Microsoft PowerPoint - 1_Inf_Wyk1

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

AGH w Krakowie

Studia Niestacjonarne, Rok 1, semestr 2

przedmiot:

Informatyka

Dr inż. Zbigniew Rudnicki

Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn AGH

B-2, pok.301

AGH WIMiR

Studia Niestacjonarne

Semestr 2:

Informatyka

AiR

10 godz. wykładu, 10 godz. laboratorium

MiBM

8 godz. wykładu, 16 godz. laboratorium

• Wykłady: B2 sala 100 oraz 140

dr inż Zbigniew Rudnicki, B-2 pok.301

e-mail: zbigniew.rudnicki@agh.edu.pl

• Laboratoria: B2 sale: 320-322

- dr inż. Krystyna Prync-Skotniczny
- mgr inż. Piotr Bera

Informacje:

w INTERNECIE:

http://www.kkiem.agh.edu.pl

i niektóre w gablotce B-2 III p. obok pokoju 301

Cele nauczania przedmiotu Informatyka

1) poznanie podstawowych idei konstruowania algorytmów

i programowania

komputerów, z wykorzystaniem różnych

struktur danych

i języków programowania;

2) nauczenie się podstaw użytkowania potężnego pakietu

oprogramowania jakim jest Matlab i poznanie niektórych,
jego możliwości;

3) poznanie zasad tworzenia programów z interfejsem

graficznym

(„okienkowych”) w Matlabie i Visual Basic’u

4) poznanie podstawowych idei, narzędzi i zastosowań

Baz Danych

Wykłady (obecność sprawdzana)
Tematyka:

1) Algorytmy i struktury danych

2) Matlab - charakterystyka pakietu, tryby użytkowania.

3) Podstawy programowania w języku Matlab

4) Macierze i operacje macierzowe w Matlabie

5) Wykresy i obiekty graficzne w Matlabie

6) Matlab - tworzenie graficznego interfejsu użytkownika

7) Programowanie obiektowe w Matlabie i Visual Basic

8) Ogólna charakterystyka języka C i porównanie z Matlabem

9) Budowa i obsługa baz danych. Elementy języka SQL

10) Internetowe bazy danych i dynamiczne strony www

10 godz. Ćwiczeń Lab.:

• Algorytmy - śledzenie działań (oceniane), konstruowanie.

• MATLAB:

– działania w oknie komend i proste programy,

– tabelaryzacja funkcji, zapis do pliku, wykres XY,

– programy z pętlą i warunkiem,

– rozwiązywanie równań nieliniowych, pierwiastki wielomianu

– budowa interfejsu graficznego,

– interpolacja i aproksymacja,

– operowanie na macierzach i układy równań liniowych

– struktury i bazy danych

– test: podstawowe pojęcia z wykładów i ćwiczeń

• Visual Basic - budowa prostych programów

Ćwiczenia Laboratoryjne:

Materiały do zajęć z Matlaba

http://www.kkiem.agh.edu.pl/dydakt/matlab/2012/index.html

Pobrać, wydrukować

i korzystać !!

Przeczytać!!

Podstawy programowania to:

• Umiejętność tworzenia

algorytmów

• Znajomość

struktur danych

i sposobów ich wykorzystywania

ALGORYTM

Algorytm

to:

a) opis danych oraz

b) opis procedury realizacji zadania z pewnej, ściśle określonej

klasy zadań

np..: rozwiązywania dowolnego równania

kwadratowego

Opis procedury składa się ze skończonej liczby jednoznacznie

określonych poleceń (kroków) jakie należy wykonać
w określonej kolejności

dla uzyskania celu.

Polecenia muszą być zrozumiałe i możliwe do realizacji dla

wykonawcy algorytmu

Np.: wykonawcą

algorytmu obliczeń

będzie komputer

a wykonawcą

algorytmu pieczenia placka

- pani domu

Algorytmy w programowaniu

• Algorytm to koncepcja działania programu lub jego

wydzielonego fragmentu (podprogramu),

• Każdy algorytm i program powinien być tak skonstruowany aby:

działać dla wielu różnych zestawów danych

• To znaczy:

algorytm

ma być procedurą

rozwiązywania:

DOWOLNEGO ZADANIA z określonej KLASY ZADAŃ

• Uzyskuje się to przez operowanie NAZWAMI zmiennych

oraz dzięki umiejętności abstrakcyjnego uogólniania

Abstrakcyjne uogólnianie

Tworzenie programu to NIE OBLICZENIA!

