›
›

Bài giảng về môn học Kỹ thuật lập trình

pdf 114 trang vanle 2570
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng về môn học Kỹ thuật lập trình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ve_mon_hoc_ky_thuat_lap_trinh.pdf

Nội dung text: Bài giảng về môn học Kỹ thuật lập trình

  1. Kỹ thuật lập trình Giảng viên: Đỗ Tuấn Anh Địa chỉ:Bộ môn Khoa học Máy tính 323 C1 ĐHBK Hà Nội Email: anhdt@it-hut.edu.vn Điện thoại: 0989095167
  2. Mục tiêu •Nắm bắt được các loại ngôn ngữ lập trình •Kỹ thuật lập trình đệ qui •Tìm hiểu lập trình cấu trúc •Tìm hiểu lập trình hướng đối tượng •Tìm hiểu các thao tác vào ra
  3. Nội dung trình bày •Chương 1: Mở đầu –Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình – Ngôn ngữ lập trình C •Chương 2: Đệ qui •Chương 3: Lập trình cấu trúc •Chương 4: Lập trình hướng đối tượng •Chương 5: Thao tác vào ra với tệp tin
  4. Tài liệu tham khảo • [1] Data Structures and Algorithm Analysis in C – Mark Allen Weiss • [2] Cấu trúc dữ liệu và giải thuật – Đỗ Auân Lôi • [3] Ngôn ngữ lập trình C – Nguyễn Thanh Thủy • [4] Lập trình với các cấu trúc dữ liệu trên Pascal – Lê Minh Trung
  5. Chương 1: Mở đầu •Giới thiệu ngôn ngữ lập trình 1. Lịch sử phát triển 2. Các mô hình ngôn ngữ lập trình
  6. 1. Lịch sử phát triển ngôn ngữ lập trình • Ngôn ngữ máy •Hợp ngữ (Assembly) • Ngôn ngữ bậc cao – Fortran, Pascal, C, Java, –Prolog –Lisp – Occam • Ngôn ngữ truy vấn –SQL
  7. 2. Phân loại • Ngôn ngư lập trình được phân loại theo phương thức lập trình Phương thức lập trình Mệnh lệnh Khai báo Hướng đối Aử lý Thủ tục Logic Hàm CSDL tượng song song
  8. 2. Phân loại (tiếp) •Mệnh lệnh –Thủ tục: Fortran (1957), Pascal (1970), C(1971), – Đối tượng: Smalltalk (1969), C++(1983), Java(1991), C#(2000), – Song song: Ada, Occam(1982), C-Linda • Khai báo – Hàm: Lisp(1958), Caml(1987), Miranda(1982) – Logic: Prolog(1970) – CSDL: SQL(1980)
  9. 2. Phân loại (tiếp) • Đặc điểm của ngôn ngữ mệnh lệnh –Diễn đạt thuật toán sử dụng tập các trạng thái. –Aử lý lần lượt – Khai báo dữ liệu –Kiểu dữ liệu cơ bản, và kiểu dữ liệu mới –Hai kiểu dữ liệu có cùng tên thì tương đương – Thay đổi trạng thái thông qua lệnh gán –Cấu trúc điều khiển là tuần tự –Chương trình con: hàm, thủ tục với truyền tham số –Hiệu ứng phụ khi sử dụng chương trình con –Bốn mức: Khối, CT con, module, chương trình • Đặc điểm của ngôn ngữ khai báo –Sử dụng các hàm suy luận – Đánh giá một biểu thức
  10. 2.1 Lập trình cấu trúc •Chương trình được tổ chức theo các công việc cần thực hiện, phân chia chương trình theo chức năng. • Đặc điểm –Gồm các chương trình con –Thực hiện tuần tự –Các kiểu dữ liệu xây dựng dựa trên kiểu dữ liệu cơ bản • Ngôn ngữ – C, Pascal,
  11. 2.2 Lập trình hướng đối tượng •Aây dựng dựa trên nền tảng khái niệm lập trình có cấu trúc • Phân chia bài toán thành các đối tượng và bài toán đi giải quyết mối quan hệ giữa các đối tượng • Các khái niệm –Class •Method • Properties – Object
  12. 3. Ngôn ngữ lập trình C •Trong môn học này dùng C để mô tả các bài toán •Yêu cầu: –Nắm chắc ngôn ngữ C –Cài đặt các bài toán cơ bản trên ngôn ngữ C –Bài tập: Viết một chương trình • Đọc dữ liệu từ file văn bản VB.TAT •Liệt kê các từ có trong văn bản và đếm xem có bao nhiêu lần từ đóxuất hiện và xem nó hiển thịởtrang bao nhiêu (mỗi trang 25 dòng)
  13. Khái niệm Software Program 1 Program 2 Commands Commands Commands
  14. NgônNgôn ngngữữ ccấấpp trungtrung Ngôn ngữ cấpcao C Ngôn ngữ hợpngữ
  15. ĐĐặặcc đđiiểểmm ccủủaa CC • C có 32 từ khóa •Những từ khóa này kết hợp với cú pháp của C hình thành ngôn ngữ C • Các quy tắc được áp dụng cho các chương trình C
  16. CCấấuu trtrúúcc chchươươngng trtrììnhnh CC main() •Chương trình C được chia nhỏ thành những đơn vị gọi là hàm • Không kể có bao nhiêu hàm trong chương trình, Hệ điều hành luôn trao quyền điều khiển cho hàm main() khi một chương trình C được thực thi. • Theo sau tên hàm là dấu ngoặc đơn •Dấu ngoặc đơn có thể có chứa hay không chứa những tham số
  17. CCấấuu trtrúúcc chchươươngng trtrììnhnh CC • Dấu phân cách { } • Dấu kết thúc câu lệnh ; • /*Dòng chú thích*/
  18. BiênBiên ddịịchch vvàà thithi hhàànhnh chchươươngng trtrììnhnh
  19. Biến Bộ nhớ Dữ liệu 15 15 Dữ liệu trong bộ nhớ Mỗivị trí trong bộ nhớ là duy nhất Biến cho phép cung cấpmột tên có ý nghĩachomỗivị trí nhớ
