Transcript 中文课件第1章 - RAD Lab

1896
程序设计思想与方法
行课安排为第1周-第16周
星期二 第6节-第8节
东上院101(1-16周)
1920
1987
2006
相关信息
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教师
黄林鹏(电信学院计算机科学与工程系)
邮箱: [email protected]
课件资料:
ftp://ftp.cs.sjtu.edu.cn:990/lu-cj
助教
待定
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教材和参考书
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教材
陆朝俊
《程序设计思想与方法——问题求解与计算思维》
高教出版社, 2013.
参考书
John V. Guttag
《Introduction to Computation and
Programming Using Python》
MIT Press 2013、2014
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考核方式
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期末考试
• 笔试, 占最终成绩的50%
平时作业
• 编小程序, 邮件或ftp上传给助教, 占最终成绩的
20%
大作业
• 编一个大程序, 期末提交, 占最终成绩的30%
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第1章 计算与计算思维
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计算机:(1)
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控制器
运算器
文件子系统
内存
字符设备
内存管理
外存
硬件
软件
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计算机:硬件(2)
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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, 将数据从一个内存单元移到另
一单元, etc.
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
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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－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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计算
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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)
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通用计算机
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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处功能.
通用计算机:可以加载不同的程序来执行.
• 与一些电器的比较:电视机功能单一,洗衣机则功能较
多(可加载多种洗涤程序),现在的手机则功能更多,基
本上就是计算机.
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计算机科学
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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?
本课程的学习目标:像计算机科学家一样思考.
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程序设计
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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
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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.
• 精确的语法和语义
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.
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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
源代码
解释器
输入数据
处理器
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输出
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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算法与编码实现
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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
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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
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计算思维(computational thinking)是计算
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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计算思维?
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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
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
Lu Chaojun, SJTU
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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
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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
Lu Chaojun, SJTU
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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
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生活中的计算思维
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算法:小学算术中的长除法
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
……
「长除」，适用于整式除法、小数除法、多项式除法（
即因式分解）等较重视计算过程和商数的除法，过程中
兼用了乘法和减法。
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计算 + X
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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
……
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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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本课程的定位
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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,易学易用
不是算法和数据结构课程!
• 会学习一些基本的知识
Lu Chaojun, SJTU
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本课程的定位(续)
数学
计
算
思
维
计算机科学
可
计
算
性
理
论
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
艺术
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Python语言
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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
流行编程语言前10名之一.
http://www.tiobe.com/index.php/content/paperinfo/tp
ci/index.html
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为什么使用 Python语言？
http://code.csdn.net/news/2820636
Philip Guo
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Python是世界顶尖高校中最受欢迎的
入门编程语言
在美国top高校中，Python已经成为教授
计算机科学入门课程方面最受欢迎的语言。
Top10的CS系中有8所，Top39的CS系中有24
所，在入门课程中教授Python语言。
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Python成为最受欢迎语言的动机
这是因为选择不同的语言不仅反映了不同
学校计算机系的教育哲学，更为重要的是，
它影响了许多学生对计算机科学的第一印
象。
被这些Top高校选择的语言暗示着计算机科
学教育的发展趋势，要知道，这些Top高校
实际上就是趋势的制定者。
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研究对象：大学CS、CSE、EECS这三个专业的CS0
和CS1课程。
CS1代表CS专业的学生最需要学习的课程，CS0代
表一门入门的编程课，上这门课的可能是还没有
定专业的学生或者是在上CS1前需要额外准备的
学生。
学习CS0和CS1都不需要其他任何CS方面的预备知
识。要不然他们也不会是学生选择的第一门CS课
程（学习CS1之前也不一定要学CS0）。
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尽管一些老师认为CS1指的就是入门编程课程，
研究还是将CS1和CS0放在一起，因为对许多学生
来说，它们都是在大学学习的第一门编程语言。
鉴于美国K-12（相当于国内的小学到高中）教育
在计算机科学教育方面的不幸状态，这些大学课
程可能是许多学生，特别是女性和少数民族，第
一次接触到编程语言。即使学生事先有编程经验，
编程语言第一次正式出现在大学课程中仍然具有
很大的影响力。
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我认为CS0和CS1同样重要，因为随着编程在科学
领域变得无孔不入，越来越多的非专业人士也开
始学习CS0课程。再者，少部分CS专业的学生在
学习CS1之前会先学习CS0，特别是那些之前没有
任何编程经验的学生。所以，对学生来说，CS0
课程作为通往计算世界的大门起着极其重要的作
用，没有这门课程，他们可能都不会知道自己在
这方面有着如此巨大的热情。
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七种最受欢迎的语言在Top39高校中的使用情况
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将每个柱形代表的数字加起来和大于39，这是因
为许多学校同时提供了CS0和CS1的课程。
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Java语言在过去的十年中在入门课程教学中一直
占有主宰地位。但是现在，一些学校完全摒弃了
Java，全部使用Python，还有一些学校采取了一
个混合的方法，在CS0中使用Python，而在CS1的
教学中使用Java。
MATLAB经常在CS0课程中使用。跟在MATLAB之后是
C++，在过去十年中，C++的重要地位被Java完全
取代。在2003年，高中的AP课程甚至都用Java取
代了C++。从这个表格来看，C语言和C++语言受
欢迎的程度一致。
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静态类型的功能性语言，比如说 Haskell 和
OCaml，这些语言在PL研究者中非常受欢迎。
动态类型的语言，比如说JavaScript，Ruby和
PHP，这些语言在网络编程者中非常受欢迎。
广泛使用的工业语言，这些语言一般和特定的平
台相关联，包括苹果的 Objective-C和微软的
C#/Visual Basic。
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Python安装与运行
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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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工具
MIT 课程使用 Python 2.7
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（Canopy）
https://www.enthought.com/products/epd/fre
e/
Python 2.7
VPython 2.7
WingIDE
IDLE
PyDev （Eclipse）
http://radlab.sjtu.e
du.cn:1234
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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
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
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
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
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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.
Lu Chaojun, SJTU
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程序构件:语句
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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>,...
赋值语句
>>> x = 3.14
>>> print x * 10
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程序构件:函数
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多条语句构成一个整体,并命名
>>> def greet():
print "Hello!"
print "Goodbye!"
>>> greet()
Hello!
Goodbye!
习惯上为程序定义一个主函数main
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程序构件:注释
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程序中可以使用注释,用于解释变量用途,函
数功能等等信息.
# Author: John
# Version: 1.0
def main():
....
注释是给人看的,对程序执行没有作用,被编
译器/解释器忽略.
良好的编程风格:多用注释!
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谢谢！
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