Этот оператор цикла реализует следующую идею: «Повторять некоторую последовательность команд `N` раз, где `N` известно до начала повторения». Познакомимся с синтаксисом этого оператора.
for имя переменной := начальное значение to конечное значение do оператор
В этой конструкции переменная, стоящая после слова for, называется параметром или счётчиком цикла, а оператор, стоящий после слова do, называется телом цикла. Начальное и конечное значения, по сути, являются константами или выражениями одного типа со счётчиком. Алгоритм выполнения цикла for следующий:
1) вычисляются начальное и конечное значения;
2) счётчику цикла присваивается начальное значение;
3) значение счётчика сравнивается с конечным. Если оно больше ко-нечного, то выполнение цикла завершается и начинает выполняться следующий оператор программы, в противном случае переход к пункту 4;
4) выполняется тело цикла;
5) значение счётчика увеличивается на `1`;
6) переход к пункту 3.
В качестве примера рассмотрим решение задачи, поставленной в самом начале. В качестве счётчика будем использовать переменную i.
var i:integer;
begin
for i:=1 to 100 do write(i*i,' ');
end.
Согласитесь, что решение фактически в одну строчку выглядит гораздо приятнее, чем в `100` строк (если не пользоваться оператором цикла).
Необходимо сделать несколько замечаний по поводу цикла for.
1) Типы счётчика начального и конечного значений должны совпадать, при этом в настоящий момент из известных нам типов можно использовать только integer и boolean. Вещественный тип использовать нельзя.
2) Начальное и конечное значения вычисляются один раз до начала цикла (и после не перевычисляются). Рассмотрим пример.
i:=1; for i:=i to i do writeln('HI');
Этот оператор цикла выполнится всего один раз, а не бесконечно много.
3) В теле цикла значение счётчика изменять нельзя. Так прописано в стандарте языка Pascal, и это требование поддерживается в системах семейства Delphi и PascalABC. Однако в системах семейства Borland Pascal значение счётчика изменять можно, что может приводить к непредсказуемым последствиям (поэтому будем считать, что независимо от системы значение счётчика изменять нельзя).
4) После завершения цикла значение счётчика не определено, то есть нельзя считать, что оно равно конечному значению или больше на единицу и пользоваться этим в дальнейшем алгоритме.
5) Тело цикла по грамматике должно состоять только из `1` оператора. Если же там по алгоритму должно быть несколько, нужно использовать составной оператор. В этом смысле оператор for солидарен с операторами if и while.
6) Можно слово to заменить на слово downto. В этом случае значение счётчика после каждого выполнения тела цикла будет уменьшаться на `1`, а выход из цикла произойдёт, когда значение счётчика окажется меньше, чем конечное.
Выполнение любого оператора цикла можно завершить досрочно, если использовать процедуру break. На данном этапе она особенно актуальна, если надо досрочно прервать цикл for. Выполнение этой процедуры передаст управление на оператор, который следует за прерываемым оператором цикла.
Проиллюстрируем её работу следующим примером:
вводится натуральное число `x` `(2 <= x <= 30000)`. Выведите наименьший делитель числа `x`, отличный от `1`.
Мы уже разбирали алгоритм решения этой задачи выше. Продемонстрируем его с использованием цикла for.
var a,i: integer;
begin
readln(a);
for i := 2 to a do
if a mod i = 0 then
begin
writeln(i);
break;
end;
end.
В данном классе формулировка всех задач начинается со слов: «Вводится последовательность чего-нибудь…». Для простоты будем считать, что чисел - с ними мы умеем работать, но в общем случае это необязательно так. Далее нам нужно оценить какое-то свойство данной последовательности. Например, сколько в ней нулей, является ли она возрастающей (каждое следующее число больше предыдущего) и т. д. Причём, для оценки данного свойства, сохранение всей последовательности в памяти не требуется.
Общий алгоритм решения задач этого класса таков: мы считываем очередной элемент последовательности, обрабатываем его так, как поставлено в задаче, и после про него забываем. Для реализации данного алгоритма нам придётся поместить оператор ввода внутрь цикла.
Рассмотрим стандартные шаблоны решения задач данного класса:
Количество элементов в последовательности известно заранее (`N`).
readln(N);
for j:=1 to N do begin
read(a);
{Содержательна обработка}
end;
Обращаем внимание, что внутрь оператора цикла обязательно помещается оператор read, а не readln. Дело в том, что, как правило, числа будут вводиться в строчку и оператор ввода будет на каждом шаге забирать из буфера по `1` числу. Оператор readln при этом ещё удаляет из буфера всё лишнее до конца строки, поэтому числа прочитаны не будут. Количество элементов последовательности, как правило, задаётся отдельным числом в первой строке, поэтому его логичнее читать оператором readln.
Рассмотрим примеры задач данного класса.
Вводится натуральное число `N`, а затем `N` натуральных чисел, сумму которых необходимо вычислить.
var i,N,a,s:integer;
begin
readln(N);
s:=0;
for i:=1 to N do begin
read(a);
s:=s+a;
end;
writeln(s)
end.
Вводится натуральное число `N`, а затем `N` целых чисел. Выведите `"YES"`, если среди введенных чисел есть хотя бы один ноль, или `"NO"` в противном случае.
var n,i,k,a,s:integer;
begin
s:=0;
readln(n);
for i:=1 to n do begin
read(a);
if a=0 then k:=k+1;
end;
if k<>0
then writeln('YES')
else writeln('NO')
end.
Теперь рассмотрим второй тип задач из класса «Обработка последовательностей», когда количество элементов неизвестно заранее, но известен признак конца.
Признак конца - это служебный элемент, который в саму последовательность не входит. При обработке числовых последовательностей чаще всего признаком конца является ноль (но может быть и любое другое число). Наиболее распространённая ошибка - обработать признак конца как содержательный элемент (например, при расчёте среднего арифметического элементов последовательности). Поэтому порядок действий должен быть таким:
1) Считывание
2) Проверка на признак конца
3) Содержательная обработка
За 3 пунктом алгоритм замыкается в цикл. Выход из цикла - на втором пункте, в случае положительного ответа. Соответственно, шаблон алгоритма должен отражать данную логику действий.
read(a);
while a<>0 do begin
{содержательная обработка};
read(a)
end;
В теле цикла оператор ввода ставится последним, чтобы следующим действием за вводом было вычисление условия цикла (то есть, проверка на признак конца).
Программа получает на вход последовательность целых неотрицательных чисел. Ноль - признак конца. Вывести количество членов последовательности (не считая завершающего числа `0`).
var a,k:integer;
begin
read(a);
k:=0;
while a<>0 do begin
k:=k+1;
read(a);
end;
writeln(k);
end.
Вводится последовательность целых чисел. Ноль - признак конца. Вывести, сколько элементов данной последовательности больше (строго) предыдущего элемента.
При решении этой задачи нам нужно будет сохранять в отдельную переменную значение предыдущего числа перед вводом нового. Приведём код программы.
var a,pr,k:integer;
begin
read(a);
pr:=a;
k:=0;
while a<>0 do begin
if (a > pr) then k:=k+1;
pr:=a;
read(a);
end;
writeln(k);
end.
Вводится последовательность натуральных чисел. Ноль - признак конца. Вывести значение максимального элемента.
Это очень важная эталонная задача, которую обязательно надо уметь решать. Для поиска максимума применяется следующая стратегия. Нужно каждый элемент сравнить с текущим значением максимума и, если элемент оказался больше, то обновить текущее значение максимума. Рассмотрим код программы.
var a,m:integer;
begin
read(a);
m:=a;
while a<>0 do begin
if (a > m) then m:=a;
read(a);
end;
writeln(m);
end.
При решении этой задачи ещё остался вопрос корректной инициализации. В общем случае есть два способа.
Первый вариант - в качестве начального значения максимума брать «минус бесконечность» (для минимума - плюс бесконечность). Под «минус бесконечностью» в данном случае понимается некое число, которое гарантированно меньше чем любой элемент, который может нам встретиться. Инициализация бесконечностью допустима, если мы заранее знаем диапазон элементов последовательности. Это её недостаток, зато она пишется в один оператор присваивания.
Второй вариант - в качестве начального значения брать первый подходящий элемент последовательности. В случае глобального максимума берётся просто первый элемент последовательности. Сложнее в ситуации, когда первый элемент может оказаться неподходящим.
Найти максимальный чётный элемент последовательности в предположении, что он существует.
var a,m:integer;
begin
read(a);
while (a<>0)and(a mod 2 <> 0) do read(a);
m:=a;
while a<>0 do begin
if (a mod 2 = 0)and(a>m) then m:=a;
read(a);
end;
writeln(m);
end.