  20. Định danh •Tên của các biến (variables), các hàm (functions), các nhãn (labels) và các đối tượng khác nhau do người dùng định nghĩa gọi là định danh •Vídụ về các định danh đúng – arena – s_count – marks40 – class_one •Vídụ về các định danh sai – 1sttest – oh!god – start end • Các định danh có thể có bất cứ chiều dài nào theo quy ước, nhưng số ký tự trong một biến được nhận diện bởi trình biên dịch thì thay đổi theo trình biên dịch • Các định danh trong C có phân biệt chữ hoa và chữ thường
  21. Các nguyên tắc đặt tên định danh Tên biếnphảibắt đầubằng mộtkýtự alphabet Theo sau ký tự đầucóthể là các ký tự chữ, số Nên tránh đặttênbiếntrùngtêncáctừ khoá Tên biến nên mô tả đượcý nghĩacủanó Tránh dùng các ký tự gây lầmlẫn Nên áp dụng các quy ước đặttênbiếnchuẩn khi lậptrình
  22. Kiểu dữ liệu cơ bản Kiểudữ liệucơ bản int float double char void
  23. Những kiểu dữ liệu dẫn xuất Bộ bổ từ (Modifiers) Kiểudữ liệu Kiểudữ liệudẫnxuất kiểudữ liệu cơ bản unsigned int unsigned int (chỉ là số dương) short int short int (chiếmítbộ nhớ hơnint) Long int /longdouble long int/double (chiếm nhiềubộ nhớ hơn int/double)
  24. Kiểu dữ liệu & phạm vi giá trị Kiểu Dung lượng Phạmvi tính bằng bit char 8 -128 tới127 Unsigned char 8 0 tới255 signed char 8 -128 tới127 int 16 -32,768 tới 32,767 unsigned int 16 0 tới 65,535 signed int 16 Giống như kiểuint short int 16 Giống như kiểuint unsigned short int 16 0 tới 65, 535
  25. BiBiểểuu ththứứcc (Expressions)(Expressions) Sự kếthợp các toán tử và các toán hạng Toán Tử Ví dụ: 2 * y + 5 Toán hạng
  26. ToToáánn ttửử ggáánn Toán tử gán (=) có thểđược dùng vớibấtkỳ biểuthứcC hợplệ nào (Tên biến) (Biểuthức) (Giá trị trái) (Giá trị phải) (Toán tử gán)
  27. BBốốnn KiKiểểuu ToToáánn TTửử Số học Logic (Arithmetic) (Logical) Quan hệ Nhị phân (Relational) (Bitwise)
  28. Vào ra trong C ƒ #include • Đây là câu lệnh tiền xử lý ƒ stdio.h là tập tin header (header file) ƒ Chứa các macro sử dụng cho nhiều hàm nhập/xuất trong C ƒ Các macro trong stdio.h giúp các hàm printf(), scanf(), putchar(), getchar() thực thi
  29. Các cấu trúc điều khiển •Rẽ nhánh –If – switch •Lặp –For – While – Do While
  30. Lệnh IF • if (expression) statement; else statement;
  31. Lệnh switch
  32. Vòng lặp For ƒ Cú pháp: for (initialize counter; conditional test; re-evaluation parameter) { statement } ƒ initialize counter là một lệnh gán để khởi tạo biến điều khiển của vòng lặp trước khi đi vào vòng lặp ƒ conditional test là một biểu thức quan hệ để chỉ định khi nào vòng lặp sẽ kết thúc • re-evaluation parameter định nghĩa cách thức thay đổi của biến điều khiển vòng lặp mỗi khi vòng lặp được thực thi
  33. Vòng lặp While Cú pháp while (condition is true) statement ; Vòng lặp while lặp lại các lệnh trong khi một biểu thức điều kiện mang giá trị True
  34. Vòng lặp Do While •Cúpháp do{ statement; } while (condition); ƒ Trong vòng lặp do while phần thân của vòng lặp được thực thi trước khi biểu thức điều kiện được kiểm tra ƒ Khi điều kiện mang giá trị False, vòng lặp do while sẽ được kết thúc, và điều khiển chuyển đến lệnh xuất hiện ngay sau lệnh while
  35. Mảng • Danh sách các phần tử có kiểu giống nhau • Khai báo –[Kiểu dữ liệu] [Tên mảng][số lượng phần tử] –Vídụ: • char a[10]; •a[5] • a+5
  36. Contrỏ
  37. Chương II: Đệ qui •1. Mô tả đệ qui • 2. Bài toán đệ qui •3. Khử đệ qui
  38. 1. Mô tả đệ qui • 1.1 Khái niệm về đệ qui • 1.2 Các loại đệ qui • 1.3 Mô tả đệ qui các cấu trúc dữ liệu • 1.4 Mô tả đệ qui các giải thuật • 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp
  39. 1.1 Khái niệm về đệ qui •Mô tả mang tính đệ qui về một đối tượng là mô tả theo cách phân tích đối tượng thành nhiều thành phần mà trong số các thành phần có thành phần mang tính chất của chính đối tượng được mô tả. •Tức là mô tả đối tượng qua chính nó.
  40. 1.1 Khái niệm về đệ qui • Mô tả đệ quy tập số tự nhiên N : –Số 1 là số tự nhiên ( 1 - N). –Số tự nhiên bằng số tự nhiên cộng 1. • Mô tả đệ quy cấu trúc ds(list) kiểu T : –Cấu trúc rỗng là một ds kiểu T. – Ghép nối một thành phần kiểu T(nút kiểu T ) với một ds kiểu T ta có một ds kiểu T. • Mô tả đệ quy cây gia phả : Gia phả của một người bao gồm người đóvà gia phả của cha và gia phả của mẹ.