Konstruując algorytm:

•

przeanalizuj na konkretnych przykładach -

jakie operacje

komputer

ma wykonywać i

w jakiej kolejności

a następnie

uogólnij

tak

aby algorytm mógł działać dla dowolnych danych

•

nie myśl o liczbach

tylko o ROLI jaką pełnią i zastąp je odpowiednio

nazwanymi zmiennymi

•

uwzględnij wszelkie sytuacje - na przykład jak unikniesz dzielenia
przez zero, ...

•

przykłady liczbowe posłużą do testowania poprawności działania
algorytmu czy programu

Przykładowe oznaczenia i role zmiennych:

- wyraz wolny w równaniu kwadratowym

- liczba elementów ciągu

- licznik elementów a zarazem numer elementu

„Cegiełki” do budowy

algorytmów obliczeniowych

Do budowania algorytmów obliczeniowych

oraz tworzenia programów obliczeniowych,

w dowolnym języku programowania,

wystarczy znać:

podstawowych typów poleceń:

1) Wprowadzanie danych = wczytanie

wartości do zmiennej (z klawiatury lub
innego urządzenia lub z pliku tekstowego)

2) Podstawianie = obliczenie wartości

wyrażenia i podstawienie do zmiennej

3) Wyprowadzanie wyników i objaśnień na

ekran lub drukarkę lub do pliku, ...

4) Instrukcja warunkowa „Jeżeli... to” -

zależnie od spełnienia lub nie spełnienia
określonego warunku - wybranie jednego z
dwu wariantów

Pętle

dla powtarzania czynności

5) typu „Dla ...” 6) typu „Podczas...”

7) Wywołanie podprogramu

Wczytaj A, B

A=A+2*B

Drukuj A, B

A>100

Tak

Nie

Zmienne

• Algorytmy i programy nie powinny zawierać

danych liczbowych

• Zamiast nich należy używać NAZWY

reprezentujące zmienne proste lub zmienne
złożone

czyli struktury danych

• Każda zmienna musi mieć ściśle określoną rolę

• Najlepiej gdy nazwa zmiennej kojarzy się z rolą tej

zmiennej

Przykład 1:

Utworzyć algorytm wyznaczania sumy

ciągu

N dowolnych liczb wczytywanych z klawiatury

Przy realizacji wielu podobnych operacji dążymy do takiego

ich sformułowania aby mogły być wielokrotnie
powtarzane

przy pomocy pętli programowej

Najprostszy

jest wariant c:

S := S+A

oznacza:

„dotychczasową

wartość S

zwiększ o A

i zapamiętaj

jako nowe S”

Przykład 1 c.d.

Algorytm wyznaczania sumy ciągu N dowolnych liczb
wczytywanych z klawiatury c.d

- liczba powtórzeń

i - numer wczytywanej liczby

- wczytana i-ta liczba

- suma już wczytanych liczb

Jeśli wczytywana liczba będzie zaraz po wczytaniu zwiększała sumę

i nie będzie potem potrzebna, to kolejną liczbę można wczytać
do tej samej zmiennej.
W takim przypadku nie jest potrzebne pamiętanie całego ciągu
w tablicy więc

wystarczą zmienne:

Przykład 2:

Utworzyć algorytm wyznaczania średniej

oraz wariancji i odchylenia standardowego ciągu N liczb

(wyników pomiarów)

Przykład 2 c.d. - potrzeba tablicy

- liczba powtórzeń

i - numer wczytywanej liczby

A(i)

- i-ta liczba wczytana do i-tego elementu tablicy

- suma już wczytanych liczb

µ - srednia z ciagu wyników pomiarów

- wariancja

σ - odchylenie standardowe

D(i) - ciag kwadratów odchylen

Wariancja to średnia z ciągu kwadratów odchyleń od średniej.

Po wyznaczeniu sumy oraz średniej arytmetycznej, ciąg liczb będzie

więc znowu potrzebny do wyznaczania odchyleń poszczególnych
liczb od tej średniej.