Мы рады приветствовать вас на курсе Информатики. Данный курс рассчитан на три года обучения. Ориентировочно, это девятый, десятый и одиннадцатый классы средней школы. Поэтому в ходе изложения будут использоваться соответствующие знания из курсов математики.
Данный курс состоит из трёх больших частей, которые будут чередоваться по заданиям. Первая часть курса – теоретическая. В ней будут рассматриваться общие знания, которые необходимы любому человеку, собирающемуся связать свою жизнь с техническими специальностями. В частности, будут рассматриваться особенности представления информации различного вида (числовая, текстовая, графическая и т. д.), алгебра логики, математическая теория информации, теория алгоритмов и многое другое.
Вторая часть курса – программистская. В этой части мы будем рассматривать основные концепции языков программирования и учиться писать полноценные программы. Вас ждёт большое множес-тво задач самого разного вида. По завершении курса вы сможете не просто писать программы на одном языке программирования, но уже будете обладать достаточными знаниями, чтобы самостоятельно легко изучать другие языки.
Третья часть курса – технологическая. Здесь будут рассматриваться информационно-коммуникационные технологии. В частности, компьютерные сети, обработка баз данных, работа с электронными таблицами и т. д.
На первом году обучения теоретических заданий не будет, а основная масса будет посвящена программистской части курса. Основная цель первого года обучения – овладеть языком программирования как инструментом для дальнейшего использования. В качестве учебного языка программирования мы выберем язык Pascal. Тому есть несколько причин. Во-первых, этот язык изначально создавался для обучения программированию, и в нём нет большого количества сложных тонкостей, для понимания которых требуются глубокие специальные знания (как, например, в языках C/C++). Во-вторых, концептуально Pascal является каноническим языком процедурной парадигмы программирования, и после него можно очень легко переходить на любые другие языки.
Также нам будет интересно не просто решить конкретную задачу, а овладеть стратегиями для решения больших классов задач. Нужно будет научиться видеть общие моменты в предлагаемых задачах и сформировать определённые шаблоны для быстрого написания программ. Кроме того, особое внимание мы будем уделять красоте и эффективности алгоритмов.
Для выполнения заданий программистской части курса вам будет необходимо установить себе среду программирования, либо воспользоваться online-компилятором. Имейте в виду, что даже для языка Pascal различные среды программирования могут серьёзно различаться (например, free pascal и Pascal ABC.NET). Мы будем обращать внимание на данные различия по ходу изложения материала.
В рамках первого задания мы будем изучать основы языка программирования и особенности выполнения арифметических операций.
Ввести значения $$ x$$ и $$ n$$. Вычислить сумму ряда $$ 1+x+{x}^{2}+{x}^{3}+\dots +{x}^{n}$$.
Сумма вычисляется накопительным путём: сначала вычисляется каждое слагаемое, а потом оно добавляется в сумму. Каждое слагаемое также вычисляется накопительным путём.
var x,n,i,s,a:integer;
begin
write('введите значения x и n');
readln(x,n);
S:=1; a:=1
for i:=1 to n do
begin
a:=a*x; s:=s+a
end;
writeln(s);
readln
end.
Заметим, что эту задачу можно решить, воспользовавшись формулой суммы первых `n` членов геометрической прогрессии, но наша цель не решить конкретную задачу, а понять принцип накапливания (суммы). Ибо далеко не любая последовательность чисел является геометрической или арифметической прогрессией.
Вводится последовательность натуральных чисел. Признак конца ввода – число `0`. Вывести среднее арифметическое чисел из последовательности (`0` не учитывается).
Эта задача относится к очень важному классу задач – обработка последовательностей с признаком конца и заранее неизвестным количеством элементов. В таких задачах нужно пользоваться операторами while и repeat. Причём, если оговаривается, что последовательность непустая, можно использовать repeat, а если этого не оговаривается, как в данной задаче, то нужно обязательно пользоваться циклом while, так как цикл repeat всегда выполняется, по крайней мере, один раз. Приведём полный текст решения. Переменная `s` подсчитывает сумму элементов последовательности, а переменная `k` – их количество.
var a,s,k:integer;
begin
s:=0; k:=0;
writeln('Введите последовательность натуральных чисел. Ноль – признак конца');
read(a);
while a<>0 do
begin s:=s+a; k:=k+1; read(a) end;
Writeln('среднее арифметическое=',s/k:0:4)
end.
Обратите внимание, что для ввода данных используется оператор read. Это позволяет набивать элементы в строчку через пробел. Если же использовать readln, то набивать значения придётся в столбик, что неудобно. Ещё одно важное замечание в этой задаче – оператор ввода внутри цикла должен быть последним, чтобы сразу попадать на проверку признака конца. Эти замечания относятся ко ВСЕМ задачам на обработку последовательностей с признаком конца.
Ввести целое число `n`. Вывести YES, если оно простое, и NO, если оно составное.
Эта задача демонстрирует сразу две важные вещи. Во-первых, как проверять делимость целых чисел, а во-вторых, технику флажков. Флажком называется переменная, которая имеет некоторое начальное значение и меняет его, если происходит определённое событие. Как правило, флажок имеет тип boolean.
В нашей задаче мы будем перебирать числа от `2` до квадратного корня из `n` и проверять, делится ли `n` на каждое из них. Изначально предположим, что `n` – простое, и присвоим флажку значение true, но если `n` поделится на какое-нибудь число, это будет значить, что оно составное, и, соответственно, флажок «упадёт» на значение false. Проверять на делимость нужно, сравнивая остаток от деления с нулём.
var n,i:integer;
f:boolean;
begin
Write('Введите значение n ');
Readln(n);
f:=true;
for i:=2 to round(sqrt(n)) do
if n mod i = 0 then f:=false else;
if f=true
then writeln('YES')
else writeln('NO');
Readln
end.
Зачастую в задаче нужно повторять одни и те же действия много раз. Повтор некоторого фрагмента программы несколько раз называется циклом. Рассмотрим следующий пример.
Вывести на экран квадраты чисел от `1` до `100`.
Очевидно, что для решения этой задачи нам придётся `100` раз выполнять команду вывода соответствующего числа на экран. Писать `100` операторов вывода как-то не хочется (слишком трудоёмко), поэтому будем знакомиться с операторами цикла. В языке Pascal существует три оператора цикла: for, while, repeat. Начнём с цикла for. Этот оператор цикла реализует следующую идею: «Повторять некоторую последовательность команд `N` раз, где `N` известно до начала повторения». Познакомимся с синтаксисом этого оператора.
for имя переменной := начальное значение to конечное значение do оператор
В этой конструкции переменная, стоящая после слова for, называется параметром или счётчиком цикла, а оператор, стоящий после слова do, называется телом цикла. Начальное и конечное значения, по сути, являются константами или выражениями одного типа со счётчиком.
Алгоритм выполнения цикла for следующий:
1) вычисляются начальное и конечное значения;
2) счётчику цикла присваивается начальное значение;
3) значение счётчика сравнивается с конечным. Если оно больше конечного, то выполнение цикла завершается и начинает выполняться следующий оператор программы, в противном случае переход к пункту 4;
4) выполняется тело цикла;
5) значение счётчика увеличивается на `1`;
6) переход к пункту 3.
В качестве примера рассмотрим решение задачи, поставленной выше. В качестве счётчика будем использовать переменную `i`.
var i:integer;
begin
for i:=1 to 100 do write(i*i,' ');
Readln
end.
Согласитесь, что решение фактически в одну строчку выглядит гораздо приятнее, чем в `100` строк (если не пользоваться оператором цикла).
Необходимо сделать несколько замечаний по поводу цикла for.
1) Типы счётчика начального и конечного значений должны совпадать, при этом в настоящий момент из известных нам типов можно использовать только integer и boolean. Вещественный тип использовать нельзя.
2) Начальное и конечное значения вычисляются один раз до начала цикла (и после не перевычисляются). Рассмотрим пример.
i:=1; for i:=i to i do writeln('HI');
Этот оператор цикла выполнится всего один раз, а не бесконечно много.
3) В теле цикла значение счётчика изменять нельзя. Так прописано в стандарте языка Pascal, и это требование поддерживается в системах семейства Delphi. Однако в системах семейства Borland Pascal значение счётчика изменять можно, что может приводить к непредсказуемым последствиям (поэтому будем считать, что независимо от системы значение счётчика изменять нельзя).
4) После завершения цикла значение счётчика не определено, то есть нельзя считать, что оно равно конечному значению или больше на единицу и пользоваться этим в дальнейшем алгоритме.