  41. 1.1 Khái niệm về đệ qui •Mô tả đệ quy thủ tục sắp tăng dãy • a[m:n] ( dãy a[m], a[m+1], . . . , a[n] ) bằng phương pháp Sort_Merge (SM): • SM (a[m:n]) ≡ Merge ( SM(a[m : (n+m) div 2]) , SM (a[(n+m) div 2 +1 : n] ) –Với : SM (a[x : x]) là thao tác rỗng (không làm gì cả ). – Merge (a[x : y] , a[(y+1) : z]) là thủ tục trộn 2 dãy tăng a [x : y] , a[(y+1) : z] để được một dãy a[x : z] tăng.
  42. 1.1 Khái niệm về đệ qui •Mô tả đệ qui hàm giai thừa –0!=1 – F(n)=n*F(n-1) • Ưu điểm của phương pháp mô tả đệ qui – Mô tả tập lớn tác đối tượng chỉ qua một vài mệnh đề – Mô tả một bài toán lớn chỉ qua một số ít thao tác
  43. 1.1 Khái niệm về đệ qui •Mô tả đệ qui gồm hai phần –Phần neo:trường hợp suy biến của đối tượng •Vídụ: 1 là số tự nhiên, cấu trúc rỗng là ds kiểu T, 0 ! = 1 , SM (a[x:x]) là thao tác rỗng. –Phần quy nạp: mô tả đối tượng (giải thuật) thông qua chính đối tượng (giải thuật ) đómột cách trực tiếp hoặc gián tiếp. •Vídụ: n! = n * (n – 1) ! SM (a[m:n]) ≡ Merge (SM (a[m:( m+n) div 2] , SM (a[(m+n) div 2 +1 : n]) )
  44. 1.2 Các loại đệ qui •Gồm hai loại – Đệ qui trực tiếp – Đệ qui gián tiếp
  45. 1.2 Các loại đệ qui • Đệ quy trực tiếp là loại đệ quy mà đối tượng được mô tả trực tiếp qua nó – A mô tả qua A, B, C, trong đó B, C, không chứa A. • Đệ quy gián tiếp là loại đệ quy mà đối tượng được mô tả gián tiếp qua nó – A mô tả qua A1 ,A2 , , An .Trong đócó một Ai được mô tả qua A.
  46. 1.3 Mô tả đệ qui các cấu trúc dữ liệu •Cấu trúc dữ liệu có tính đệ quy thường gồm một số thành phần dữ liệu cùng kiểu được ghép nối theo cùng một phương thức •Vídụ : – Mô tả đệ quy cây nhi phân :Cây nhi phân kiểu T •Hoặc là một cấu trúc rỗng (phần neo). •Hoặc là một nút kiểu T (nút gốc) và 2 cây nhị phân kiểu T rời nhau (cây con nhị phân phải, cây con nhị phân trái) kết hợp với nhau . – Mô tả đệ quy mảng nhiều chiều : •Mảng một chiều là dãy có thứ tự các thành phần cùng kiểu . •Mảng n chiều là mảng 1 chiều mà các thành phần có kiểu mảng n-1 chiều .
  47. 1.4 Mô tả đệ qui các giải thuật •Giải thuật đệ qui –Giải thuật đệ quy là giải thuật có chứa thao tác gọi đến nó – Đặc điểm: mô tả một dãy lớn các thao tác bằng một số ít các thao tác trong đócóchứa thao tác gọi lại giải thuật (gọi đệ quy) –Biểu diễn giải thuật đệ qui •P Ù P[ S , P ] • Điều kiện dừng –Biểu diễn tổng quát •P Ù if B then P[ S , P ] •hoặc P Ù P[ S , if B then P ] •Chương trình con đệ qui –Hàm đệ qui –Thủ tục đệ qui
  48. 1.4 Mô tả đệ qui các giải thuật • Dãy các giai thừa : { n! } ? 1 ,1 , 2 , 6 , 24 , 120 . . . – Ký hiệu FAC(n ) = n ! . • FAC(0 ) = 1 ; ( 0 ! = 1 ) • FAC(n ) = n * FAC(n - 1 ) ; ( n ! = n * (n - 1 ) ! ) với n >= 1 •Giải thuật đệ quy tính FAC(n ) là : –FAC(n ) – if (n = 0 ) then return 1 ; – else return (n * FAC(n - 1 )) ;
  49. 1.4 Mô tả đệ qui các giải thuật •Dãy số Fibonaci(FIBO) :{ FIBO (n) } ≡ 1 ,1 , 2 , 3 , 5 , 8 , 13 , 21 , 34 , 55 , 89 , 144 , 233 , 377 , . . . – FIBO(0 ) = FIBO (1 ) = 1 ; – FIBO(n ) = FIBO (n - 1 ) + FIBO ( n - 2 ) ; với n > = 2 •Giải thuật đệ quy tính FIBO ( n ) là : – FIBO(n) – if ((n = 0 ) or ( n = 1 )) then return 1 ; – else return ( FIBO (n - 1) + FIBO (n - 2)) ;
  50. 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp • Đệ qui tuyến tính: là dạng đệ qui trực tiếp đơn giản nhất có dạng – P Ù { – If (B) thực hiện S; – else { thực hiện S* ; gọi P } – } Với S , S* là các thao tác không đệ quy . Ví dụ:Hàm FAC(n) tính số hạng n của dãy n! –Dạng hàm trong ngôn ngữ mã giả : • { Nếu n = 0 thì FAC = 1 ; /* trường hợp neo*/ • Ngược lại FAC = n*FAC(n-1) } –Dạng hàm trong C++ : • int FAC( int n ) • { if ( n == 0 ) return 1 ; • else return ( n * FAC(n-1 )) ; • }