W takim przypadku trzeba zapamiętać cały ciąg liczb w tablicy, więc

potrzebne są zmienne:

Przykład 2 c.d. - potrzeba podprogramów

Wczytywanie z pliku dyskowego

ciągu liczb o niewiadomej

długości to często występujące w różnych problemach zadanie
więc:

- warto zdefiniować wczytywanie z pliku jako osobny podprogram

Wyznaczanie średniej

w naszym zadaniu odbędzie się dwa razy:

    1) średnia z ciągu wyników pomiarów
    2) średnia z ciągu kwadratów odchyleń
        wyników od średniej

- warto więc utworzyć podprogram funkcyjny (funkcję) do

obliczania średniej

Więcej o zmiennych

strukturach danych

ZMIENNA

Zmienna

• w dziedzinie modeli matematycznych: zmienna to symboliczna

reprezentacja cechy

modelowanego obiektu, procesu, lub

samego modelu

• a w dziedzinie programów komputerowych: zmienna to obszar

pamięci komputera

, dostępny poprzez przypisaną mu nazwę i

przechowujący wartość określonego typu.

Skoro zmienną w algorytmie i programie można traktować jak

"pojemnik"  na  dane  określonego  typu,  więc  zamiast  mówić:
“zmiennej  X  przypisano  wartość  ...”,  lub  “nadano  wartość”
będziemy także mówić: “do zmiennej X  wstawiono wartość ...”.

Każda zmienna posiada:

• NAZWĘ

(lub inny identyfikator np.: adres)

• TYP

wartości jakie może przyjmować

(oraz zakres i strukturę - jeśli jest to zmienna złożona)

• WARTOŚĆ

określoną w każdym momencie

(a jeśli jest to zmienna złożona to zbiór wartości)

ale przede wszystkim

pełni OKREŚLONĄ ROLĘ

Zmienne w komputerze

• Każdej zmiennej przypisany jest określony

obszar

w pamięci

operacyjnej komputera identyfikowany

adresem

pierwszej jego komórki

• Obszar ten przechowuje

wartość

zmiennej a

odwołujemy się do niego przez jej

nazwę.

• Nowo nadana

wartość zmiennej

zastępuje

wartość

dotychczasową.

• Jeśli zmienna musi przechowywać wiele wartości

to musi być

zmienną złożoną

np. wektorem, tablicą, rekordem, listą.

Zakres i czas trwania zmiennej

Zmienne w programach mogą się też różnić:

• Zakresem widoczności:

– globalne - widziane w całym programie

– lokalne - widziane tylko w jednym bloku (podprogramie)

– wspólne (common) dla określonych podprogramów

• Czasem trwania:

– statyczne - istniejące przez cały czas działania programu

– dynamiczne - tworzone i usuwane w trakcie działania progr.

Zmienne proste i złożone

czyli STRUKTURY DANYCH

Oprócz zmiennych prostych czyli skalarnych

mogą występować zmienne złożone czyli struktury
danych

takie jak:

– wektory

– macierze dwu (lub więcej) wymiarowe

– rekordy

– listy (zmienna długość)

Struktury danych (1)

• Zmienna skalarna - jej wartość w każdym momencie jest

pojedynczą liczbą
Zmienną skalarną można traktować
jak pojemnik zawierający wartość liczbową
a identyfikowany przez nazwę

• Wektor n wymiarowy - to ciąg n ponumerowanych

składowych z których każda jest skalarem;
rozróżniane są wektory wierszowe i kolumnowe.
Np.:

trzyelementowy wektor wierszowy w MATLABIE:

a) definiowanie:

Vkr = [3.75, 2.87, 9.32];

b) wybranie drugiego elementu:

Vkr(2)

128.5

Struktury danych(2)

• Macierz- to prostokątna tablica,

każda jej kolumna jest wektorem

Przykład macierzy w Matlabie:

>> M = [9.88, 12.4, 3.5; 8.45, 0, -6.23]

M =

9.8800 12.4000 3.5000

8.4500 0 -6.2300

Struktury danych (3)