5) Тело цикла по грамматике должно состоять только из `1` оператора. Если же там по алгоритму должно быть несколько, нужно использовать составной оператор.
6) Можно слово to заменить на слово downto. В этом случае значение счётчика после каждого выполнения тела цикла будет уменьшаться на `1`, а выход из цикла произойдёт, когда значение счётчика окажется меньше, чем конечное.
Перейдём к знакомству с другими операторами цикла: while и repeat. Эти операторы реализуют следующие идеи: «Повторять некоторую последовательность команд пока выполняется некоторое условие» (цикл while) и «Повторять некоторую последовательность команд до тех пор, пока не выполнится некоторое условие» (цикл repeat). Познакомимся с синтаксисом оператора цикла while.
while условие do оператор.
После слова while должно быть логическое выражение (называемое условием), которое может принимать значение true или false. Оператор, стоящий после do, аналогично оператору for является телом цикла. Выполняется цикл while так:
1) вычисляется значение условия, если получилось true, то переход к пункту 2, иначе выход из цикла и переход на следующий оператор программы;
2) выполняется тело цикла;
3) переход к пункту 1.
Фактически оператор while является многократным применением оператора if с пустой веткой else. Аналогично оператору for, тело цикла должно состоять из `1` оператора. Однако в отличие от цикла for возможна ситуация, когда цикл будет выполняться бесконечное количество раз (зациклится). Например, while 2*2=4 do...
Что написать после do, совершенно не важно, важно, что оно будет выполняться, пока 2*2=4, а это всегда так и никогда не изменится.
Значит, чтобы избегать зацикливания, параметры условия должны быть переменными, например while x*x=4 do ... Хотя это тоже не гарантирует отсутствие зацикливания.
Осталось познакомиться с последним оператором цикла. Рассмотрим его синтаксис.
repeat
Оператор 1;
Оператор 2;
....
Оператор N
until условие
Все операторы, написанные между repeat и until, являются телом цикла. Это выгодно отличает оператор repeat от других циклов – составной оператор здесь не требуется, а операторными скобками можно считать слова repeat и until. Работает этот оператор по следующему алгоритму:
1) выполняется тело цикла;
2) вычисляется значение условия. Если получилось true, то выход из цикла и переход к следующему оператору программы, в противном случае переход к пункту 1.
Отличительная особенность оператора цикла repeat заключается в том, что тело всегда выполняется, по крайней мере, один раз. Это нужно учитывать в задачах при выборе оператора цикла. Аналогично оператору while, цикл repeat может зациклиться, правда в случае, когда условие никогда не принимает значение true, например,
repeat...until 2*2=5.
В рассматриваемых ранее задачах процесс вычисления был линейным, то есть программа не должна была выполнять разные действия в зависимости от того, какие данные ей ввели. Теперь вспомним задачи с ветвящимся алгоритмом.
Ввести номер года. Вывести слово YES, если год високосный, и NO, если он – не високосный.
По условию очевидно, что в зависимости от входных данных программа должна будет выполнить один из двух операторов вывода: Writeln('YES') или Writeln('NO'). При этом написать в программе нам придётся оба, а вот выполняться должен будет только один из них. Для того чтобы реализовывать подобные ветвления алгоритма, в языке Pascal существует условный оператор. В общем виде он выглядит следующим образом:
if логическое выражение
then оператор
else оператор
В этой конструкции слова if, then и else являются служебными зарезервированными словами языка. Работает эта конструкция так: сначала вычисляется логическое выражение, стоящее после if. Если получилось значение true, то выполняется оператор, стоящий после слова then, а если получилось значение false, то выполняется оператор, стоящий после слова else.
Обратите внимание, что внутри условного оператора нет никаких точек с запятой, поскольку он является единой конструкцией, а точка с запятой – это разделитель между операторами. Для удобства чтения программ принято условие записывать на одной строке, а ветви then и else начинать с новой строки, однако это не является синтаксическим правилом языка.
В качестве примера условного оператора рассмотрим решение задачи, поставленной выше. Год считается високосным, если он делится нацело на `400`, или если он делится нацело на `4`, но не делится нацело на `100`. Приведём полный текст решения:
var y:integer;
begin
write('Введите номер года ');
readln(y);
if (y mod 400 = 0)or(y mod 4 = 0)and(y mod 100 <> 0)
then writeln('YES')
else writeln('NO');
end.
По грамматике языка после слов then и else должен стоять только один оператор языка. То есть запись if x>0 then x:=4; y:=0 else z:=9; является синтаксически неверной. А как быть, если всё-таки нужно выполнить более одного оператора? Для таких случаев в языке Pascal предусмотрен составной оператор, который позволяет превратить группу операторов в один. Выглядит он следующим образом: сначала записывается ключевое слово begin, далее – интересующая нас последовательность операторов через точку с запятой, а в конце пишется ключевое слово end. В отличие от конца программы, точка после этого слова не ставится. Слова begin и end называются операторными скобками. Запишем правильную версию условного оператора, приведённого выше: if x>0 then begin x:=4; y:=0 end else z:=9;
Обратите внимание на следующий тонкий момент: если требуется выполнить более одного оператора в ветке then, и при этом мы забудем написать операторные скобки, то это является синтаксической ошибкой, и программа просто не будет работать. Если же забыть написать операторные скобки в ветке else, то программа работать будет, но не так, как предполагалось. Рассмотрим пример: if x>0 then y:=9 else z:=8; c:=5;
В этом примере условный оператор заканчивается после z:=8; в то время как оператор c:=5; является следующим оператором программы и выполняется независимо от результата сравнения `x` с нулём. Если же написать операторные скобки, то присваивание в `c` числа `5` произойдёт только в случае x<=0.
Последнее замечание заключается в том, что в ветке else в качестве оператора может стоять и пустой оператор.
Рассмотрим следующий пример.
Вводятся `3` целых числа – `a`,`b`,`c`. Требуется в переменную `a` записать минимальное из этих чисел, в `b` – среднее и в `c` – максимальное.
Алгоритм решения этой задачи такой: сначала сравним значения переменных `a` и `b`, если значение `a` – больше, поменяем их местами. После этого сравним значения переменных `a` и `c`, и если значение `a` – больше, поменяем их местами. После этих двух сравнений в переменной `a` гарантированно окажется наименьшее из трёх чисел. Осталось сравнить переменные `b` и `c`, и в случае, когда в переменной `b` находится большее значение, поменять их местами.
Очевидно, что в этом алгоритме у нас три сравнения, следовательно, три последовательных условных оператора. При этом в каждом из них какие-то действия (поменять местами значения двух переменных) нужно выполнять только в ветке then, в ветке else (например, если в первом сравнении в переменной a находится уже более маленькое число, чем в переменной `b`) никаких действий выполнять не нужно. Но мы всё равно будем её записывать, чтобы избегать путаницы. Приведём полный текст решения, используя для обмена значений двух переменных дополнительную переменную `x`.
var a,b,c,x:integer;
begin
writeln('введите три целых числа ');
readln(a,b,c);
if a>b then begin x:=a; a:=b; b:=x end
else;
if a>c then begin x:=a; a:=c; c:=x end
else;
if b>c then begin x:=b; b:=c; c:=x end
else;
writeln(a,b,c);
end.
В языке Pascal кроме уже изученных нами числовых типов ещё есть логический, который называется Boolean. Переменные этого типа занимают `1` байт оперативной памяти и могут принимать всего два значения – true и false (истина и ложь). Логическим переменным можно присваивать значения точно так же, как и числовым. Так же можно выводить их значения на экран, а вот вводить их с клавиатуры нельзя!
В языке Pascal определены `6` операций сравнения, результатом которых является логическое значение. Это операции: «больше» (>), «больше или равно» (>=), «меньше» (<), «меньше или равно» (<=), «равно» (=), и «не равно» (<>). Например, операция 5 > 2 выдаст значение true, а операция x<>3 выдаст значение true, если переменная `X` имеет любое значение, кроме `3`. Сравнивать можно не только числа (причём как целые, так и вещественные), но и логические значения. При этом считается, что значение true больше, чем значение false.
Помимо операций сравнения ещё существуют и логические операции: AND (конъюнкция, логическое умножение, операция «И»), OR (дизъюнкция, логическое сложение, операция «ИЛИ»), NOT (отрицание, инверсия), XOR (строгая дизъюнкция, исключающее «ИЛИ», сложение по модулю `2`). В скобках указаны возможные названия данных операций в алгебре логики. Операнды этих операций должны быть логического типа. Результат вычислений также будет логический. При этом операции AND, OR, XOR имеют по два операнда, а операция NOT – всего один, который записывается справа от названия операции. Названия логических операций являются ключевыми словами языка. Приведём таблицы результатов логических операций для всех возможных значений операндов (в алгебре логики такие таблицы называются таблицами истинности):
| x | not x |
| false |
true |
|
true |
false |
|
x |
y | x and y |
x or y |
x xor y |
| false | false | false | false | false |
| false | true | false | true | true |
| true | false | false | true | true |
| true | true | true | true | false |
Логический результат даёт также стандартная функция odd(x), которая применяется к целочисленному аргументу `x`:
odd(x) = true, если `x` нечётно;
odd(x) = false, если `x` чётно.