  51. 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp •Chương trình con tính USCLN của 2 số dựa vào thuật toán Euclide –Dạng hàm trên ngôn ngữ toán học • USCLN(m , n ) = USCLN(n , m mod n ) khi n ≠ 0 • USCLN(m , 0) = m –Dạng hàm trong C++ : • int USCLN( int m , int n ) • { if(n == 0 ) return (m) ; • else return ( USCLN( n , m mod n)) ; }
  52. 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp (tiếp) • Đệ qui nhị phân: là đệ qui trực tiếp có dạng như sau – P Ù { – If (B) thực hiện S; – else { thực hiện S* ; gọi P ; gọi P} – } Với S , S* là các thao tác không đệ quy . Ví dụ : Hàm FIBO(n) tính số hạng n của dãy FIBONACCI –Dạng hàm trong C++ : • int F(int n) • { if ( n < 2 ) return 1 ; • else return (F(n -1) + F(n -2)) ; }
  53. 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp (tiếp) • Đệ qui phi tuyến: là đệ quy trực tiếp mà lời gọi đệ quy được thực hiện bên trong vòng lặp. – P Ù { – for ( to ) – {thực hiện S ; – if ( thỏa điều kiện dừng ) then thực hiện S*; – else gọi P;} – } Với S , S* là các thao tác không đệ quy . –Vídụ: Cho dãy { An } xác định theo công thức truy hồi : 2 2 2 2 A0 = 1 ; An = n A0 +(n-1) A1 + . . . + 2 An-2 + 1 An-1
  54. 1.5 Các dạng đệ qui đơn giản thường gặp (tiếp) •Dạng hàm đệ quy tính An trên ngôn ngữ C++ là : – int A( int n ) { – if ( n == 0 ) return 1 ; – else { – int tg = 0 ; – for (int i = 0 ; i<n ; i++ ) tg = tg + sqr(n-i) *A(i); – return ( tg ) ; – }
  55. 2. Bài toán đệ qui • 2.1 Tìm giải thuật đệ qui • 2.2 Một số bài toán giải bằng đệ qui
  56. 2.1 Tìm giải thuật đệ qui •Thực hiện 3 bước – Thông số hóa bài toán . – Tìm các trường hợp neo cùng giải thuật giải tương ứng – Tìm giải thuật giải trong trường hợp tổng quát bằng phân rã bài toán theo kiểu đệ quy.
  57. 2.1 Tìm giải thuật đệ qui • Thông số hóa bài toán –Tổng quát hóa bài toán cụ thể cần giải thành bài toán tổng quát (một họ các bài toán chứa bài toán cần giải ) – Tìm ra các thông số cho bài toán tổng quát • các thông số điều khiển: các thông số mà độ lớn của chúng đặc trưng cho độ phức tạp của bài toán , và giảm đi qua mỗi lần gọi đệ qui. –Vídụ • n trong hàm FAC(n) ; • a , b trong hàm USCLN(a,b) .
  58. 2.1 Tìm giải thuật đệ qui (tiếp) • Phát hiện trường hợp suy biến –trường hợp suy biến của bài toán tổng quát – các trường hợp tương ứng với các gía trị biên của các biến điều khiển •Vídụ : FAC(1) =1 USCLN(a,0) = a SM(a[x:x]) ≡∅ TSUM(a[m:m]) = a[m]
  59. 2.1 Tìm giải thuật đệ qui (tiếp) • Phân rã bài toán tổng quát theo phương thức đệ qui – Tìm phương án (giải thuật ) giải bài toán trong trường hợp tổng quát phân chia nó thành các thành phần •giải thuật không đệ quy • bài toán trên nhưng có kích thước nhỏ hơn. •Vídụ – FAC(n) = n * FAC(n -1) . – Tmax(a[1:n]) = max(Tmax(a[1:(n-1)]) , a[n] )
  60. 2.2 Một số bài toán giải bằng đệ qui • Bài toán tháp Hà Nội • Bài toán chia phần thưởng • Bài toán hoán vị
  61. 2.2 Một số bài toán giải bằng đệ qui (tiếp) • Bài toán tháp Hà Nội –Truyền thuyết kể rằng : Một nhà toán học Pháp sang thăm Đông Dương đến một ngôi chùa cổởHà Nội thấy các vị sư đang chuyển một chồng đĩa qúy gồm 64 đĩa với kích thước khác nhau từ cột A sang cột C theo cách : •Mỗi lần chỉ chuyển 1 đĩa . • Khi chuyển có thể dùng cột trung gian B . • Trong suốt qúa trình chuyển các chồng đĩa ở các cột luôn được xếp đúng (đĩa có kích thước bé được đặt trên đĩa có kích thước lớn ) . –Khi được hỏi các vị sư cho biết khi chuyển xong chồng đĩa thì đến ngày tận thế ! • Phân tích –Với chồng gồm n đĩa cần 2n-1 lần chuyển –Giả sử thời gian để chuyển 1 đỉa là t giây thì thời gian để chuyển xong chồng 64 đĩa sẽ là : –T = ( 264 -1) * t = 1.84 1019 t –Với t = 1/100 s thì T = 5.8*109 năm = 5.8 tỷ năm .
