程序设计思想与方法

1、程序设计思想与方法,课程信息,教材 程序设计思想与方法问题求解与计算思维 陆朝俊，高教出版社，2013 参考书 Python Programming: An Introduction to Computer Science. (电子版) How to Think Like a Computer ScientistLearning with Python.(电子版) Python学习手册 第4版 (原版：Learning Python),2,课程信息,下载python 软件的地址 / Purdue University的课件地址： http:/secan

2、/ cs190c:textsoft09,3,教学方式,课堂教学 - 每星期四3, 4节 讲课, 演示 机房上机 单周(3-15周，共7次) 周一1, 2节, 电院4号楼313教室 完成当天上机作业并提交 答疑,4,考核方式,期末考试 笔试, 占最终成绩的50% 平时作业 上机作业、章节后的作业 ftp上传给助教, 占最终成绩的40% 自选作业 编一个大程序, 期末提交, 占最终成绩的10%,5,第1章 计算与计算思维,问题的提出,当今时代,计算机几乎无处不在: 企业管理 产品设计 气象预报 电影制作 工业控制 游戏, 写文章, 上网, 问题:计算机究竟是什么?怎么

3、能做这么多不同的事情?,7,计算机: 硬件(1),8,计算机:硬件(2),中央处理器(CPU):执行指令 每条指令只能完成简单的操作! 例如: 加法, 比较, 移动, etc. 但按一定的次序执行大量简单指令能完成复杂任务! 存储器: 存储信息(程序和数据) 主存: CPU能直接访问,速度快但易失 次级存储器:速度慢但持久 输入/输出设备:人机交互,9,9,10,10,10,计算机:软件,计算机是信息处理机器,信息处理过程由预定的程序控制. 单条指令是做不了什么事情的,需要大量指令组成一个逐步执行的指令序列,即程序. 各种程序统称为计算机软件. 没有软件的计算机毫无用处.,10,计算,计算:

4、利用计算机执行程序来解决问题. 不是狭义的数学计算! 程序使得简单指令能完成复杂任务. 问:只会加法的小学生能完成乘法运算任务吗? 答:能!关键是编写合适的程序 在纸上写下0，记住结果； 给所记结果加上第1个n，记住结果； 给所记结果加上第2个n，记住结果； 给所记结果加上第m个n，记住结果; 报告结果(即mn),11,11,12,12,12,通用计算机,计算机是具有如下特征的机器: 能够存储和处理信息 输入处理输出 信息处理由程序控制 计算机程序是一个详细的逐步执行的指令序列,告诉计算机该做什么 程序可改变: 不同的程序完成不同的处理任务 计算机执行一个程序即可实现一个功能;换着执行不同的程

5、序即可实现不同的功能. 人们造了各种各样的计算机, 但: 所有计算机具有相同的能力!,计算机科学,并非研究计算机! 计算机之于计算机科学家正如望远镜之于天文学家. (E. W. Dijkstra) CS研究计算的基础,实现与应用. 例如,CS的一个基本问题:什么是可计算的? 本课程的目标:像计算机科学家一样思考,13,13,程序设计,计算的关键是程序设计(编程). 给定一个问题,利用计算机支持的简单操作,设计出一个操作步骤的序列,计算机执行这个序列从而解决问题. 学习程序设计的好处: 做计算机的主人 提高问题求解能力 本身是很有乐趣的智力活动,14,程序设计语言,问:用什么语言告诉计算机做什么

6、? 答:用精确无歧义的程序设计语言. 精确的语法和语义(形式和意义),15,15,程序设计语言,有不同层次的程序设计语言 计算机的“母语”: 机器语言 例如: 0000010000000001.是Intel8086能理解的一条指令 将机器语言用助忆符表示:汇编语言 上例即: ADD AL,1.需要汇编器处理后机器才懂 适合人用的语言: 高级语言 如: x = y + 1. 需要编译器或解释器翻译后机器才懂,16,16,高级语言,高级程序设计语言有很多种, 据说2008年网上被引用最多的10个语言是(按字母顺序): C, C+, C#, Java, JavaScript, Perl, PHP,

7、Python, Ruby, SQL.,17,程序设计语言,高级语言的翻译 编译 源代码编译成目标代码, 再执行 一次编译, 多次执行. 解释 源代码直接被解释执行 每次执行都要重新解释.,18,18,编译vs解释,思考:为什么高级语言程序具有可移植性, 即同一个程序可以在不同厂商的计算机上执行?,19,Python,Python采用编译/解释混合方式 先编译成字节码, 再解释执行 安装Python 2.x 与新的Python 3.x有不兼容的地方 启动Python,20,算法与编码实现,程序设计 先用非形式化的语言将问题求解步骤表达出来算法; 伪代码 再用形式化的编程语言将上述算法实现程序 代

8、码,21,算法 例:欧几里德算法,欧几里德算法:求最大公约数. 输入:自然数a, b 输出: a, b的最大公约数 步骤: 第1步:令r为a除以b所得余数 第2步:若r = 0,则算法结束, b即为答案 否则置ab, br,转到第1步.,22,对算法的要求,算法的每个步骤必须是明确的,可行的. 不明确:在菜中放点盐 不可行:用青菜豆腐做出龙肝凤髓的美味 每个步骤不必是最底层的琐细步骤,可以是组合的高级步骤.如:焯水 算法的所有步骤必须在有限时间内完成. 我们说的计算,即是指算法计算:用明确可行的基本步骤组成的序列来解决问题.,23,24,计算思维,计算思维(computational thin