Приоритет операций в логическом выражении следующий:
1) Операция NOT.
2) Операции группы умножения AND, *, / ,div, mod
3) Операции группы сложения OR, XOR, +, -
4) Операции сравнения >, <, >=, <=, =, <>
Операции одного приоритета выполняются слева направо. Операции в круглых скобках имеют более высокий приоритет, чем операции вне скобок.
Записать логическое выражение, истинное в случае, когда переменная `X` имеет значение из отрезков `[2,5]` или `[-1,1]`.
(X>=2) AND (X<=5) OR (abs(X)<=1).
Теперь воспользуемся всеми полученными знаниями и рассмотрим примеры простейших программ. Условимся в примерах не различать заглавные и строчные буквы, а ключевые слова выделять жирным шрифтом.
Ввести координаты трёх вершин треугольника. Вывести его площадь. Гарантируется, что треугольник существует (ввод корректный).
Для решения этой задачи нам потребуется `6` переменных, в которые будут введены значения координат `(x1, y1, x2, y2, x3, y3)`. Можно сделать их целыми для простоты, а можно вещественными, чтобы решать задачу в более общем случае. Так же потребуются переменные, в которые мы запишем длины сторон треугольника `(a, b, c)` и площадь `(S)`. Эти переменные однозначно должны быть вещественными, так как при вычислении расстояния между точками нам придётся извлекать квадратный корень, и, соответственно, результат получится вещественным. И ещё предлагается ввести вещественную переменную `p`, в которой будет храниться полупериметр треугольника, так как площадь будет вычисляться по формуле Герона. Приведём полный текст программы:
Var x1,y1,x2,y2,x3,y3:integer; a,b,c,p,S:real;
Begin
Write('Введите координаты вершин треугольника ');
Readln(x1,y1,x2,y2,x3,y3);
a:=sqrt(sqr(x1-x2)+sqr(y1-y2));
b:=sqrt(sqr(x1-x3)+sqr(y1-y3));
c:=sqrt(sqr(x2-x3)+sqr(y2-y3));
p:=(a+b+c)/2;
S:=sqrt(p*(p-a)*(p-b)*(p-c));
Writeln('Площадь треугольника равна ',S:5:2);
Readln;
End.
Идёт `k`-ая секунда суток (`k` вводится). Вывести, сколько полных часов `h` и полных минут `m` прошло с начала суток.
В этой задаче все параметры целые. Решается она с помощью операций div и mod. Эти операции можно использовать для «срезания периодов» при переводе мелких единиц измерения в более крупные (например, секунд в минуты). Операция div нам выдаст количество полных периодов (сколько полных минут содержится в большом количестве секунд), а операция mod – количество единиц в последнем неполном периоде (сколько секунд не укладывается в полное количество минут). Приведём полный текст решения.
Var k,h,m:integer;
Begin
Write('Введите номер секунды в сутках');
Readln(k);
h:=k div 3600;
m:=k mod 3600 div 60;
writeln('С начала суток прошло ',h,' часов и ',m,' минут');
readln;
end.
Вводится четырёхзначное число. Вывести произведение его цифр.
Эта задача показывает ещё одно применение операций div и mod – выделение цифр из целого числа. Описанное ниже решение работает только для случая, когда количество цифр в числе заранее известно. В противном случае придётся использовать циклический алгоритм. Приведём текст решения.
Var N,c1,c2,c3,c4:integer;
Begin
Write('Введите целое четырёхзначное число');
Readln(N);
c1:=N div 1000;
c2:=N div 100 mod 10;
c3:=N div 10 mod 10;
c4:=N mod 10;
Writeln('Произведение цифр вашего числа равно',c1*c2*c3*c4);
Readln;
End.
Операторы read и readln предназначены для задания значений переменным путём ввода их с клавиатуры. Правило их применения одно и то же: после слова read или readln в скобках через запятую перечисляются имена переменных, значения которых мы хотим ввести (список ввода). Число этих имён не ограничено. Запятая служит разделителем между именами переменных:
readln(имя, имя, ..., имя)
При срабатывании оператора read или readln выполнение программы будет приостановлено до тех пор, пока пользователь не введёт соответствующее количество значений. Вводимые значения должны быть того же типа, что и переменные. Если в read или readln переменных несколько, то они могут быть набиты в одной строке, но одно число от другого должно отделяться пробелом или переводом строки.
Чтобы выполнить оператор read или readln после набивания значений с клавиатуры, нужно нажать клавишу «Enter». В результате переменные приобретут заданные вами значения. Между read и readln существует единственное различие: после выполнения readln курсор переходит на новую строку, игнорируя всю оставшуюся информацию в прежней строке, а после выполнения read курсор остаётся в той же строке, и новая набивка данных для read или readln будет проходить в той же строке. Но, так как после нажатия клавиши «Enter» курсор в любом случае переходит на новую строчку, для однократного ввода значений переменных разницу между операторами read и readln заметить невозможно. Тем не менее, в данном случае лучше использовать readln. Оператор readln можно использовать и без параметров вообще. Тогда программа просто будет находиться в режиме ожидания, пока пользователь не нажмёт клавишу «Enter». Такой оператор, например, удобно ставить самым последним оператором в программе. Тогда можно сразу посмотреть результат работы программы, а потом нажать «Enter», и только тогда работа программы завершится.
Перед вводом данных с клавиатуры рекомендуется выдавать на экран приглашение, например:
write('Введите число a => ');
readln(a);
Операторы вывода являются важнейшей частью языка программмирования, ведь только благодаря им, мы можем увидеть на экране компьютера результат работы нашей программы. В языке Pascal существует два оператора вывода: write и writeln. Правило их использования одно и то же: после слова write или writeln в скобках через запятую перечисляются параметры, которые мы хотим вывести (называемые списком вывода). Число этих параметров не ограничено. Разделителем между параметрами служит запятая:
writeln(параметр, параметр,...,параметр)
Существует три вида параметров: константы, переменные и выражения (например, арифметические выражения). Константы бывают числовые (это просто различные числа — целые и вещественные), логические и строковые. Любой текст, набранный с клавиатуры и заключённый в апострофы (одиночные кавычки), называется строковой константой. Если в текст нам нужно поместить апостроф, например, в слове O'key, на этом месте нужно набить два апострофа подряд вместо одного: write('O''key'). Все параметры в write или writeln независимы друг от друга, поэтому в одном и том же операторе могут встречаться параметры разных типов, в произвольном порядке.
При выполнении оператора вывода все параметры будут выведены в одной строке в том же порядке, в каком они перечислены в списке параметров. Любая константа, числовая или строковая, будет выведена так, как вы её написали в вызове write или writeln (в строковой константе начальный и конечный апострофы отображаться на экране не будут, а вместо двух апострофов, расположенных в строковой константе подряд, на экране появится в этом месте один); вместо переменной на экране появится её значение, а вместо арифметического выражения — результат его вычисления.
Между write и writeln существует единственное различие: после выполнения writeln курсор переходит на новую строку, а после выполнения write курсор остаётся в той же строке, и новый вывод данных с помощью write или writeln или ввод данных при помощи операторов ввода данных будут проходить в той же строке.
При выводе параметров пробелы между ними автоматически не вставляются, например, при печати чисел 1, 2, 3 с помощью writeln(1,2,3) все они сольются в одно число — 123. Чтобы разделить выводимые элементы, можно поместить между ними символ пробела, например, writeln(1,' ',2,' ',3) или отформатировать вывод, поставив после каждого элемента списка вывода двоеточие и целое число (называемое модификатором ширины поля), которое указывает, сколько позиций на экране должна занимать выводимая величина, например, writeln(1:3,2:3,3:3). Отметим, что элемент дополняется начальными пробелами слева с тем, чтобы соответствовать указанной после двоеточия величине. Результаты выполнения двух последних операторов будут выглядеть так:
| 1_2_3 __1__2__3 |
Если указанное в модификаторе ширины поля число меньше, чем необходимо, то модификатор ширины поля игнорируется.
