайно є деякі конструкції, властиві формальним мовам, що полегшує перехід від запису їх псевдокодом до запису алгоритму формальною мовою. Зокрема, у псевдокоді, як і в формальних мовах, є службові слова, зміст яких визначений раз і назавжди. Це, зокрема: початок, кінець, якщо, то, інакше, поки, повторювати, повторювати до.

Cтруктурограми (схеми Нассі-Шнейдермана) _ спосіб зображення алгоритму за вимогами структурного програмування, що дає змогу зобразити схему передачі управління не за допомогою ліній потоку, а вкладеними структурами.

Деякі із зображуваних графічних символів відповідають зображенню символів на схемах, виконаних згідно зі стандартами Єдиної системи програмної документації (ЄСПД). Допустимим є використання таких блоків:

1. Блок обробки (обчислень):

2. Блок послідовності



3. Блок розв'язання (для розгалужень):

4. Блок варіанту (варіанти, які можна точно сформулювати, розташовують зліва, а решту об'єднують в один, що розташований справа і є виходом за недотриманням умови):

5. Блок циклу з параметром або циклу з передумовою:

6. Блок циклу з постумовою:

Кожен блок структурограми має форму прямокутника і може бути вписаний в будь-який інший. Блоки заповнюються формульно-словесно:

Графічне представлення алгоритмів згідно з вимогами стандартів ЄСПД

Схема в програмній документації - це графічне представлення визначення, аналізу або методу розв'язування задачі, в якому використано символи для відображення операцій, даних, потоку, обладнання тощо.

Схеми алгоритмів, програм, даних і систем складаються із символів, які мають встановлене значення (таблиця 1), короткого пояснювального тексту та з'єднувальних ліній.

Зображення символа	Назва символа	Призначення
1	2	3

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Початок-кінець	Початок, кінець, переривання процесу обробки даних або виконання програми
	Введення-виведення даних	Перетворення даних у форму, є найзручнішою для обробки (ввід) або відображення результатів обробки (вивід)
	Процес	Функція опрацювання даних будь-якого типу. Виконання однієї або кількох операцій. Всередині фігури записують безпосередньо самі операції.
	Попередньо визначений процес	Заздалегідь визначений процес, який складається з однієї або кількох операцій чи кроків програми, що визначені в іншому місці (підпрограмі, модулі)
	Рішення (умова)	Функція перемикального типу, яка має один вхід і декілька альтернативних виходів, один і тільки один з яких може бути активованим після обчислення умов, визначених всередині символа
	Паралельні дії	Синхронізація двох або більше паралельних операцій
	Лінія	Потік даних або управління

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

З'єднувач	Зазначення зв'язку між перерваними лініями потоку, які з'єднують символи. Використовується для обриву лінії та продовження її в іншому місці (наприклад: поділ блок-схеми, що не поміщається на листі). Відповідні сполучні символи повинні мати одне (при тому унікальне) позначення.
	Канал зв'язку	Передача даних по каналу зв'язку
	Пунктирна лінія	Альтернативний зв'язок між двома чи більше символами. Використовується для виділення анотованої ділянки схеми
	Коментар	Використовується для більш детальної інформації про кроки, процесу або групи процесів. Опис поміщається з боку квадратної дужки і охоплюється нею по всій висоті. Пунктирна лінія йде до описуваного елементу.

ОСНОВНІ СТРУКТУРИ АЛГОРИТМІВ

Основні структури алгоритмів - це обмежений набір блоків і стандарт них способів їх з'єднання для виконання типових послідовностей дій. Використання кількох основних структур дає можливість будувати різноманітні алгоритми.

До основних структур алгоритмів належать:

· лінійна або послідовна без будь-яких розгалужень конфігурація алгоритму, що нагадує форму ланцюжка (рис. 2,а);

· розгалужена конфігурація алгоритму, що містить в собі як послідовності, так і розпаралелення послідовностей. Використовується, коли залежно від умови потрібно виконати ту чи іншу дію (рис. 2, б), здійснити обхід, якщо одна вітка не містить жодних дій (рис. 2, в), здійснити множинний вибір, коли умова має більш як три можливі варіанти (рис. 2, г);

· циклічна, що використовується при необхідності виконувати деякі дії кілька разів. Можливе виконання циклу До, циклу Поки, циклу за параметром (рис. 2, д).