9、kin 计算机科学家利用计算机(计算过程)解决问题时的思想和方法 计算机科学(CS)是关于“计算”的科学 如何像计算机科学家一样思考?,24,25,真的有计算思维吗?,人们在解决不同问题时有不同的思考方式 数学思维:解数学问题 工程思维:工程设计 形象思维:文学创作 . 计算思维:建立在计算机的能力与局限之上. 由于计算机的广泛应用,计算思维未来会成为人们的基本能力. 与阅读,书写,算术能力一样!,计算思维 例:问题表示,问题的表示(建模) 抽象:将现实中的各种数量关系,空间关系,处理过程抽象为计算机的数据结构和控制结构 例如:温度数据抽象为数值还是文字? 不同抽象层次 问题表示得合适与否直接

10、影响问题的解法的发现和效率,26,计算思维 例:算法设计,化难为易: 分解, 约简, 嵌入, 转换, 模拟 分治法, 递归法, 贪心法, 动态规划. 递归地思考 并行处理,27,计算思维 例:编程实现,类型系统与类型检查 结构化与模块化的思考 编程范型:过程式,面向对象,函数式,. 程序美学,系统设计的简洁与优雅,28,计算思维 例:计算理论,算法复杂度分析 问题的解法是有效率差别的 有些问题是难解的 寻求近似解 问题的可计算性 有些问题是不可计算的,29,计算思维 例:其他,预取和缓存 对最坏情况的预防,保护,恢复 启发式推理 时空等不可兼得要素的权衡 ,30,计算思维的特点,是概念化思考,

11、而非编程 是基本思考能力,而非机械的套用 是人的思考,而非计算机 与数学思维和工程思维相结合 是思想,而非人造物 人人皆有,处处皆是,31,生活中的计算思维,算法:最大公约数 查找方法:查黄页是顺序翻找还是借助索引 排序:整理扑克牌 排队:先来先处理 预取与缓存:书包存放当天上课用的书 并行处理:烧菜 ,32,计算 + X,计算数学,计算几何,自动定理证明 计算物理学 计算化学 计算生物学,生物信息学 计算经济学 计算机艺术:电影特效,计算机作曲绘画书法 ,33,计算+X: 十二五863计划,征集重大应用软件课题 聚变与裂变能源数值模拟 真实飞机外型全流场和优化设计数值模拟 航天飞行器全飞行流

12、域数值模拟 新药研发与蛋白质折叠数值模拟 真实感动漫渲染与创作 大型工程设备结构力学分析 复杂电磁环境数值模拟 新型材料设计与性能评估,34,2013年诺贝尔化学奖,多尺度复杂化学系统模型:在多尺度模型的辅助下,化学家们让计算机“做帮手”来揭示化学过程. 诺贝尔化学奖评选委员会:对化学家来说,计算机是同试管一样重要的工具,计算机对真实生命的模拟已为化学领域大部分研究成果的取得立下了“汗马功劳”,35,本课程的定位,学习利用计算机解决问题的思想方法,应用于其他专业领域 不是程序设计语言课程! 编程是计算思维的实践 坏消息:学习编程语言需要掌握非常繁琐的细节 好消息:Python语言非常简单,易学

13、易用 不是算法和数据结构课程! 会学习一些基本的知识,36,本课程的定位(续),计算机科学,程序设计语言,算法设计与分析,数据结构,理,化,生.,经,管,金融.,工程,数学,艺术,计算思维,可计算性理论,37,Python语言,荷兰人Guido van Rossum于1980年代发明 通用/跨平台/开源/自由(免费) 简单易学,高度的可读性 支持多种编程范型 编译+解释 源代码先编译成字节码,再解释执行,38,Python语言,流行编程语言前10名之一 ,39,Python安装与运行,版本:教材和上课都采用Python 2.7 与最新的Python 3.x有不兼容的地方. 安装后,启动Pyth

14、on解释器 命令行 GUI,40,第一个程序:HelloWorld,交互方式 print Hello, World! Hello, World! 本课程的教学中常用交互方式演示新语句 实际上很少用交互方式执行程序 多次执行同一程序需要多次输入程序 多行语句无法一次性执行,41,第一个程序:HelloWorld,程序文件 将语句保存在纯文本文件hello.py中 四种执行方式 在IDLE中用Run Module菜单执行 双击hello.py文件图标 import hello C:Python27 python hello.py,print Hello, World!,42,程序构件:数据,数据是

15、被处理的信息 有不同类型的数据 字符串数据 print Hello, World! 数值数据 print 3.1415,43,程序构件:变量,和数学类似:用一个名字表示可变的数据 数学中多用单字母,程序中多用单词/词组 标识符:Python命名 以字母或下划线开头,后跟0个或多个字母,数字,下划线.区分大小写字母. 合法: x xYz x_123 _ _ _w3 非法: 3q x-123 first name 良好的命名风格:有意义,风格一致,44,程序构件:表达式,表达式:能计算出一个值. 字面值: 3.14, “hello” 变量 数据+运算符(如 ) 2+3*4-5 运算符 不同类型的数据有不同运算 运算符有优先级 良好编程风格:用空格,括号增加表达式的可读性,45,程序构件:语句,输出语句 我们用语句模板来给出正确用法 print print ,. 赋值语句 x = 3.14 print x * 10,46,程