При выдаче на экран значений вещественных выражений в формате вывода полезно использовать ещё один модификатор, который записывается через двоеточие после модификатора ширины поля и называется модификатором точности. Он будет обозначать количество символов после десятичной точки, которые мы хотим вывести. Например, при выводе результата стандартной функции pi, которая с машинной точностью выдаёт значение числа $$ \pi $$, оператор write(pi:0:0,pi:6:2, pi/2:2:0) выдаст на экран:
3 3.14 2
Заметим, что при печати фиксированного количества цифр вещественного числа оно предварительно округляется по правилам математики. Если вещественное число содержит после десятичной точки меньше цифр, чем количество символов для печати, указанное в модификаторе точности, то число выводится с незначащими нулями, например, оператор write(3.14:3:4) выдаст на экран:
3.1400
Модификатор точности можно применять только к параметрам вещественного типа. Использование модификатора точности с параметрами других типов является критической ошибкой (программа не будет работать). Модификатор ширины поля можно использовать с любым типом параметра вывода.
Арифметические выражения состоят из операций и операндов. В языке программирования Pascal существует шесть операций: сложение (обозначается знаком «+»), вычитание (обозначается знаком «-»), умножение (обозначается знаком «*»), деление (обозначается знаком «/»), деление нацело (обозначается словом «div») и взятие остатка от деления нацело (обозначается словом «mod»). Слова div и mod являются служебными зарезервированными.
Важным понятием в арифметике является понятие операнда. Операндами называются те объекты, над которыми выполняется арифметическая операция. В математике различные операции могут иметь разное количество операндов, но все арифметические имеют два операнда. Операндом для операции может являться как одиночное число или имя переменной, так и целое арифметическое выражение. Рассмотрим выражение (2+2)*2. У операции сложения операндами являются два числа `2`, а у операции умножения правый операнд – это число `2`, а левый – это выражение в скобках `(2+2)`. Прежде чем выполнять операцию, необходимо вычислить оба её операнда.
Приоритет операций в Паскале точно такой же, как и в математике. Сначала выполняются операции умножения, деления, div и mod (это тоже операции деления), а потом операции сложения и вычитания. Операции одного приоритета выполняются слева направо. Для изменения порядка действий можно использовать круглые скобки. Операции в скобках имеют более высокий приоритет, чем операции вне скобок. Так при вычислении выражения 2+2*2 получается число `6`, потому что операция умножения имеет более высокий приоритет, чем сложение, и, следовательно, выполняется первой. Если же записать выражение (2+2)*2, то при вычислении получается число `8`, потому что сложение в скобках выполняется раньше умножения.
Рассмотрим, как определить тип результата при вычислении арифметического выражения. Операции сложения, вычитания и умножения выдают целый результат, если оба их операнда целые, и вещественный, если хотя бы один из операндов – вещественный. Операция деления «/» всегда выдаёт вещественный результат. Даже если мы `4` делили на `2`, всё равно в итоге получается нецелое число. На первый взгляд это кажется странным, но в отличие от математики в программировании каждое число кроме значения ещё имеет тип, и если типы у чисел не совпадают, то они НЕ считаются равными. Нужно уяснить, что `bb(1!=1.0)`. Это несложно понять, если помнить, что раз числа `1` и `1.0` имеют различные типы, то будут представлены совершенно разными последовательностями битов. Операции div и mod всегда выдают целый результат и, в отличие от всех остальных арифметических операций, могут иметь только целые операнды. Попытка применить данные операции к вещественным числам приведёт к тому, что программа просто не будет работать.
Давайте подробнее познакомимся с двумя последними операциями. Операция a div b выдаёт целую часть от деления числа a на число b. То есть 5 div 2 = 2, а 3 div 7 = 0. Операция a mod b выдаёт остаток от деления a на b по следующему закону:
a mod b = a – ((a div b) * b)
Приведём примеры выполнения этих их операций для всех возможных знаков операндов:
5 div 3 = 1; 5 mod 3 = 2;
-5 div 3 = -1; -5 mod 3 = -2;
5 div -3 = -1; 5 mod -3 = 2;
-5 div -3 = 1; -5 mod -3 = -2;
Операндами в арифметическом выражении также могут быть стандартные математические функции, которые приведены в таблице ниже.
| Функция | Комментарий | Тип аргумента | Тип результата |
| abs(x) | $$ │x│$$ — модуль $$ x$$ | integer, real | совпадает с типом аргумента |
| sqr(x) | $$ {x}^{2}$$ | integer, real | совпадает с типом aргумента |
| sqrt(x) | `sqrt x` |
integer, real | real |
| Pi | `3.1415926535897932385` | нет | real |
| sin(x) | $$ \mathrm{sin}x$$ | integer, real | real |
| cos(x) | $$ \mathrm{cos}x$$ | integer, real | real |
| arctan(x) | `"arctg"x` | integer, real | real |
| trunc(x) | отсекание дробной части $$ x$$ | real | integer |
| round(x) | округление $$ x$$ до ближайшего целого. Половины округляются в сторону увеличения модуля. | real | integer |
Необходимо отметить, что функциям sin и cos угол следует подавать в радианах, а не в градусах! Также функция arctan возвращает результат в радианах.
Рассмотрим два основных числовых типа переменных.
Этот тип характеризует целые числа. Переменные этого типа занимают в оперативной памяти `4` байта и могут принимать значения из диапазона
`[ –2147483648, 2147483647]`.
Точное значение запоминать необязательно, главное помнить, что переменная этого типа может вмещать целые числа примерно до `2` миллиардов по модулю.
Этот тип предназначен для работы с вещественными (действительными) числами. Переменные этого типа занимают в оперативной памяти `8` байт. При записи констант этого типа целая часть числа отделяется от дробной точкой, а не запятой, как в математике, например: `3.14`.
Оператор присваивания позволяет изменить значение любой переменной программы (присвоить ей новое значение). Этот оператор выглядит следующим образом: записывается имя переменной, затем знак присваивания (:=), а потом значение, которое мы хотим присвоить переменной. Присвоить можно константу или выражение соответствующего типа.
X:=5; {в переменную `X` присвоили число `5`}
Y:=X; {в переменную `Y` присвоили текущее значение переменной `X`}
Z:=X+Y; {в переменную `Z` присвоили сумму текущих значений переменных `X` и `Y`}
Если переменной присвоено некоторое значение, то в дальнейшем в программе при вычислениях вместо её имени будет подставляться это значение, пока мы не присвоим ей новое.
X:=5;
Y:=X+4; {в переменную `Y` запишется число `9`, так как текущее значение переменной `X` равно `5`}
При использовании операторов присваивания необходимо соблюдать правило совместимости типов.
Это правило заключается в том, что тип присваемого значения должен соответствовать типу переменной, которой мы хотим это значение присвоить.
Есть исключение из этого правила:
переменной типа real можно присвоить целое значение.
Познакомимся с двумя важнейшими в программировании понятиями.
Константой назывется объект, который получает значение до начала выполнения программы и не может менять его в ходе выполнения.
Переменной назывется объект, который может менять своё значение в ходе выполнения программы.
С каждой переменной, используемой в программе, связывается область в оперативной памяти компьютера, размер которой зависит от типа объекта. Каждая константа и каждая переменная имеет своё имя (идентификатор), по которому мы и обращаемся к этим объектам, чтобы с ними работать. Каждое имя должно быть уникальным, чтобы не возникала ситуация неопределённости – какой объект выбирать. Если в программе две переменные имеют одно и то же имя, компьютер откажется выполнять данную программу.
Правила именования в языке Pascal следующие: именем может являться любая последовательность латинских букв и цифр, начинающаяся с буквы. При этом заглавные и строчные латинские буквы не различаются, то есть имена aBBA и AbBa на самом деле обозначают один и тот же объект. Ещё одна интересная особенность построения имён заключается в том, что символ подчёркивания ( _ ) считается латинской буквой, поэтому он также может входить в состав имени и, более того, имя с него может начинаться. Последнее правило именования заключается в том, что имена переменных или констант не должны совпадать со служебными зарезервированными словами языка.
Каждая переменная и каждая константа помимо имени ещё имеет свой тип. Тип определяет три вещи:
1) размер области оперативной памяти, отводимой под соответствующую переменную;
2) множество значений, которые может принимать соответствующая константа или переменная;
3) набор операций, которые можно выполнять с соответствующей константой или переменной.
Для того чтобы определить в программе константу или переменную, её нужно сначала описать до раздела действий.
