Теоретические основы алгоритмизации на уроке информатики в школе

Понятие "Алгоритм" занимает одно из центральных мест в современной науке.

Под алгоритмом понимают строгую и четкую систему правил, которая определяет последовательность действий над некоторыми объектами и после конечного числа шагов приводит к достижению поставленной цели.

Появление алгоритмов связывают с зарождением математики. Более 1000 лет назад (в 825 году) ученый из города Хорезма Абдулла (или Абу Джафар) Мухаммед бен Муса аль-Хорезми создал книгу по математике, в которой описал способы выполнения арифметических действий над многозначными числами. Эти способы и сейчас изучают в школе. Само слово "алгоритм" возникло в Европе после перевода на латынь книги этого среднеазиатского математика, в которой его имя писалось как "Алгоритми". "Так говорил Алгоритми", - начинали европейские ученые, ссылаясь на правила, предложенные Мухаммедом аль-Хорезми.

Алгоритмом стал называться любой способ вычислений, единый для некоторого класса исходных данных, например, нахождение производной функции. Впоследствии термин "алгоритм" стал общеупотребимым. В связи с этим возникает вопрос: можно ли построить общее и точное определение алгоритма (понятие "любой алгоритм"), например для того, чтобы, пользуясь им, различить, является ли алгоритмом какая-то совокупность указаний или нет? На уровне здравого смысла можно сказать, что алгоритм - это точно определенная (однозначная) последовательность простых (элементарных) действий, обеспечивающих решение любой задачи из некоторого класса. Однако данное утверждение нельзя принять в качестве строгого определения алгоритма, поскольку в нем использованы другие неопределенные понятия - однозначность, элементарность и пр. Понятие можно уточнить, указав перечень общих свойств, которые характерны для алгоритмов. К ним относятся:

1. Дискретность алгоритма означает, что алгоритм разделен на отдельные шаги (действия), причем, выполнение очередного шага возможно только после завершения всех операций на предыдущем шаге. При этом набор промежуточных данных конечен и он получается по определенным правилам из данных предыдущего шага.

2. Детерминированность алгоритма состоит в том, что совокупность промежуточных величин да любом шаге однозначно определяется системой величин, имевшихся на предыдущем шаге. Данное свойство означает, что результат выполнения алгоритма не зависит от того, кто (или что) его выполняет (т.е. от исполнителя алгоритма), а определяется только входными данными и шагами (последовательностью действий) самого алгоритма.

3. Элементарность шагов: закон получения последующей системы величин из предыдущей должен быть простым и локальным. Какой шаг (действие) можно считать элементарным, определяется особенностями исполнителя алгоритма.

4. Направленность алгоритма: если способ получения последующих величин из каких-либо исходных не приводит к результату, то должно быть указано, что следует считать результатом алгоритма.

5. Массовость алгоритма: начальная система величин может выбираться из некоторого множества.

Последнее свойство означает, что один алгоритм, т.е. одна и та же последовательность действий, в общем случае, может применяться для решения некоторого класса (т.е. многих) задач. Для практики и, в частности, решения задачи на компьютере, это свойство существенно, поскольку, как правило, пользовательская ценность программы оказывается тем выше, чем больший круг однотипных задач она позволяет решить. Однако для построения алгоритмической теории это свойство не является существенным и обязательным.

Понятие алгоритма, в какой-то мере определяемое перечислением свойств 1 - 5, нельзя считать строгим, поскольку в формулировках свойств использованы термины "величина", "способ", "простой", "локальный" и другие, точный смысл которых не установлен. В дальнейшем данное определение мы будем называть нестрогим (иногда его называют интуитивным) понятием алгоритма.