Algoritmické myslenie

Algoritmické myslenie je súčasť všeobecnejšieho informatického myslenia, ktorá sa zameriava na navrhovanie algoritmov.

Čo zahŕňa algoritmické myslenie?

Algoritmus je presne daný postup, ktorým riešime určitý problém. Algoritmické myslenie sa typicky využíva pri programovaní, teda pri zápise algoritmov, ktoré vykonáva počítač. Má však svoje využitie aj v bežnom živote: typickými príkladmi jednoduchých algoritmov sú recepty na varenie alebo popis cesty z jedného miesta na druhé.

Algoritmické myslenie zahŕňa nielen tvorbu algoritmu, ale aj ďalšie súvisiace kroky:

• Pochopenie problému, jasná formulácia problému.
• Abstrakcie, rozklad problému na podčasti, odlíšenie podstatných prvkov od tých, ktoré sú menej dôležité.
• Zváženie rôznych prístupov k riešeniu problému, porovnanie efektivity algoritmov, optimalizácia postupov.
• Pochopenie algoritmu, ktorý vymyslel niekto iný, a jeho vykonanie.
• Hľadanie a opravovanie chýb.

Algoritmické myslenie na Vieme to Informatika

V rámci Vieme to Informatika delíme túto tému na niekoľko podtém:

• Rozpoznávanie vzorov – vyhľadávanie spoločných vzorov a vlastností, vzory v postupnostiach, popis vzorov
• Postupnosti príkazov – skladanie algoritmov z viac príkazov
• Cykly a podmienky – opakované a podmienené vykonávanie príkazov
• Premenné – práca so stavovou informáciou, ukladanie hodnôt do premenných
• Funkcie a zovšeobecňovanie – zovšeobecňovanie (abstrakcia) vzorov, rozklad (dekompozícia) problémov na časti, použitie funkcií
• Vývoj programov – doladenie, hľadanie chýb

Príklady v tejto časti sú postavené predovšetkým na „mikrosvetoch“, čo sú jednoduché, intuitívne prostredia s obmedzeným množstvom príkazov a súčasne zaujímavou dynamikou. Sú začlenené ako variácie na často používané princípy (korytnačia grafika, robot na mriežke), tak originálne variácie ako kúzla alebo deaktivácia bomby.

Priebeh programu môžeme riadiť pomocou cyklov a podmienok. Cykly umožňujú vykonávať príkazy opakovane: buď zadaný počet opakovaní (opakuj N×), alebo ak platí nejaká podmienka (opakuj dokým). Podmienené príkazy umožňujú vykonať časť programu, iba ak platí určitá podmienka.

Cykly a podmienky je možné kombinovať – môžeme ich do seba vnárať. Často sa používajú hlavne podmienky vnútri cyklov (opakované rozhodovanie) a cykly vnútri cyklov (vnorené cykly).

Každá premenná má svoj dátový typ. Dátový typ určuje, aké hodnoty môže premenná obsahovať a ktoré operácie je s ňou možné vykonávať. Niektoré programovacie jazyky požadujú, aby bol typ premennej uvedený v programe, iné odvodzujú typ automaticky podľa priradenej hodnoty. Programovacie jazyky sa líšia tiež v tom, ktoré dátové typy ponúkajú. Medzi najbežnejšie dátové typy patria:

• celé číslo (123, −7) – s číslami je možné vykonávať aritmetické operácie (1 + 2) a porovnávať ich (1 < 2)
• desatinné číslo (1,23, –0,05) – typicky sa používa tzv. „pohyblivá rádová čiarka“, čo umožňuje ukladať aj veľmi veľké alebo malé čísla, ale s obmedzenou presnosťou (napr. s 5 platnými číslicami je možné uložiť 123 450 000 aj 0,000 012 345, nie však 123,456)
• logická (pravdivostná) hodnota (pravda, nepravda) – reprezentuje informáciu o pravdivosti, dajú sa s nimi vykonávať logické operácie (neplatí x, x alebo y, x a y). (Tento typ sa často označuje ako „bool“ alebo „boolean“ podľa George Boola, ktorý popísal pravidlá pre výpočty s logickými hodnotami.)
• textový reťazec (“slovo”, “viac slov”) – reprezentuje text ľubovoľnej dĺžky. Na odlíšenie od názvov premenných sa typicky vymedzujú pomocí “úvodzoviek” alebo ‘apostrofov’. Je treba rozlišovať medzi reťazcom obsahujúcim číslo a číslom – “123” nie je 123. (Tento typ sa často označuje ako „string“, z anglického slova pre reťazec.)
• zoznam (pole) ([1, 2, 3], [‘x’, ‘y’, ‘z’]) – umožňuje uložiť viac súvisiacich hodnôt do jednej premennej. (Často sú k dispozícii aj ďalšie typy na ukladanie rôznych kolekcií dát.)

Existujú ďalšie typy na špecifické účely (napr. čas, dátum, súbor). Väčšinou je tiež možné definovať si vlastné typy. Vymenovaný typ umožňuje definovať premenné, ktoré môžu nadobúdať iba niekoľko vopred určených hodnôt (napr. svetový smer, deň v týždni). Záznamy umožňujú definovať zložené premenné, ktoré sa skladajú z niekoľkých pomenovaných položiek (napr. záznam o zákazníkovi by mohol obsahovať jeho meno, vek a dátum posledného nákupu).

Mená premenných neovplyvňujú správanie počítača pri vykonávaní programu, sú však dôležité pre čitateľnosť kódu. Ak pomenujeme premennú celková_cena, neznamená to, že v nej bude automaticky uložený súčet cien položiek (to musíme zaistiť vhodnými príkazmi), je ale jasnejšie, čo má premenná reprezentovať, než keď ju pomenujeme c.

Povolené názvy

Premenné nie je možné pomenovať ľubovoľne. Konkrétne obmedzenia sa medzi programovacími jazykmi mierne líšia. Typické obmedzenia sú nasledujúce:

• Názvy môžu obsahovať iba písmená, číslice a podčiarkovníky. Keby sa premenná volala a+b, nešlo by ju odlíšiť od operácie sčítanie. Číslicou sa ale názov nesmie začínať. Keby sa premenná volala 12, nešlo by ju odlíšiť od hodnoty 12.
• Názvy nemôžu obsahovať medzery. Keby sa premenná volala cena mrkvy, nešlo by ľahko poznať, či nejde o dve premenné (cena a mrkvy). Ak chceme viac slov, môžeme použiť napríklad podčiarkovník (cena_mrkvy).
• Ako názov nie je možné použiť tzv. „rezervované slová“, ktoré už majú v programovacom jazyku určený význam (napr. opakuj, alebo, pravda).

Konvencie

Rôzne programovacie jazyky majú navyše rôzne konvencie, ktoré podporujú jednotnosť kódu. Napríklad v jazyku Python sa názvy premenných píšu malými písmenami, po anglicky a viac slov sa oddeľuje podčiarkovníkom (napr. car_speed). Ide však iba o odporúčanie – program sa spustí, či už konvencie dodržujeme alebo nie.

Popisnosť

Popisné názvy výrazne uľahčujú čitateľnosť programu a znižujú riziko chýb. Príkaz celková_cena ← cena_mrkiev_1kg * kg_mrkvy je jasnejší než cena ← c * m a je tiež jasnejšie, že sú správne jednotky. Volíme také názvy, ktoré jednoznačne vyjadrujú účel premennej, aj za cenu dlhšieho názvu. Jednopísmenové názvy (napr. x) sú vhodné iba v obmedzených prípadoch (riadiaca premenná cyklu, súradnica bodu, krátke ukážky kódu).

Abstrakcia je schopnosť odhliadať od detailov, ktoré nie sú dôležité pre riešenie skúmaného problému. Sústredíme sa na spoločné prvky a vlastnosti, pomocou ktorých nachádzame všeobecnejšie riešenie.

