"Безопасные шаги на пути к безопасности на дороге"

3. Если STZP:=180, перейти к п.4, иначе ZP:=180+(ST-15)10, перейти к п. 4.

4. Вывести (отпечатать) значение ZP, перейти к п. 5.

5. Вычисления прекратить.

1. Табличный. Алгоритм представляется в форме таблицы и расчётных формул (физика, химия и т. д.).

1. Структурограмма

1. Синтаксическая диаграмма (формулы Бэкуса-Наура)

1. Псевдокоды. Полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке, включающие в себя как элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и др.

Псевдокод занимает промежуточное место между естественным и формальным языками. С одной стороны, он близок к обычному естественному языку, поэтому алгоритмы могут на нем записываться и читаться как обычный текст. С другой стороны, в псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи.

В псевдокоде не приняты строгие синтаксические правила для записи команд, присущие формальным языкам, что облегчает запись алгоритма на стадии его проектирования и дает возможность использовать более широкий набор команд. Однако в псевдокоде, так же, как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда.

Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных (базовых) конструкций.

Примером псевдокода является школьный алгоритмический язык.

Алгоритмический язык – это средство для записи алгоритмов в аналитическом виде, промежуточном между записью алгоритма на естественном (чело­веческом) языке и записью на языке ЭВМ (языке программирования).

Запись алгоритма решения задачи примера 1 на алгоритмическом языке:

алг зарплата(цел. ST, вещ ZP)

арг ST

рез ZP

нач

если ST

то ZP:=150

иначе

если ST

то ZP:=180

иначе ZP:=180+(ST-15)*10

все

все

кон

1. Программный. Описание алгоритма с помощью языков программирования.

2. Графический. Алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий. Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блок-схемой.

Блок-схема алгоритма представляет собой систему связанных геометрических фигур.

Правила построения блок-схем

1. В блок-схеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.п.) соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блочного символа. Для наглядности операции разного вида изображаются в схеме различными геометрическими фигурами.

2. Блочные символы соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения действий. Порядок выполнения действий указывается стрелками, соединяющими блоки.

3. В схеме блоки стараются размещать сверху вниз, в порядке их выполнения.

4. Все повороты соединительных линий выполняются под углом 90 градусов.

В таблице приведены наиболее часто употребляемые символы.

Общие правила построения схемы алгоритма задачи

1. Выявить исходные данные, результаты, назначить им имена.

2. Выбрать метод (порядок) решения задачи.

3. Разбить метод решения задачи на этапы (с учетом возможностей ЭВМ).

4. Изобразить каждый этап в виде соответствующего блока схемы алгоритма и указать стрелками порядок их выполнения.

5. В полученной схеме при любом варианте вычислений:

а) предусмотреть выдачу результатов или сообщений об их отсутствии;

б) обеспечить возможность после выполнения любой операции, так или иначе, перейти к блоку Останов (к выходу схемы).

Эти правила и есть «Основные принципы алгоритмизации». Будем считать, что знание и применение настоящих «принципов» обязательно при составлении алгоритма любой задачи.

Типы алгоритмов

• структурированные;

• неструктурированные (т.е. с нарушением структуры – с операторами безусловного перехода);

• вспомогательные (используемые в составе других алгоритмов).

Виды алгоритмов

• линейный алгоритм;

• алгоритм ветвления;

• циклический алгоритм;

• алгоритм с подпрограммами;

• смешанные (т.е. содержащие и циклы, и ветвление, и функции).

• рекурсивный алгоритм обращается к самому себе, пока не выполнится определенное условие.

Базовые алгоритмические конструкции

Структу́рное программи́рование – методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX века Э. Дейкстрой, разработана и дополнена Н. Виртом. Основывается на теореме о структуре.

Согласно теореме о структуре (теорема Бёма – Якопини, 1966 г) логическая структура любого алгоритма может быть представлена комбинацией трех базовых структур: следование, ветвление, цикл.

Характерной особенностью базовых структур является наличие в них одного входа и одного выхода.

1. Базовая структура следование (линейный алгоритм). Образуется из последовательности действий, следующих одно за другим:

2. Базовая структура ветвление (алгоритм ветвления) обеспечивает в зависимости от результата проверки условия выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма. Условие – вопрос, имеющий два варианта ответа: да или нет. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран. Запись ветвления выполняется в двух формах: полной и неполной.

Структура ветвление существует в четырех основных вариантах:

Примеры команды если

Пример: найти наименьшее из трех чисел.

3 . Базовая структура цикл обеспечивает многократное выполнение некоторой совокупности действий, которая называется телом цикла, над новыми данными.

Цикл типа «пока» (Цикл с предусловием) В + Тело цикла Условие ыполнение цикла «пока» начинается с проверки условия, поэтому такую разновидность циклов называют циклами с предусловием. Переход к выполнению действия осуществляется только в том случае, если условие выполняется, иначе происходит выход из цикла. Тело цикла выполняется до тех пор, пока выполняется условие. Условие цикла необходимо подобрать так, чтобы действия, выполняемые в цикле, привели к нарушению его истинности, иначе произойдет зацикливание. Зацикливание - бесконечное повторение выполняемых действий.