• Rekord to zbiór n danych o pojedynczym obiekcie lub zdarzeniu

(np. twoje dane personalne: Nazwisko, rok urodzenia, ...), przy
czym każda z tych danych ma określony typ i nie muszą one być
jednakowego typu

zbiór rekordów (wierszy) tworzy tabelę (kartotekę) bazy danych

W Matlabie typ rekordowy nazywa się struct

Struktury danych o zmiennej długości

- Listy

• Lista jednokierunkowa - to ciąg danych z których każda

oprócz wartości zawiera identyfikator (lub adres) swego
następnika

lub znacznik końca listy

• Lista dwukierunkowa - to ciąg danych z których każda

oprócz wartości zawiera identyfikator (lub adres) swego
następnika

lub znacznik końca listy oraz identyfikator

poprzednika

lub znacznik początku.

Struktury danych o zmiennej długości

Stos i kolejka

• Kolejka to lista o zmiennej długości do której elementy można

dołączać na końcu listy a usuwać na początku listy
Może być sprzętowo realizowana jako
rejestr FIFO (ang.: First In First Out
- „ten co pierwszy przyszedł
ten pierwszy odejdzie”)
_______________________________________________________

• Stos to lista o zmiennej długości w której zarówno

dołączanie jak usuwanie elementów odbywa się
na końcu listy. Może być sprzętowo realizowana
jako rejestr LIFO (ang.: Last In First Out
- „ostatni przyszedł pierwszy wyjdzie”)

PROGRAM

ALGORYTM

zapisany w języku programowania

Polecenia DLA KOMPUTERA

Pamiętaj, że: algorytm i program mają się składać

nie z równań i nierówności ale
z POLECEŃ DLA KOMPUTERA
zwanych też:
instrukcjami, rozkazami, komendami, ...

Np.:

„Wczytaj wartość do zmiennej A”

oznacza, że komputer ma zażądać liczby i jak ją

otrzyma to ma wstawić do miejsca w pamięci
zarezerwowanego dla zmiennej A

Podstawowe struktury w algorytmach

• Sekwencja (stuktura liniowa)

• Rozgałęzienie „Jeśli ... to ... w przeciwnym razie ...”

• Pętla z daną liczbą powtórzeń

np.: „Dla i zmieniajacego się od 1 do 10...”

• Pętla warunkowa „Powtarzaj tak długo jak...”

• Podprogram:

– Procedura

– Funkcja

Postacie zapisu algorytmów

Ten sam algorytm może być zapisywany przy użyciu różnych

rodków (języków) np.:

1) w języku naturalnym - po polsku, w postaci ponumerowanych

poleceń,

2) w postaci schematu blokowego

3) w języku programowania komputera - jako program

• . . . . . . . . . . . .

Tak więc ważna jest merytoryczna treść algorytmu oraz

zrozumiałość, jednoznaczność i wykonalność poleceń

a nie

rodki zapisu

Przykład:

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 1:

opis słowny

1) Będą użyte zmienne liczbowe: X, Y, oraz tekstowa: P

2) Wyświetl: „Obliczanie kwadratów. Podaj liczbę:”

3) Wczytaj liczbę do zmiennej X

4) Oblicz: X*X i wynik wstaw do Y

5) Wyświetl tekst „ Kwadrat liczby =” oraz wartość Y

6) Wyświetl pytanie: „Czy nowe obliczenie? (T/N):”

7) Wczytaj znak z klawiatury do zmiennej P

8) Jeśli wartość P = „T” lub P = „t” to skocz do (2)

9) KONIEC

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 2:

schemat blokowy

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 3:

program w języku BASIC

' w tym języku nie musimy deklarować zmiennych

2 PRINT "Obliczanie kwadratów"

INPUT "Podaj liczbe:"; X

Y = X * X

PRINT "Kwadrat liczby ="; Y

INPUT "Czy nowe obliczenie? (T/N):"; P$

IF P$ = "T" OR P$ = "t" GOTO 2

STOP

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 4:

program w języku PASCAL

program kwadraty;

uses crt, dos; VAR x,y:real; p:char; label 2;

BEGIN

2: writeln('Obliczanie kwadratow.');

write('Podaj liczbe:'); readln(x);

y:=x*x;

write('Kwadrat liczby='); writeln(y);

write('Czy nowe obliczenie? (T/N):'); readln(p);

if (p='T') OR (p='t') then goto 2

END.