Рис.2. Основні структури алгоритмів

Особливістю всіх наведених структур є те, що вони мають один вхід і один вихід, тому їх можна поєднувати у будь-якій послідовності. Зокрема, кожна структура може містити будь-яку іншу структуру в якості одного із блоків (рис. 3).

Досвід практичної алгоритмізації привів до формування особливої методики структурної організації алгоритмів, використання якої зменшує ймовірність помилок у процесі розробки і запису алгоритмів, спрощує їх розуміння і модифікацію. Цю методику алгоритмізації називають структурним підходом. При структурному підході до конструювання алгоритмів їх ніби “збирають” із трьох основних (базових) структур.

а) б)

Рис. 3. Поєднання базових алгоритмічних структур у схемах алгоритмів розв'язку задач

Розрізняють схема даних, схеми роботи системи та схеми взаємодії програм.

Схеми даних відображають шлях даних при розв'язуванні задач та визначають етапи обробки, а також носії даних, які при цьому використовуються. Схема даних складається із символів даних, символів процесу, символів ліній та спеціальних символів. Схема даних повинна розпочинатись і закінчуватись символами даних (рис. 4, а).

Схеми роботи системи відображають управління операціями та потік даних у системі. Ці схеми складаються із символів даних, процесу, ліній та спеціальних символів (рис. 4, б).

Схеми взаємодії програм відображають шлях активації програм та взаємодій з відповідними даними. Кожна програма на схемі взаємодії програм зображується лише один раз символом “процес”. Лінійні символи на цій схемі можна зображати з нахилом під довільним кутом.

а)

б)

Рис. 4. Схема даних (а) та схема роботи схеми (б)

АЛГОРИТМІЧНА КУЛЬТУРА

Для того, щоб розв'язувати задачі за допомогою ЕОМ, складати програми і користуватись ними, необхідна алгоритмічна культура.

Алгоритмічна культура - це частина загальної математичної культури і загальної культури мислення, яка зумовлює формування вмінь, пов'язаних з розумінням суті поняття алгоритму і його властивостей, тобто це сукупність знань, умінь і навичок, які дозволяють успішно розв'язувати задачі.

У процесі розв'язування прикладних задач вибір алгоритму має певні труднощі. Одна з основних проблем, що виникають при переході від алгоритмів безкомп'ютерних до алгоритмів, представлених у вигляді комп'ютерної програми, пов'язана з формою їх запису, яка повинна бути зрозумілою комп'ютеру.

Алгоритм повинен відповідати наступним вимогам:

1) бути простим для розуміння, переведення в програмний код та налагодження;

2) ефективно використовувати комп'ютерні ресурси і виконуватись якнайшвидше.

Оволодіння алгоритмічною культурою включає необхідність не тільки інтуїтивного розуміння суті поняття алгоритму та його властивостей, уявлення про можливість автоматизації тієї сфери діяльності, до якої цей алгоритм застосовується, а й уміння представляти алгоритм за допомогою певних засобів і методів опису, зрозумілих виконавцю, знання основних типів алгоритмів і способів їх використання.

Із практичного досвіду побудови алгоритмів і реалізації їх у вигляді програм випливають наступні висновки та рекомендації:

1. Планування етапів розробки програми (спочатку чорновий варіант алгоритму у неформальному стилі, потім псевдопрограма, далі - послідовна формалізація псевдопрограми, тобто перехід до рівня виконуваного коду). Ця стратегія організовує і дисциплінує процес створення кінцевої програми, яка буде простою для налагодження і для подальшої підтримки та супроводу.

2. Використання інкапсуляції. Усі процедури, що реалізують абстрактні типи даних (АТД), подаються в одному місці програмного тексту. Надалі, якщо виникне необхідність змінити реалізацію АТД, можна буде коректно і без особливих затрат внести якісь зміни, оскільки всі необхідні процедури локалізовані в одному місці програми.