Переменные описываются следующим образом: сначала записывается ключевое слово var, затем ставится пробел, указывается имя, которое мы хотим дать нашей переменной, ставится двоеточие и записывается тип переменной. После этого ставится точка с запятой.
var x:integer;
означает, что в нашей программе будет использоваться переменная с именем `x`, имеющая тип integer (целое число). Если в программе будет несколько переменных одного типа, то можно до двоеточия перечислить их имена через запятую, а не выписывать отдельную строчку для каждой переменной.
var x,y:integer;
Для описания константы необходимо записать ключевое слово const, затем указать имя константы (отделив его как минимум одним пробелом от ключевого слова), поставить знак равенства и тут же задать её значение, например:
const N=1000;
После окончания описания константы также ставится точка с запятой.
В программе принято сначала описывать константы (если они есть), а уже затем переменные (а они есть практически в любой программе).
Термином «константа» в программировании принято обозначать ещё одно понятие – если в программе встречается некоторое конкретное значение (например, число `1000`), то оно также называется константой соответствующего типа.
Рассмотрим общую структуру программы на языке Pascal. Программа состоит из двух частей: разделов описаний и раздела действий (команд, операторов). Раздел операторов представляет собой некую последовательность команд (операторов), которые должен выполнить компьютер. Другими словами, раздел действий – это собственно программа. В разделах описаний программист сообщает компьютеру, какие объекты он будет использовать в своей программе, сколько памяти под них нужно выделить и т. д.
Из всего перечисленного выше обязательным для каждой программы является лишь раздел действий. Разделов описания в программе может и не быть (хотя в содержательных задачах они будут). Раздел действий начинается с ключевого слова begin, далее записывается список операторов (собственно программа) и в конце пишется ключевое слово end и ставится точка. Внутри списка все операторы отделяются друг от друга специальным символом – точкой с запятой. В этом задании мы познакомимся со следующими операторами:
1) пустой оператор;
2) составной оператор;
3) оператор присваивания;
4) условный оператор;
5) операторы цикла;
6) операторы вывода;
7) операторы ввода.
Начнём с пустого оператора. В языке Pascal пустой оператор – это просто ничего. Он не содержит никаких символов и не выполняет никакого действия. Рассмотрим пример программы состоящей из одного пустого оператора:
Begin
End
Эта программа начинается и сразу же заканчивается, не выполняя никаких содержательных действий. Рассмотрим другой пример:
Begin
; ; ;
End
Эта программа состоит уже из четырёх пустых операторов, отделённых друг от друга точками с запятой.
Для того чтобы познакомиться с разделами описаний, сначала нужно изучить объекты, которые мы можем использовать в программе.
Изучение любого нового языка всегда начинается с алфавита. В алфавит языка Pascal входят следующие элементы:
1) Заглавные и строчные латинские буквы, символ подчёркивания (по грамматике языка символ подчёркивания считается буквой): _, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x, y, z.
2) Цифры: `1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0`.
3) Знаки операций: + (плюс), – (минус), * (умножить), / (разделить), < (меньше), > (больше), <= (меньше или равно), > = (больше или равно), = (равно), <> (не равно). Последний знак состоит из знаков «меньше» и «больше», записанных без пробелов.
4) Знаки пунктуации, специальные символы:
| { } или (* *) | Скобки комментариев |
| [] | Выделение индексов массивов, элементов множеств |
| ' ' | Выделение символа или строковой константы |
| ( ) | Выделение выражений, списков параметров |
|
:= |
Знак оператора присваивания |
| ; | Разделение операторов и объявлений |
| : | Отделение переменной или константы от типа. Отделение метки от оператора |
|
= |
Отделение имени типа от описания типа. Отделение константы от её значения |
| , | Запятая для разделения элементов в списке |
| .. | Разделение границ диапазона |
| . | Конец программы, отделение целой части от дробной |
| # | Обозначение символа по его коду |
В таблице приведены не все знаки пунктуации, а лишь те, которые будут использоваться при дальнейшем изложении.
5) Служебные зарезервированные слова.
Некоторые слова имеют предопределённое значение и используются в качестве элементов при построении сложных конструкций языка. Приведём список зарезервированных служебных слов, которые нам понадобятся в дальнейшем:
and, array, begin, case, const, div, do, downto, end, for, if, mod, not, of, or, program, repeat, string, then, to, type, until, var, while, xor.
Требуется составить программу определения наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел.
Одним из простейших алгоритмов нахождения наибольшего общего делителя является Алгоритм Евклида. Идея этого алгоритма основана на том свойстве, что если `M>N`, то `"НОД"(M, N)="НОД"(M-N, N)`.
Иначе говоря, НОД двух натуральных чисел равен НОД их положительной разности (модуля их разности) и меньшего числа.
var M, N: integer;
begin
writeln('Введите М и N');
readln(M, N);
while M<>N do
begin
if M>N
then M:=M-N
else N:=N-M
end;
write('Н0Д=',М)
end.
В велокроссе участвуют `130` спортсменов. Специальное устройство регистрирует прохождение каждым из участников промежуточного финиша, записывая его номер с использованием минимально возможного количества бит, одинакового для каждого спортсмена. Каков информационный объём сообщения, записанного устройством, после того как промежуточный финиш прошли `75` велосипедистов?
Первым делом нужно определить, сколько бит необходимо для кодирования `130` номеров спортсменов. Поскольку номера записываются в некотором устройстве, количество бит для кодирования каждого номера обязательно должно быть целым: `H=log_2 130`. После округления результата в большую сторону получим число `8`. Следовательно, для кодирования `1` номера необходим `1` байт. Таким образом, информационный объём сообщения, записанного устройством, составляет `75` байт.
В некоторой стране автомобильный номер состоит из `7` символов. В качестве символов используют `18` различных букв и десятичные цифры в любом порядке.
Каждый такой номер в компьютерной программе записывается минимально возможным и одинаковым целым количеством байтов, при этом используют посимвольное кодирование и все символы кодируются одинаковым и минимально возможным количеством битов.
Определите объём памяти, отводимый этой программой для записи `60` номеров.
Первое действие аналогично предыдущей задаче – нужно установить, каким количеством бит кодируется `1` символ. Всего используется `18` букв и `10` десятичных цифр, то есть `28` символов. По формуле Хартли `H=log_2 28`. После округления получается `5` бит на `1` символ. Вторым действием нужно узнать, какой объём памяти занимает `1` номер. Поскольку номер состоит из `7` символов, а каждый символ кодируется `5` битами, нам потребуется `35` бит памяти для хранения `1` номера. Однако по условию каждый номер должен записываться целым количеством байтов, а в каждом байте `8` бит. Ближайшее сверху к `35` число, делящееся на `8` – это число `40`, следовательно, на каждый номер отводится `5` байт. Таким образом, для записи `60` номеров программе потребуется `60*5 = 300` байт памяти.
Сигналы с судна на берег передают, используя различное положение рук. Каждая рука может быть поднята вверх, отведена в сторону или опущена вниз. Сколько различных сигналов можно подать двумя руками, если важно то, какая рука была в каком положении, но обе руки могут находиться и в одинаковом положении?
Главная ловушка этой задачи заключается в следующем неверном ходе мыслей: «Раз одной рукой передаётся `3` сигнала, значит, двумя в `2` раза больше, то есть `6`». На самом деле число исходов с добавлением новой руки увеличивается в `3` раза, поскольку можно продублировать все положения первой руки для каждого из `3` возможных положений второй. Таким образом, в ответе получается `9` сигналов.
В течение `5` секунд было передано сообщение, объём ко-торого составил `375` байт. Каков размер алфавита, с помощью кото-рого записано сообщение, если скорость его передачи составила `200` символов в секунду?
Первым делом найдём скорость передачи этого сообщения: `375//5 = 75` байт в секунду. Далее, нам известно, что в секунду передавалось `200` символов, которые занимают `75` байт памяти. Поэтому следующим действием найдём объём памяти, отводимый под `1` символ, переведя ответ в биты (ибо уже из входных чисел очевидно, что под каждый символ отводится менее `1` байта): `75^(**)8//200 = 600//200 = 3`. Таким образом, под каждый символ отводится `3` бита.
Применяя формулу Хартли, находим, что алфавит состоит из `8` символов.
Информация является одним из фундаментальных понятий современной науки наряду с такими понятиями, как «вещество» и «энергия».
Общее определение этому термину дать невозможно. Однако в раз-личных предметных областях даётся специализированное определение информации, подходящее для данной предметной области. В рамках этого задания мы будем говорить о математической теории информации и рассмотрим два подхода - содержательный (Клод Шеннон) и алфавитный (А.Н.Колмогоров). Начнём с определения понятия «инфор-мация» в каждом из этих подходов.
В содержательном подходе, информация - это снятая неопределённость. Неопределённость некоторого события - это количество возможных результатов (исходов) данного события.