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 5:

program w języku MATLAB

% Program oblicza kwadraty liczb

p= 't';
while p=='T' | p=='t'
disp('Obliczanie kwadratow.');
x = input('Podaj liczbe :');

  y = x^2;
  disp('Kwadrat liczby = '); disp(y);
  p=input('Czy nowe obliczenie? (T/N):', 's');
end

algorytm obliczania kwadratów dowolnych liczb

postać 6:

program w języku C

main()

{
float x,y; char p;

p='t';

while(p=='t'| p=='T')

{

printf("\n OBLICZANIE KWADRATOW. Podaj liczbe:");
scanf("%f",&x);

y=x*x;

printf("\n Kwadrat liczby= %f",y);

printf("\n Czy nowe obliczenia? (T/N):");

p=getch();
}

}

Podstawowe polecenia:

1) Wczytywanie

czyli polecenie wprowadzenia wartości danej

z urządzenia wejściowego do zmiennej.

Na przykład:

Oznacza:

Zażądaj wprowadzenia z klawiatury liczby

np. wyświetl:

Sila=

a wpisaną liczbę wstaw do zmiennej

------------------------------------------------------------------------------------------

Zażądaj wprowadzenia z klawiatury liczby

np.: wyświetl:

Ramie=

a wpisaną liczbę wstaw do zmiennej

Wczytaj F

Wczytaj R

Podstawowe polecenia:

2) Podstawianie

lub inaczej przypisanie

- to nadanie zmiennej, wartości obliczonego wyrażenia

a najprostsze wyrażenie

to stała (liczba) lub zmienna.

Stosowane są różne symbole podstawiania:

w algorytmach, Mathcadzie, Algolu, Pascalu:

zmienna

wyrażenie

w algorytmach:

zmienna

wyrażenie

w algorytmach, Matlabie, Basic’u:

zmienna

wyrażenie

Podstawowe polecenia:

c.d. Podstawianie lub inaczej przypisanie

Przykłady:

Wartość 5,75 prześlij do pamięci komputera, do

miejsca zarezerwowanego dla zmiennej A

Wykorzystując aktualną wartość zmiennej A

oblicz wartość wyrażenia 2*A^2-3 i podstaw ją
do zmiennej B

Do dotychczasowej wartości zmiennej X dodaj 2 i

wynik wstaw do X jako jej nową wartość.

Krócej mówiąc:

Zwiększ X o 2

A = 5,75

B:=2*A^2 -3

X=X+2

Podstawowe polecenia:

3) Wyprowadzanie wyników

(napisów i wartości

zmiennych)

przez urządzenie wyjściowe

(ekran,

drukarkę) lub do pliku dyskowego

Przykłady (w algorytmach):

1) Wyświetl (lub wydrukuj) tekst ”Moment=" oraz

wartość zmiennej Moment

Drukuj A, B

Podstawowe polecenia:

4) Rozgałęzienie

"Jeśli... to ... w przeciwnym przypadku ...”

(w Matlabie instrukcja IF ... ELSE ...END)

Przykład 1:

1) Jeśli wyrażenie Delta>0 jest prawdziwe to

wykonaj grupę instrukcji S1 a jeśli nie to wykonaj
grupę instrukcji S2

Przykład 2:

A>100

Tak

Nie

Podstawowe polecenia:

5a) Pętla typu "Dla

wartości ... wykonuj ... koniec"

(instrukcja pętli "FOR ... END")

Przykład (w algorytmie):

Dla poszczególnych wartości

zmiennej X, zmieniającej się
od XP do XK z przyrostem DX
wykonuj ciąg instrukcji
zapisanych poniżej aż do słowa
KONIEC (tyle razy ile będzie
wartości X)

Podstawowe polecenia:

5b) Pętla typu "Dopóki ..."
(instrukcja pętli "WHILE ... END")

Przykład (w algorytmie):

Tak długo jak spełnione

jest wyrażenie logiczne
„warunek” powtarzaj
wykonywanie instrukcji
zapisanych poniżej aż
do słowa KONIEC