3. Використання та модифікація вже існуючих програм. Один із неефективних підходів до процесу програмування полягає в тому, що кожний новий проект розглядається з “нуля”, без урахування вже існуючих програм. Як правило, серед програм, реалізованих на момент початку проекту, можна знайти такі, котрі якщо вирішують не всю поставлену задачу, то хоча б її час тину. Після створення завершеної програми слід передбачити сфери, де її ще можна використати.

МОВИ ПРОГРАМУВАННЯ

Мова програмування (англ. Programming language) -- система позначень для опису алгоритмів та структур даних, певна штучна формальна система, засобами якої можна виражати алгоритми. Мову програмування визначає набір лексичних, синтаксичних і семантичних правил, що задають зовнішній вигляд програми і дії, які виконує виконавець (комп'ютер) під її управлінням.

З часу створення перших програмованих машин було створено понад дві з половиною тисячі мов програмування. Щороку їх кількість поповнюється новими. Деякими мовами вміє користуватись тільки невелике число їх власних розробників, інші стають відомі мільйонам людей. Професійні програмісти зазвичай застосовують в своїй роботі декілька мов програмування. Розрізняють мови програмування низького та високого рівнів.

Перші комп'ютери доводилось програмувати двійковими машинними кодами. Проте програмувати таким чином -- доволі трудомістка і важка задача. Для спрощення цієї задачі почали з'являтися мови програмування низького рівня, які дозволяли задавати машинні команди в більш зрозумілому для людини вигляді. Для перетворення їх у двійковий код були створені спеціальні програми -- транслятори.

Приклад машинного коду і представлення його на асемблері

Транслятори поділяються на:

§ компілятори -- перетворюють текст програми в машинний код, який можна зберегти і після цього використовувати уже без компілятора (прикладом є виконувальні файли з розширенням *.exe).

§ інтерпретатори -- перетворюють частину програми в машинний код, виконують і після цього переходять до наступної частини. При цьому щоразу при виконанні програми використовується інтерпретатор.

Прикладом мови низького рівня є асемблер. Мови низького рівня орієнтовані на конкретний тип процесора і враховують його особливості, тому для перенесення програми на асемблері на іншу апаратну платформу її потрібно майже цілком переписати. Певні відмінності є і в синтаксисі програм під різні компілятори. Щоправда, центральні процесори для комп'ютерів фірм AMD та Intel практично сумісні і відрізняються лише деякими специфічними командами. А ось спеціалізовані процесори для інших пристроїв, наприклад, відеокарт, телефонів містять суттєві відмінності.

Мови низького рівня, як правило, використовують для написання невеликих системних програм, драйверів пристроїв, модулів стиків з нестандартним обладнанням, програмування спеціалізованих мікропроцесорів, коли найважливішими вимогами є компактність, швидкодія і можливість прямого доступу до апаратних ресурсів.

Мови програмування високого рівня можна сказати є більш зрозумілими людині, ніж комп'ютеру. Особливості конкретних комп'ютерних архітектур в них не враховуються, тому створені програми легко переносяться з комп'ютера на комп'ютер. Здебільшого достатньо просто перекомпілювати програму під певну комп'ютерну архітектурну та операційну систему. Розробляти програми на таких мовах значно простіше і помилок допускається менше. Значно скорочується час розробки програми, що особливо важливо при роботі над великими програмними проектами.

Найбільш вживаними мовами програмування високого рівня є: Фортран, Pascal, Java, C, C++, C#, Objective C, Smalltalk, Delphi.

В залежності від синтаксису конкретної мови програмування використовують різні оператори, що описують алгоритм виконання фрагментів програм (підпрограм, процедур чи функцій). Найбільш типовими операторами є:

§ goto - перехід на вказаний після оператора фрагмент (рядок) програми;

§ if, while - перевірка вказаної після оператора умови;

§ then - виконання вказаної після оператора дії при вірності попередньої умови;

§ for - виконання вказаної після оператора послідовності дій;

§ else - виконання альтернативної дій;

§ continue - продовження виконання заданої дії;

§ break - зупинка виконання дії;

§ case - вибір одної з заданих дій.