Например, если мы подбрасываем вверх монету, то она может упасть двумя различными способами (орлом вверх или решкой вверх). Соответственно, у данного события два возможных исхода. Если же подбрасывать игральный кубик, то исходов будет шесть.
В алфавитном подходе информация - это сообщение (последовательность символов некоторого алфавита). Причём существенными являются только размер алфавита и количество символов в сообщении. Конкретное содержание сообщения интереса не представляет. Чаще всего алфавит является двоичным (состоит из `2` символов – «`0`» и «`1`»).
После таких определений понятия «информация» можно говорить об её измерении. Введём несколько основных единиц измерения информации.
Чаще всего в качестве основной единицы измерения информации используется бит. При алфавитном подходе один бит - это количество информации, которое можно передать в сообщении, состоящем из одного двоичного знака (`«0»` или `«1»`). С точки же зрения содержательного подхода один бит - это количество информации, уменьшающее неопределённость знания в два раза.
Наряду с битами можно использовать и другие единицы измерения информации, например, триты или диты. При алфавитном подходе один трит - это количество информации, которое можно передать в сообщении, состоящем из одного троичного знака `(«0»`, `«1»` или `«2»)`. С точки же зрения содержательного подхода один трит - это количество информации, уменьшающее неопределённость знания в три раза. Соответственно, один дит - это количество информации, уменьшаю-щее неопределённость знания в десять раз, и количество информации, которое можно передать в сообщении, состоящем из одного десятичного знака (арабской цифры). В некоторых задачах (например, в задаче взлома кодового замка) удобнее в качестве основной единицы измерения информации использовать не биты, а диты, поскольку угадывание каждой цифры из кода уменьшает количество комбинаций в `10` раз.
Для каждой основной единицы измерения информации существуют производные более крупные единицы измерения. Поскольку чаще всего мы будем использовать в качестве основной единицы бит, рассмотрим производные единицы измерения для бита. На практике чаще всего используется не бит, а байт.
`1` байт (`1`B) `= 8` бит;
Далее существует две линейки производных единиц для байта – линейка десятичных приставок и линейка двоичных приставок. В случае десятичных приставок каждая следующая единица измерения равна `1000` предыдущих единиц. Обозначаются десятичные приставки латинскими буквами (буква префикса из системы СИ и заглавная «B», обозначающая «байт») Итак:
`1` килобайт (`1` kB) `= 1000` B (1000 байт);
`1` мегабайт (`1` MB) `= 1000` kB ;
`1` гигабайт (`1` GB) `= 1000` MB;
`1` терабайт (`1` TB) `= 1000` GB;
`1` петабайт (`1` PB) `= 1000` TB;
`1` эксабайт (`1` EB) `= 1000` PB;
`1` зеттабайт (`1` ZB) `= 1000` EB;
`1` йоттабайт(`1` YB) `= 1000` ZB.
Более крупных единиц на настоящий момент не введено.
При использовании двоичных приставок, каждая следующая едини-ца измерения равна 1024 предыдущих единиц. В России принято обозначать двоичные приставки, записывая префикс заглавной русской буквой и после него слово «байт» целиком и тоже русскими буквами. За рубежом для обозначения двоичных приставок между префиксом и «B» добавляется маленькая буква «i» (от слова «binary»). Кроме того, все префиксы записываются заглавными буквами. Итак:
`1` кибибайт (`1` Кбайт, `1` KiB) `=2^10` байт `= 1024` байт;
`1` мебибайт (`1` Мбайт, `1` MiB) `=2^20` байт `= 1024` Кбайт;
1 гибибайт (`1` Гбайт, `1` GiB) `=2^30` байт `= 1024` Мбайт;
1 тебибайт (`1` Тбайт, `1` TiB) `=2^40` байт `= 1024` Гбайт;
1 пебибайт (`1` Пбайт, `1` PiB) `=2^50` байт `= 1024` Тбайт;
1 эксбибайт (`1` Эбайт, `1`EiB) `=2^60` байт `= 1024` Пбайт;
1 зебибайт (`1` Збайт, `1` ZiB) `=2^70` байт `= 1024` Эбайт;
1 йобибайт (`1` Йбайт, `1` YiB) `=2^80` байт `= 1024` Збайт.
Как уже упоминалось выше, в качестве основной единицы измерения информации мы будем использовать бит. Соответственно, с точки зрения алфавитного подхода мы будем кодировать информацию при помощи нулей и единиц (двоичных знаков).
Для того чтобы измерить количество информации в сообщении, надо закодировать сообщение в виде последовательности нулей и единиц наиболее рациональным способом, позволяющим получить самую короткую последовательность. Длина полученной последовательности нулей и единиц и является мерой количества информации в битах.
Поставим себе одну из наиболее часто встречающихся задач в теории информации. Пусть у нас есть `N` возможных равновероятных вариантов исходов некоторого события. Какое количество информации нам нужно получить, чтобы оставить только один вариант?
Например, пусть мы знаем, что некоторая интересная для нас книга находится на одной из полок нашего книжного шкафа, в котором `8` полок. Какое количество информации нам нужно получить, чтобы однозначно узнать полку, на которой находится книга?
Решим эту задачу с точки зрения содержательного и алфавитного подходов. Поскольку изначально в шкафу было `8` полок, а в итоге мы выберем одну, следовательно, неопределённость знания о местоположении книги уменьшится в `8` раз. Мы говорили, что один бит – это количество информации, уменьшающее неопределённость знания в `2` раза. Следовательно, мы должны получить `3` бита информации.
Теперь попробуем использовать алфавитный подход. Закодируем номера всех полок при помощи `0` и `1`. Получим следующие номера: `000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111`. Для того чтобы узнать, на какой полке находится книга, мы должны узнать номер этой полки. Каждый номер состоит из `3` двоичных знаков. А по определению, `1` бит (в алфавитном подходе) – это количество информации в сообщении, состоящем из `1` двоичного знака. То есть мы тоже получим `3` бита информации.
Прежде чем продолжить рассмотрение поставленной общей задачи введём важное математическое определение.
Назовём логарифмом числа `N` по основанию `a` такое число `X`, что Обозначение:
`X=log_aN`.
На параметры логарифма налагаются некоторые ограничения. Число `N` обязательно должно быть строго больше `0`. Число `a` (основание логарифма) должно быть также строго больше нуля и при этом не равняться единице (ибо при возведении единицы в любую степень получается единица).
Теперь вернёмся к нашей задаче. Итак, какое же количество информации нам нужно получить, чтобы выбрать один исход из `N` равновероятных? Ответ на этот вопрос даёт формула Хартли: `H=log_aN`, где `N` – это количество исходов, а `H` – количество информации, которое нужно получить для однозначного выбора `1` исхода. Основание логарифма обозначает единицу измерения количества информации. То есть если мы будем измерять количество информации в битах, то логарифм нужно брать по основанию `2`, а если основной единицей измерения станет трит, то, соответственно, логарифм берётся по основанию `3`.
Рассмотрим несколько примеров применения формулы Хартли.
В библиотеке `16` стеллажей, в каждом стеллаже `8` полок. Какое количество информации несёт сообщение о том, что нужная книга находится на четвёртой полке?
Решим эту задачу с точки зрения содержательного подхода. В переданном нам сообщении указан только номер полки, но не указан номер стеллажа. Таким образом, устранилась неопределённость, связанная с полкой, а стеллаж, на котором находится книга, мы всё ещё не знаем. Так как известно, что в каждом стеллаже по `8` полок, следовательно, неопределённость уменьшилась в `8` раз. Следовательно, количество информации можно вычислить по формуле Хартли `H=log_2 8=3` бита информации.
Имеется `27` монет, одна из которых фальшивая и легче всех остальных. Сколько потребуется взвешиваний на двухчашечных весах, чтобы однозначно найти фальшивую монету?
В этой задаче неудобно использовать бит в качестве основной единицы измерения информации. Двухчашечные весы могут принимать три положения: левая чаша перевесила, значит, фальшивая монета находится в правой; правая чаша перевесила, значит, монета находится в левой; или же весы оказались в равновесии, что означает отсутствие фальшивой монеты на весах. Таким образом, одно взвешивание может уменьшить неопределённость в три раза, следовательно, будем использовать в качестве основной единицы измерения количес-тва информации трит.
По формуле Хартли `H = log _3 27 = 3` трита. Таким образом, мы видим, что для того чтобы найти фальшивую монету среди остальных, нам потребуется три взвешивания.
Логарифмы обладают очень важным свойством: `log_a(X*Y)=log_aX+log_aY`.