  62. Bài toán tháp Hà Nội •Giải bài toán bằng đệ qui – Thông số hóa bài toán •Xét bài toán ở mức tổng quát nhất : chuyển n (n>=0) đĩa từ cột A sang cột C lấy cột B làm trung gian . • THN(n ,A ,B,C) -> với 64 đĩa gọi THN(64,A ,B,C) •n sẽ là thông số quyết định bài toán – n là tham số điều khiển –Trường hợp suy biến và cách giải •Với n =1 : THN (1,A,B,C) –Giải thuật giải bài toán THN (1,A,B,C) là thực hiện chỉ 1 thao tác cơ bản : Chuyển 1 đĩa từ A sang C ( ký hiệu là Move (A , C) ) . • THN(1,A,B,C) ≡ { Move( A, C ) } . •THN(0, A,B,C) ≡ { φ }
  63. Bài toán tháp Hà Nội • Phân rã bài toán – Ta có thể phần rã bài toán TH N (k,A,B,C) : chuyển k đĩa từ cột A sang cột C lấy cột B làm trung gian thành dãy tuần tự 3 công việc sau : • Chuyển (k -1) đĩa từ cột A sang cột B lấy cột C làm trung gian : – THN (k -1,A,C,B) (bài toán THN với n = k-1,A= A , B = C , C = B ) • Chuyển 1 đĩa từ cột A sang cột C : Move ( A, C ) (thao tác cơ bản ). • Chuyển (k - 1 ) đĩa từ cột B sang cột C lấy cột A làm trung gian : – THN( k -1,B,A,C) ( bài toán THN với n = k-1 , A = B , B = A , C = C ) .
  64. Bài toán tháp Hà Nội •Vậy giải thuật trong trường hợp tổng quát (n > 1) là : – THN(n,X,Y,Z) ≡ { • THN (n -1,X,Z,Y) ; • Move ( X, Z ) ; • THN (n -1,Y,X,Z) ; •}
  65. Bài toán tháp Hà Nội • Độ phức tạp của bài toán –Với n đĩa , gọi f(n) là số các thao tác chuyển một đĩa . • Ta có : f(0) = 0 . • f(1) =1 . • f(n) = 2f(n -1) + 1 với n > 0 –Do đó: f(n) = 1+ 21 + 22 + + 2n-1 = 2n - 1
  66. Bài toán tháp Hà Nội • void THN( int n , char X,Y,Z) { • if(n > 0) { • THN(n -1,X,Z,Y ) ; • Move ( X , Z ) ; • THN(n - 1,Y,X,Z ) ; • } • return ; • }
  67. Bài toán chia phần thưởng •Có100 phần thưởng đem chia cho 12 học sinh giỏi đã được xếp hạng. Có bao nhiêu cách khác nhau để thực hiện cách chia? •Tìm giải thuật giải bài toàn bằng phương pháp đệ quy.
  68. Bài toán chia phần thưởng •Giải bài toán bằng đệ qui – Nhìn góc độ bài toán tổng quát: Tìm số cách chia m vật (phần thưởng ) cho n đối tượng (học sinh ) có thứ tự. – PART(m ,n ) –N đối tượng đã được sắp xếp 1,2, ,n –Si là số phần thưởng mà i nhận được •Si >= 0 •S1 >= S2 >= >= Sn . •S1 + S2 + + Sn = m –Vídụ : •Với m = 5 , n = 3 ta có 5 cách chia sau : 5 0 0 ,4 1 0, 3 2 0 ,3 1 1 ,2 2 1 Tức là PART(5,3 ) = 5
  69. Bài toán chia phần thưởng • Các trường hợp suy biến – m = 0 : mọi học sinh đều nhận được 0 phần thưởng . PART(0 , n ) = 1 với mọi n – n = 0 , m 0 .
  70. Bài toán chia phần thưởng • Phân rã bài toán trong trường hợp tổng quát – m m thì PART(m , n ) = PART(m , m ) –m>=n: làtổng •Học sinh cuối cùng không có phần thưởng PART(m , n -1 ) •Học sinh cuối cùng có ít nhất 1 PART(m - n , n ) Vậy: n > m PART(m , n ) = PART(m , n -1 ) + PART(m - n , n )
  71. Bài toán chia phần thưởng • Dạng hàm PART trong NN LT C++ int PART( int m , int n ) { if ((m == 0 ) || (n == 0) ) return 1 ; else if(m < n ) retrun ( PART(m , m )) ; else return ( PART(m , n -1 ) + PART( m -n , n ) ) ; }
  72. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử • Bài toán : In ra tất cả các hoán vị của dãy A. •Vídụ: –Với dãy A gồm N = 3 phần tử A[1] = a , A[2] = b , A[3] = c thì bài toán bắt phải xuất 6 hoán vị có thể của A : – a b c a c b c b a b a c c a b b c a –Với n=4 thì bài toán phải xuất ra 24 hoán vị có thể có của A
  73. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử • Thông số hóa bài toán. –Gọi HV(v, m ) • v : array[1 . . N ] of T • m :integer ; m <= N •T làmột kiểu dữ liệu –Vídụ : N = 4 , A[1] = 1 , A[2] = 2 , A[3] = 3 , A[4] = 4 thì lời gọi HV(A ,3 ) xuất tất cả hoán vị của A có được bằng cách hoán vị 3 phần tử đầu (có 6 h vị ) : 1 2 3 4 1 3 2 4 3 2 1 4 2 1 3 4 3 1 2 4 2 3 1 4 – Để giải bài toán tổng quát HV(A,N)
  74. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử •Trường hợp neo –Vơi m = 1 : HV(v,1): xuất v • HV(v,1) ≡ print(v) ≡ for k:= 1 to N do write(v[k])
  75. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử • Phân rã bài toán –Giữ nguyên các phần tử cuối V[m] , . . . ,V[N] hoán vị m-1 phần tử đầu •gọi đệ quy HV(V ,m - 1) – Đổi chổ V[m] cho V[m-1] ,giữ nguyên các phần tử cuối V[m], ,V[N] hoán vị m-1 phần tử đầu •gọi đệ quy HV(V ,m - 1) – Đổi chổ V[m] cho V[m-2] ,giữ nguyên các phần tử cuối V[m], . ,V[N] hoán vị m-1 phần tử đầu •gọi đệ quy HV(V ,m - 1) – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – Đổi chổ V[m] cho V[2] ,giữ nguyên các phần tử cuối V[m], . ,V[N] hoán vị m-1 phần tử đầu •gọi đệ quy HV(V ,m - 1) . –- Đổi chổ V[m] cho V[1] ,giữ nguyên các phần tử cuối V[m], . . . ,V[N] hoán vị m-1 phần tử đầu •gọi đệ quy HV(V ,m - 1) .
