程序设计思想与方法讲述汇总

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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 ……
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计算思维的特点



是概念化思考,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
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”
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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!

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影响问题的解 法的发现和效率
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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
– 精确的语法和语义(形式和意义)
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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 上例即: ADD AL,1.需要汇编器处理后机器才懂 如: x = y + 1. 需要编译器或解释器翻译后机器才懂
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 Scientist— Learning with Python.(电子版) http://openbookproject.net/thinkCSpy/ – Python学习手册 第4版 (原版：Learning Python)
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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.
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编译vs解释
源代码
编译器
目标代码
输入数据
处理器
输出
源代码 输入数据
解释器 处理器
输出
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?
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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
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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
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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
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程序设计语言

问:用什么语言告诉计算机做什么? 答:用精确无歧义的程序设计语言.

代码
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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a←b, b←r,转到第1步.

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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"

问题:计算机究竟是什么?怎么能做这么 多不同的事情?
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计算机: 硬件(1)
CPU
输入设备
输出设备
主存储器
次级存储器
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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!


良好的命名风格:有意义,风格一致
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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
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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
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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
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
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第一个程序:HelloWorld

数据是被处理的信息 有不同类型的数据
– 字符串数据 >>> print "Hello, World!" – 数值数据 >>> print 3.1415
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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
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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 执行不同的程序即可实现不同的功能.
– 将机器语言用助忆符表示:汇编语言

– 适合人用的语言: 高级语言

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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, Python, Ruby, SQL.

程序文件
– 将语句保存在纯文本文件hello.py中
print "Hello, World!"
– 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

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程序构件:数据
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课程信息

下载python 软件的地址
https://www.python.org/

Purdue University的课件地址：
http://secant.cs.purdue.edu/ cs190c:textsoft09
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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
–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,易学易用

不是算法和数据结构课程!
–会学习一些基本的知识
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本课程的定位(续)
数学 计算机科学 可 计 算 性 理 论 程 序 设 计 语 言 计 算 思 维 数 据 结 构 理,化,生...
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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%
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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, ……
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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


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! 12
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


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.
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计算思维

计算思维(computational thinkin
– 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?
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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!
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计算思维 例:问题表示
经,管,金融...
工程
算 法 设 计 与 分 析
艺术
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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
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Python语言

流行编程语言前10名之一
http://www.tiobe.com/index.php /content/paperinfo/tpci/index. html
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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Python解释器
–命令行
–GUI
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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
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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 <表达式> print <表达式1>,<表达式2>,...
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
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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.
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Biblioteka Baidu 计算

计算: 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m×n)