Зокрема, записи

if <умова > then <дія>

while <умова> <дія>

обумовлюють, що <дія> буде виконуватися доти, поки виконується <умова>.

А запис

if i>0 then y=x/i

else x=i

означає, що поки виконується умова i>0 виконується дія y=x/i, а при невиконанні вказаної умови виконується дія x=i.

Алгоритмічна модель подання медичних знань

Сучасні принципи оптимізації діагностичного процесу припускають синдромний аналіз захворювань, вибір вирішальних ознак і створення діагностичного алгоритму. Синдромний принцип аналізу захворювань дає можливість звузити різноманітну симптоматику захворювання до деякої невеликої кількості інформаційних блоків.

Синдром розглядають як сукупність ознак (чи велика ознака), які можуть спостерігатися при захворюваннях органів і систем, незалежно від їхніх етіології і патогенезу, а також локалізації патологічного процесу. Такий феноменологічний підхід до трактування синдрому значно полегшує розроблення на його основі діагностичного алгоритму. До алгоритму на синдромному принципі можна включити всі захворювання і патологічні стани, що характеризуються цим синдромом. Вибір вирішальних ознак значною мірою підвищує ефективність та оперативність діагностики. Одним із джерел відбору вирішальних ознак (селективності) є накопичений досвід.

Внаслідок проведеної таким чином експертної роботи медичні знання подаються у вигляді алгоритмічної моделі. В практиці програмування таку модель описують за допомогою алгоритмічних мов програмування. Широко використовуються також структурні схеми алгоритмів, які дають можливість представити дані моделі в наочному і загальнодоступному вигляді, не залучаючи складні конструкції з конкретних мов програмування. Прикладом може бути алгоритм розпізнавання коматозних станів у хворих на цукровий діабет (рис. 5).

Рис.5.

Недоліком такої моделі є її статичність. Внесення нових знань чи коректування тих, що вже маємо, передбачає зміну структури всього алгоритму і, відповідно, програми, яка його реалізує, тим більш, якщо врахувати, що подібні зміни при створенні машинних діагностичних систем відбуваються багаторазово.

ЗАВДАННЯ

Завдання 1

Побудувати блок-схеми алгоритмів лінійної структури для задачі пошуку суми перших N натуральних чисел.

Завдання 2

Побудувати структурну схему алгоритму для визначення кислотності середовища при РН-метри, виходячи з наступних критеріїв:

РН < 7 - середовище кисле, РН = 7 - середовище нейтральне, РН > 7 - середовище лужне.

Завдання 3

Створюється інформаційно-довідкова система, яка на запитання користувача видає довідку про різні лікарські препарати, їх дозування, показання та протипоказання. Треба розробити структурну схему алгоритму фрагмента цієї системи, в якій видаються довідки про дозування серцевого препарату корглікону залежно від віку пацієнта, виходячи з таких критеріїв:

Вік (років) Доза (мг)

до 2 не призначається

2-6 0,1-0,5

6-12 0,5-0,75

більше 12 0,75-1,0

ЛІТЕРАТУРА

1. Овсяк В. Алгоритми: аналіз методів, алгебра впорядкувань, моделі, моделювання. - Львів, 1996. - 132 с.

2. Ахо А., Хопкрофт Д., Ульман Д. Структуры данных и алгоритмы: Пер. с англ. - М.: Изд. дом “Вільямс”, 2001. - 384 с.

3. Гудман С., Хидетниеми С. Введение в разработку и анализ алгоритмов. - М.: Мир, 1981. - 368 с.

4. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. - М.: МЦНМО, 2000. - 960 с.

5. ГОСТ 19.701-90. ЕСПД. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. - Введ. 01.01.92. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 25 с.

6. Колодницький М. М. Технічне та програмне забезпечення комп'ютерних інформаційних технологій: Навч. посібник. - Житомир: ЖІТІ, 1995. - 231 с.

Размещено на Allbest.ru

...