  76. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử
  77. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử • HV(V,m) ≡ { – SWAP( V[m],V[m] ) ; HV(V,m – 1) ; – SWAP( V[m],v[m-1] ) ; HV(V,m – 1) ; – SWAP( V[m],v[m-2 ] ) ; HV(V,m – 1) ; – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – SWAP (V[m],v[2] ) ; HV(V,m – 1) ; – SWAP( V[m],v[1] ) ; HV(V,m – 1) ; •} SWAP(x , y ) là thủ tục hoán đổi giá trị của 2 đối tượng dữ liệu x ,y ) •Vậy :HV(V , m ) ≡ for k := m downto 1 do begin – SWAP( V[m], V[k] ) ; – HV(V,m – 1) ; – end ;
  78. Bài toán tìm tất cả hoán vị của một dãy các phần tử • const size = Val ; // Val là hằng gía trị typedef typebase vector[size] ; // typebase là một kiểu dữ liệu có thứ tự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • void Swap( typebase & x , typebase& y) { typebase t ; t = x ; x = y ; y = t ; } • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • void print( const vector &A) { for(int j= 0 ; j = 0 ; k ) { swap(V[m-1] ,V[k] ) ; HV(V,m-1) ; } }
  79. Các bài tập • Bài toán sắp xếp trộn • Tìm nghiệm xấp xỉ của một phương trình
  80. 3. KHỬ ĐỆ QUY • 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •3.2 Tổng quan về đệ qui • 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản
  81. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Trạng thái của tiến trình xử lý một giải thuật: nội dung các biến và lệnh cần thực hiện kế tiếp. •Với tiến trình xử lý một giải thuật đệ qui ở từng thời điểm thực hiện, cần lưu trữ cả các trạng thái xử lý đang còn dang dở.
  82. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Xét giải thuật giai thừa –Giải thuật FAC ( n ) ≡ if(n = 0 ) then retrun 1; else retrun ( n * FAC (n – 1)); –Sơ đồ thực hiện
  83. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Xét giải thuật hàm đệ qui tính giá trị dãy Fibonacci –Giải thuật • FIB(n) { – if ((n = 0 ) or ( n = 1 )) then return 1 ; – else return ( FIB(n - 1) + FIB(n - 2)) •} ; –Sơ đồ tính FIB(5)
  84. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui • Xét thủ tục đệ quy tháp Hà Nội THN (n , X , Y , Z) –Giải thuật • THN (n : integer ; X ,Y , Z : char) ≡ { if (n > 0 ) then { THN(n-1,X ,Z ,Y) ; Move(X, Z) ; THN(n-1,Y,X,Z) ;} } –Sơ đồ thực hiện THN(3,A,B,C)
  85. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui
  86. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Kết quả thực hiện – A > C ; – A > B ; – C > B ; – A > C ; – B > A ; – B > C ; – A > C ;
  87. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Nhận xét –Lời gọi đệ quy sinh ra lời gọi đệ quy mới cho đến khi gặp trường hợp suy biến (neo ) – Ở mỗi lần gọi phải lưu trữ thông tin trạng thái con dang dở của tiến trình xử lý ở thời điểm gọi. Số trạng thái này bằng số lần gọi chưa được hoàn tất . – Khi thực hiện xong (hoàn tất) một lần gọi, cần khôi phục lại toàn bộ thông tin trạng thái trước khi gọi . –Lệnh gọi cuối cùng (ứng với trương hợp neo) sẽ được hoàn tất đầu tiên –Cấu trúc dữ liệu cho phép lưu trữ dãy thông tin thỏa 3 yêu cầu trên là cấu trúc lưu trữ thỏa mãn LIFO (Last In Firt Out – Stack)
  88. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Tạo ngăn xếp S –Thủ tục Creatstack(S) : Tạo chồng S rỗng . –Thủ tục Push(x,S) : thêm x vào đỉnh stack S •( x làdữ liệu kiểu đơn giản giản hoặc có cấu trúc ) –Thủ tục Pop(x,S) : Lấy giá trị đang lưu ở đỉng S •Lưu trữ vào x •Loại bỏ giá trị này khỏi S ( lùi đỉnh S xuống một mức ) . – Hàm Empty(S) : ( kiểu boolean ) Kiểm tra tính rỗng của S : cho giá trị đúng nếu S rỗng , sai nếu S không rỗng .
  89. 3.1 Cơ chế thực hiện đệ qui •Lập trình các thủ tục cài đặt Stack
  90. 3.2 Tổng quan về khử đệ qui • Đệ quy là phương pháp giúp chúng ta tìm giải thuật cho các bài toán khó . Giải thuật giải bài toán bằng đệ quy thường rất đẹp (gọn gàng, dễ hiểu ,dễ chuyển thành chương trình trên các NNLT). •Nhưng như đã chỉ ra ở trên việc xử lý giải thuật đệ quy lại thường gây khó khăn cho máy tính (tốn không gian nhớ và thời gian xử lý. •Một cách tổng quát người ta đã chỉ ra rằng : Mọi giải thuật đệ quy đều có thể thay thế bằng một giải thuật không đệ quy. •Sơ đồ để xây dựng chương trình cho một bài toán khó khi ta không tìm được giải thuật không đệ quy thường là : – Dùng quan niệm đệ quy để tìm giải thuật cho bài toán . – Mã hóa giải thuật đệ quy . –Khử đệ quy để có được một chương trình không đệ quy . • Tuy nhiên do việc khử đệ quy không phải bao giờ cũng dễ và vì vậy trong nhiều trường hợp ta cũng phải chấp nhận sư dụng chương trình đệ quy.