Если переформулировать это свойство в терминах количества информации, то мы получим закон аддитивности информации: Коли-чество информации`H(x_1, x_2)`, необходимое для установления пары `(x_1, x_2)`, равно сумме количеств информации `H(x_1)` и `H(x_2)`, необходимых для независимого установления элементов `x_1` и `x_2`:
`H(x_1,x_2)=H(x_1)+H(x_2)`.
Проиллюстрируем этот закон на примере. Пусть у нас есть игральная кость в форме октаэдра (с `8` гранями) и монета. И мы одновременно подбрасываем их вверх. Нужно узнать, какое количество информации несёт сообщение о верхней стороне монеты после падения (орёл или решка) и числе, выпавшему на игральной кости.
Игральная кость может упасть `8` различными способами, следовательно, по формуле Хартли можно вычислить, что, определив число, выпавшее на игральной кости, мы получаем `3` бита информации. Соответственно, монета может упасть только `2` способами и несёт в себе `1` бит информации. По закону аддитивности информации мы можем сложить полученные результаты и узнать, что интересующее нас сообщение несёт `4` бита информации.
Рассмотрим другой способ решения этой задачи. Если мы сразу рассмотрим все возможные исходы падения `2` предметов, то их будет `16` (кость выпадает `8` способами, а монета - орлом вверх, и кость выпадает `8` способами, а монета - решкой вверх). По формуле Хартли находим, что интересующее нас сообщение несёт `4` бита информации.
Если в результате вычислений по формуле Хартли получилось нецелое число, а в задаче требуется указать целое число бит, то результат следует округлить в большую сторону.
Всякий текст состоит из символов - букв, цифр, знаков препинания и т. д., - которые человек различает по начертанию. Однако для компьютерного представления текстовой информации такой метод неудобен, а для компьютерной обработки текстов - и вовсе неприемлем. Используется другой способ: все символы кодируются числами, и текст представляется в виде набора чисел - кодов символов, его составляющих. При выводе текста на экран монитора или принтер необходимо восстановить изображения всех символов, составляющих данный текст. Для этого используются кодовые таблицы символов, в которых для каждого символа устанавливается соответствие между его кодом и изображением. Все кодовые таблицы, используемые в любых компьютерах и любых операционных системах, подчиняются международным стандартам кодирования символов.
Основой для компьютерных стандартов кодирования символов послужил ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - американский стандартный код для обмена информацией, разработанный в 1960-х годах и применяемый в США для любых видов передачи информации. В нём используется `7`-битное кодирование: общее количество символов составляет `2^7=128`, из них первые `32` символа - «управляющие», а остальные - «изображаемые», т. е. имеющие графическое изображение. Управляющие символы должны восприниматься устройством вывода текста как команды, например:
|
Cимвол |
Действие |
Английское название |
|
№7 |
Подача стандартного звукового сигнала |
Beep |
|
№8 |
Затереть предыдущий символ |
Back Space (BS) |
|
№13 |
Перевод строки |
Line Feed (LF) |
|
№26 |
Конец текстового файла |
End Of File (EOF) |
|
№27 |
Отмена предыдущего ввода |
Escape (ESC) |
К изображаемым символам в ASCII относятся буквы английского (латинского) алфавита (заглавные и прописные), цифры, знаки препинания и арифметических операций, скобки и некоторые специальные символы. Фрагмент кодировки ASCII приведён в таблице.
|
Символ |
Десятичный код |
Двоичный код |
Символ |
Десятичный код |
Двоичный код |
|
Пробел |
`32` |
`00100000` |
`0` |
`48` |
`00110000` |
|
`!` |
`33` |
`00100001` |
`1` |
`49` |
`00110001` |
|
# |
`35` |
`00100011` |
`2` |
`50` |
`00110010` |
|
$ |
`36` |
`00100100` |
`3` |
`51` |
`00110011` |
|
`**` |
`42` |
`00101010` |
`4` |
`52` |
`00110100` |
|
`+` |
`43` |
00101011 |
5 |
53 |
`00110101` |
|
, |
`44` |
`00101100` |
`6` |
`54` |
`00110110` |
|
`–` |
`45` |
`00101101` |
`7` |
`55` |
`00110111` |
|
. |
`46` |
`00101110` |
`8` |
`56` |
`00111000` |
|
/ |
`47` |
`00101111` |
`9` |
`57` |
`00111001` |
|
`A` |
`65` |
`01000001` |
`N` |
`78` |
`01001110` |
|
`B` |
`66` |
`01000010` |
`O` |
`79` |
`01001111` |
|
`C` |
`67` |
`01000011` |
`P` |
`80` |
`01010000` |
|
`D` |
`68` |
`01000100` |
`Q` |
`81` |
`01010001` |
|
`E` |
`69` |
`01000101` |
`R` |
`82` |
`01010010` |
|
`F` |
`70` |
`01000110` |
`S` |
`83` |
`01010011` |
|
`G` |
`71` |
`01000111` |
`T` |
`84` |
`01010100` |
|
`H` |
`72` |
`01001000` |
`U` |
`85` |
`01010101` |
|
`I` |
`73` |
`01001001` |
`V` |
`86` |
`01010110` |
|
`J` |
`74` |
`01001010` |
`W` |
`87` |
`01010111` |
|
`K` |
`75` |
`01001011` |
`X` |
`88` |
`01011000` |
|
`L` |
`76` |
`01001100` |
`Y` |
`89` |
`01011001` |
|
`M` |
`77` |
`01001101` |
`Z` |
`90` |
`01011010` |
Хотя в ASCII символы кодируются `7`-ю битами, в памяти компьютера под каждый символ отводится ровно `1` байт (`8` бит). И получается, что один бит из каждого байта не используется.
Главный недостаток стандарта ASCII заключается в том, что он рассчитан на передачу только текста, состоящего из английских букв. Со временем возникла необходимость кодирования и неанглийских букв. Во многих странах для этого стали разрабатывать расширения ASCII-кодировки, в которых применялись однобайтные коды символов; при этом первые `128` символов кодовой таблицы совпадали с кодировкой ASCII, а остальные (со `128`-го по `255`-й) использовались для кодирования букв национального алфавита, символов национальной валюты и т. п. Из-за несогласованности этих разработок для многих языков было создано по нескольку вариантов кодовых таблиц (например, для русского языка их около десятка).
Впоследствии использование кодовых таблиц было несколько упорядочено: каждой кодовой таблице было присвоено особое название и номер. Указав кодовую таблицу, автоматически выбирают и язык, которым можно пользоваться в дополнение к английскому; точнее, выбирается то, как будут интерпретироваться символы с кодами более `127`.
Для русского языка наиболее распространёнными являются однобайтовые кодовые таблицы СР-`866`, Windows-`1251`, ISO `8859-5` и КОИ-`8`. В них первые `128` символов совпадают с ASCII-кодировкой, а русские буквы помещены во второй части таблицы (с номерами `128-255`), однако коды русских букв в этих кодировках различны! Сравните, например, кодировки КОИ-`8` (Код Обмена Информацией `8`-битный, международное название «koi-`8`r») и Windows-`1251`, фрагменты которых приведены в таблицах на странице `13`.
Несовпадение кодовых таблиц приводит к ряду неприятных эффектов: один и тот же текст (неанглийский) имеет различное компьютерное представление в разных кодировках, соответственно, текст, набранный в одной кодировке, будет нечитабельным в другой!
Однобайтовые кодировки обладают одним серьёзным ограничением: количество различных кодов символов в отдельно взятой кодировке недостаточно велико, чтобы можно было пользоваться одновременно несколькими языками. Для устранения этого ограничения в 1993-м году был разработан новый стандарт кодирования символов, получивший название Unicode, который, по замыслу его разработчиков, позволил бы использовать в текстах любые символы всех языков мира.
В Unicode на кодирование символов отводится `32` бита. Первые `128` символов (коды `0-127`) совпадают с таблицей ASCII, все основные алфавиты современных языков полностью умещаются в первые `65536` кодов (`65536=2^16`), а в целом стандарт Unicode описывает все алфавиты современных и мёртвых языков; для языков, имеющих несколько алфавитов или вариантов написания (например, японский и индийский), закодированы все варианты; внесены все математические и иные научные символьные обозначения, и даже - некоторые придуманные языки (например, письменности эльфов и Мордора из эпических произведений Дж.Р.Р. Толкиена). Потенциальная информационная ёмкость Unicode столь велика, что сейчас используется менее одной тысячной части возможных кодов символов!
В современных компьютерах и операционных системах используется укороченная, `16`-битная версия Unicode, в которую входят все современные алфавиты; эта часть Unicode называется базовой многоязыковой страницей (Base Multilingual Plane, BMP).