Príklad z bežného života: Dunčo, Ben a Rex sú tri konkrétne domáce zvieratá. Môžeme ich označiť abstraktným pojmom „pes“ – tým zanedbávame viacero ich vlastností (napr. vek, farbu srsti alebo rasu) a zameriavame sa iba na to, čo majú spoločné. Keby sme mali doma ešte kocúra Murka, tak by sme mohli na ich spoločné označenie použiť napríklad kategóriu „cicavec“.

Príklad z programovania: Pri vykresľovaní obrázkov môžeme vytvoriť funkciu squareA(), ktorá vykreslí modrý štvorec s veľkosťou 100, a squareB(), ktorá vykreslí žltý štvorec s veľkosťou 200. Lepšie je ale vytvoriť abstraktnejšiu funkciu square(length, color), ktorá vykreslí štvorec ľubovoľnej veľkosti a farby (podľa zadaných parametrov). Prípadne môžeme v abstrakcii pokračovať ďalej a vytvoriť funkciu, ktorá vykreslí ľubovoľný mnohouholník (so zadaným počtom vrcholov).

Funkcie môžu mať parametre, ktoré ovplyvňujú ich správanie. To je užitočné na písanie všeobecných funkcií, ktoré budú použiteľné vo viacerých prípadoch – rôzne hodnoty parametrov povedú k rôznemu správaniu. Parametre sa väčšinou zapisujú do zátvoriek za meno funkcie. Keď funkciu voláme, musíme dodať hodnoty parametrov (zase typicky v zátvorkách za menom funkcie).

Parametre funkcie môžeme vnímať ako špeciálne premenné. Predaným hodnotám parametrov sa hovorí argumenty. (V ukážke vyššie je parametrom meno dĺžka, kým čísla 3 a 2 argumenty.)

Viac parametrov

Funkcia môže mať parametrov viac. Oddeľujú sa väčšinou čiarkou. Prvý parameter sa nastaví na prvý predaný argument, druhý parameter na druhý predaný argument atď. V nasledujúcej ukážke sa nastaví n = 5, x = 3 a vypíše sa päť trojok. Ak by sme volali rad(3, 5) nastavilo by sa n = 3, x = 5 a vypísali by sa tri päťky.

Funkcia s návratovou hodnotou

Funkcie môžu vracať vypočítanú hodnotu pomocou kľúčového slova vráť. Také funkcie je potom možné využiť v rámci výrazov, resp. všade, kde sa očakáva nejaká hodnota. V nasledujúcej ukážke je možné využiť funkciu mocnina pri volaní funkcie smiech, pretože mocnina(3) vracia hodnotu 9. Keby funkcia mocnina výsledok vypisovala, ale nevracala, nebolo by toto možné.

Iba málokedy napíšeme na prvý raz bezchybný kód. Riziko chýb znižuje snaha o kvalitný kód, chybám sa ale úplne nevyhneme, preto je treba chyby aktívne hľadať. Chyby v kóde sa niekedy označujú anglickým termínom bug. Proces overovania správnosti kódu nazývame testovanie, proces zisťovania príčiny chyby a jej odstránenia nazývame ladenie (niekedy tiež „debugovanie“, po anglicky „debugging“).

Typy chýb

Rozlišujeme chyby syntaktické (chybný zápis programu – program sa nedá spustiť) a sémantické (program sa vykoná, ale nespĺňa požadované správanie). Špeciálnym prípadom sémantickej chyby je zacyklenie (program sa nikdy nezastaví, napr. pretože podmienka cyklu nikdy neprestane platiť).

Postup pri ladení programu

Ak program nevracia správne výsledky, spustíme si ho krok za krokom a sledujeme, kedy sa odchýli od nášho očakávania. Ak program netvorí grafický výstup, je možné si hodnoty premenných priebežne vypisovať, alebo použiť nástroj, ktorý umožňuje program krokovať a sledovať hodnoty premenných (tzv. debugger). Miesto v programe, kde sa program odchyľuje od nášho očakávania, skúsime upraviť.