  91. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • 3.3.1 Khử đệ qui bằng vòng lặp –A. Hàm tính gía tri của dãy dữ liệu mô tả bằng hồi quy •Ý tưởng –Xét một vòng lặp trong đósử dụng 1 tập hợp biến W = (V , U ) »Tập hợp U các biến bị thay đổi » V là các biến còn lại. –Dạng tổng quát của vòng lặp là : W := Wo ; { Wo = ( Uo,Vo) } while C(U) do U := g(W) –Gọi Uo là trạng thái của U ngay trước vòng lặp –Uk với k >0 là trạng thái của U sau lần lặp thứ k (giả sử còn lặp đến lần k ) Uo mang các giá trị được gán ban đầu Uk = g(W) = g(Uk-1 , Vo ) = f(uk-1) với k = 1 n Với n là lần lặp cuối cùng , tức C(Uk ) đúng với mọi k < n , C(Un) sai – Sau vòng lặp W mang nội dung (Un ,Vo ) .
  92. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Giải thuât hồi qui thường gặp – f(n) = C khi n = no ( C là một hằng ) = g(n,f(n -1)) khi n > no •Vídụ : –Hàm giai thừa FAC (n) = n ! = 1 khi n = 0 = n * FAC(n - 1) khi n > 0 –Tổng n số đầu tiên của dãy đan dấu sau : Sn = 1 - 3 + 5 - 7 + (-1)n+1 * (2n-1) • S(k) = 1 khi k =1 = S(k-1) + (- 1)k+1 *(2*k-1) với k > 1
  93. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Giải thuật đệ quy tính giá trị f(n) f(n) = if(n = no) return C ; else return (g(n,f(n -1)) ; •Giải thuật lặp tính giá tri f(n) k := no ; F := C ; { F = f(no) } While( k < n ){ k := k +1 ; F := g(k,F ) ; } return F; • Trong trường hợp này : W = U = ( k ,F ) Wo = Uo = ( no,C ) C(U) = ( k < n) f(W) = f(U) = f(k,F) = (k+1,g(k,F)))
  94. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Khử đệ qui với hàm tính giai thừa • Trong NN LT C++ long int FAC ( int n ) { int k = 0 ; long int F = 1 ; while ( k < n ) F = ++k * F ; return (F) ; }
  95. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Với hàm tính S(n) • Trong NN LT C++ int S ( int n ) { int k = 1 , tg = 1 ; while ( k < n ) { k ++ ; if (k%2) tg + = 2 * k - 1 ; else tg - = 2 * k + 1 ; } return ( tg ) ; }
  96. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản 3.3.2. Các thủ tục đệ qui dạng đệ qui đuôi. •Xét thủ tục P dạng : P(X) ≡ if B(X) then D(X) else { A(X) ; P(f(X)) ; } • Trong đó: X làtập biến ( một hoặc một bộ nhiều biến ). •P(X) làthủ tục đệ quy phụ thuộc X • A(X) ; D(X) là các thao tác không đệ quy • f(X) là hàm biến đổi X
  97. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • Xét qúa trình thi hành P(X) : –gọi Po là lần gọi P thứ 0 (đầu tiên ) P(X) –P1 làlần gọi P thứ 1 (lần 2) P(f(X)) – Pi là lần gọi P thứ i ( lần i + 1) P(f(f( f(X) ) –( P(fi(X)) hợp i lần hàm f ) •Gọi Pi nếu B(fi(X)) – (false) { A và gọi Pi+1 } –(true) { D } •Giả sử P được gọi đúng n +1 lần . Khi đó ở trong lần gọi cuối cùng (thứ n ) Pn thì B(fn(X)) =true , lệnh D được thi hành và chấm dứt thao tác gọi thủ tục P .
  98. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Sơ đồ thực hiện giải thuật trên bằng vòng lặp While ( ! B(X) ) { A(X) ; X = f(X) ; } D(X) ;
  99. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Vídụ: – Để đổi 1 số nguyên không âm Y ở cơ số 10 sang dạng cơ số k ( 2 0 ) •A(X) làlệnh gán A[m] := n%k ; • f(X) là hàm f(n,m ) = ( n/k , m - 1 ) ; •D(X) làlệnh rỗng – Đoan lệnh lặp tương ứng với thủ tục Convert(x,m) là : While (n != 0) { A[m] = n % k ; //A(X) n = n / k ; // X := f(X) m = m - 1 ; }
  100. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Vídụ: Tìm ước số chung lớn nhất của hai số •Giải thuật đệ qui – USCLN(m , n , var us) ≡ if ( n = 0 ) then us := m else USCLN(n , m mod n , us ) ; – X là ( m , n , us ) P(X) là USCLN(m ,n ,us) B(X) là n = 0 D(X) là lệnh gán us := m A(X) là lệnh rỗng f(X ) là f(m,n,us) = ( n , m mod n ,us )
  101. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Cài đặt trên ngôn ngữ C • void USCLN(int m , int n , int& us ) { while(n != 0 ) { int sd = m % n ; m = n ; n = sd ; } us = m ; }
  102. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • 3.3.3 Khử đệ qui các trường hợp thường gặp – Để thực hiện một chương trình con đệ quy thì hệ thống phải tổ chức vùng lưu trữ thỏa quy tắc LIFO (vùng Stack). –Vìvậy sẻ rất có ích khi người lập trình chủ động tạo ra cấu trúc dữ liệu stack đặc dụng cho từng chương trình con đệ quy cụ thể .
  103. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •A. Đệ qui chỉ có một lệnh gọi trực tiếp • Đệ qui có dạng sau: P(X) ≡ if C(X) then D(X) else begin A(X) ; P(f(X)) ; B(X) ; end ; •X làmột bién đơn hoặc biến véc tơ. C(X) là một biểu thức boolean của X . A(X) , B(X) , D(X):không đệ quy f(X) là hàm của X
  104. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Tiến trình thực hiện thủ tục P(X) sẻ là : –Nếu C(X) đúng thì thực hiện D(X) . – Còn C(X) sai thì thực hiện • A(X) ; •gọi P(f(X)) ; •thực hiện B(X) . ( B(X) chỉ được thực hiện khi P(f(X)) thực hiện xong ) . •Mỗi lần thành phần đệ quy P(Y) được gọi thì thông tin giải thuật B(Y) lại được sinh ra (nhưng chưa thực hiện ) .
  105. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Gỉa sử qúa trình đệ quy kết thúc sau k lần gọi đệ quy –một dãy k thao tác B theo thứ tự : •B(fk-1(X)) , B(fk-2(X)) , . . . ,B(f(f(X))) ,B(f(X)),B(X). • Để thực hiện dãy thao tác { B(fi(X)) } theo thứ tự ngược với thứ tự phát sinh ta cần dãy dữ liệu {fi(X) } truy xuất theo nguyên tắc LIFO. Ta sẻ dùng một Stack để lưu trử dãy { fi(X) } – { X , f(X) , f(f(X)) , . . . , fi(X) , . . . , fk-1(X) }
  106. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • Trình tự thực hiện P(X) được diễn tả bằng mô hình sau : P(X) C(X) = False A(X) ; Push(S,X); U:=f(X) ; P(U) ; POP(S,U) ; B(U) ( U = X ) • C(U) = False A(U) ; Push(S,U); U :=f(U)); P(U) ; POP(S,U) ; B(U) ( U = f(X)) • C(U) = False A(U) ; Push(S,U) ; U : = f(U)); P(U ) ; POP(S,U) ; B(U) • C(U) = False A(U) ; > Push(S,U) ; U : = f(U)); P(U ) ; POP(S,U) ; B(U) ( U=fk-1(X) ) • C(U) = True D(U )
  107. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Giải thuật thực hiện P(X) với việc sử dụng Stack có dạng : P(X) ≡{ Creat_Stack (S) ; ( tạo stack S ) While(not(C(X)) do begin A(X) ; Push(S,X) ; ( cất gía trị X vào stack S ) X := f(X) ; end ; D(X) ; While(not(EmptyS(S))) do begin POP(S,X) ; ( lấy dữ liệu từ S ) B(X) ; end ; }
  108. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Vídụ :Thủ tục đệ quy chuyển biểu diễn số từ cơ số thập phân sang nhị phân có dạng : • Binary(m) ≡ if ( m > 0 ) then begin Binary( m div 2 ) ; write( m mod 2 ) ; end; • Trong trường hợp này : X là m . P(X) là Binary(m) . A(X) ; D(X) là lệnh rỗng . B(X) là lệnh Write(m mod 2 ) ; C(X) là ( m <= 0 ) . f(X) = f(m) = m div 2 .
  109. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • Giái thuật thực hiện Binary(m) không đệ quy là : – Binary (m ) ≡ { Creat_Stack (S) ; While ( m > 0 ) do begin sdu := m mod 2 ; Push(S,sdu) ; m := m div 2 ; end; While( not(EmptyS(S)) do begin POP(S,sdu) ; Write(sdu) ; end; }
  110. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •B. Thủ tục đệ qui với hai lần gọi đệ qui – Đệ qui có dạng sau P(X) ≡ if C(X) then D(X) else begin A(X) ; P(f(X)) ; B(X) ; P(g(X)) ; end ;
  111. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản • Qúa trình thực hiện thủ tục P(X) sẻ là : –Nếu C(X) đúng thì thực hiện D(X) . –Nếu C(X) sai thì •thực hiện A(X) ; •gọi P(f(X)) ; •thực hiện B(X) ; •gọi P(g(X)) , khi gọi P(g(X)) thì lại – phát sinh lệnh A(g(X)) •Lưu vào stack –fi(X) –gi(X) tương ứng . Khi ta lấy dữ liệu từ stack để thực hiện lệnh B(U) mà chưa gặp điều kiện kết thúc thì ta thực hiện P(g(U)) và lại phải lưu gía trị g(U) vào stack , Điều kiện dừng là khi truy xuất tới phần tử lưu đầu tiên trong stack . •Như vậy là ngoài dữ liệu X , con phải lưu vào ngăn xếp thêm thứ tự lần gọi ( cụm gọi )
  112. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Thuật toán khử đệ quy tương ứng với thủ tục đệ quy P(X) là :{ Creat_Stack (S) : Push (S, (X,1)) ; Repeat While ( not C(X) ) do begin A(X) ; Push (S, (X,2)) ; X := f(X) ; end ; D(X) ; POP (S, (X,k)) ; if ( k <> 1) then begin B(X) ; X := g(X) ; end ; until ( k = 1 ) ; }
  113. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Khử đệ quy thủ tục Tháp Hà Nội . •Dạng đệ qui THN(n , X , Y, Z ) ≡ if( n > 0 ) then begin THN ( n - 1 , X , Z , Y ) ; Move ( X , Z ) ; THN ( n - 1 , Y , X , Z ) ; end ;
  114. 3.3 Các trường hợp khử đệ qui đơn giản •Giải thuật không đệ quy tương đương là :{ Creat_Stack (S) ; Push (S ,(n,X,Y,Z,1)) ; Repeat While ( n > 0 ) do begin Push (S ,(n,X,Y,Z,2)) ; n := n - 1 ; Swap (Y,Z ) ; (* Swap(a,b)là thủ tục hoán end ; đổi nội dung 2 biến a ,b *) POP (S,(n,X,Y,Z,k)) ; if ( k <> 1 ) then begin Move (X ,Z ) ; n := n - 1 ; Swap (X ,Y ) ; end ; until ( k = 1 ) ; }