Ц икл типа «до» (Цикл с постусловием) Исполнение цикла начинается с выполнения действия. Таким образом, тело цикла будет реализовано хотя бы один раз. После этого происходит проверка условия. Поэтому цикл "до" называют циклом с постусловием. Если условие выполняется, то происходит возврат к выполнению действий, иначе осуществляется выход из цикла. Для предотвращения зацикливания необходимо предусмотреть действия, приводящие к ложности условия.

Ц икл типа «для» Цикл с параметром, или цикл со счетчиком, или арифметический цикл - это цикл с заранее известным числом повторов. Предписывает выполнять тело цикла для всех значений некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне. х0 – начальное значение параметра; h – шаг; хn – последнее значение параметра.

Для создания циклов с параметром необходимо использовать правила:

1. Параметр цикла, его начальное и конечное значения и шаг должны быть одного типа.

2. Запрещено изменять в теле цикла начальное, текущее и конечное значения для параметра.

3. Запрещено входить в цикл, минуя блок модификации.

4. После выхода из цикла значение переменной параметра неопределенно и не может использоваться в дальнейших вычислениях.

5. Из цикла можно выйти, не закончив его, тогда переменная параметр сохраняет свое последнее значение.

Программирование – это раздел информатики, изучающий методы и приемы составления программ для компьютеров. Кроме того, программирование – это подготовка задачи к решению ее на компьютере.

Программа – последовательность действий, которые должен выполнить компьютер в строго указанной очерёдности для достижения конкретного результата.

Языки программирования – это совокупность средств и правил представления алгоритма в виде, приемлемом для компьютера.

Системы программирования – это набор средств ввода, редактирования, трансляции и выполнения программ на ЭВМ.

Транслятор – это устройство или комплекс программ, обеспечивающий перевод программы, написанной на символическом языке, в совокупность машинных команд, либо передающие/преобразующие данные или другую программу.

Например, транслятор воспринимает операторы одного языка и вырабатывает соответствующие операторы другого языка.

Компилятор – это транслятор, обеспечивающий перевод программы, написанной на алгоритмическом языке, в совокупность машинных команд без ее выполнения в компьютере.

Компилятор оценивает исходный текст в соответствии с синтаксической конструкцией языка и переводит на машинный язык.

Например, компилятор берет программу, написанную на языке C, и преобразует ее в программу на языке ассемблера.

Интерпретатор – это транслятор, обеспечивающий перевод каждой конструкции алгоритмического языка в машинные команды и одновременное выполнение этой конструкции в компьютере.

При исполнении программных операторов, интерпретатор должен сначала сканировать каждый оператор с целью прочтения его содержимого, а затем выполнить запрошенную операцию.

Арифметические выражения

Выражение состоит из операторов и операндов. Операндами могут быть, в свою очередь, выражения или одни из его частных случаев – числа (константы) или переменные, операторы обозначают выполняемые над ними действия (+ сложение, - вычитание, * умножение, / деление (для целых операндов – целая часть от деления), % остаток от деления (только для целых ), …).

Все основные операции языка С++ можно разбить на следующие группы:

• арифметические операции;

• логические операции;

• операции отношения;

• операции с битами информации;

• операции со строками;

• операции присваивания;

• операция sizeof;

• условная операция (?:).

Примеры выражений:

(a + 0.12)/6

x && || !z

(t * sin(x)-1.05e4)/((2 * k + 2) * (2 * k + 3))

В выражение могут входить операнды различных типов, чего, строго говоря, не следует допускать. Если операнды имеют одинаковый тип, то результат операции будет иметь тот же тип. Если операнды различного типа, перед вычислениями выполняются преобразования типов по определенным правилам, обеспечивающим преобразование более коротких типов в более длинные для сохранения значимости и точности.

Порядок вычисления выражений определяется рангом (приоритетом) входящих в него операций (табл. 3). Принятый в С++ ранг операций наиболее близок к математическому, также как и принятый порядок их вычисления. Так, умножение и деление (мультипликативные операции) старше сложения и вычитания (аддитивные операции). Унарные операции + и – старше бинарных, т.е., знак операнда вычисляется в первую очередь. Операции типа присваивания младше прочих, что позволяет выполнить их только после того, как значение выражения вычислено полностью. Операции отношения младше арифметических операций, что позволяет использовать естественную запись логических выражений, например, x0 && y0. Здесь в первую очередь вычисляются значения отношений, которые затем являются операндами конъюнкции.

Таблица 1 – Порядок вычисления выражений

Арифметические выражения строятся из операндов, арифметических операций и круглых скобок.

Круглые скобки используются для заключения в них части выражения, значения которой необходимо выполнить в первую очередь. В выражении может быть любое количество круглых скобок, причем количество открывающих круглых скобок должно быть равно количеству закрывающих. Части выражений, заключенные в круглые скобки, должны быть либо не пересекающимися, либо вложенными друг в друга.

Арифметические выражения записываются по следующим правилам:

• Запись ведётся в строчку.

• Нельзя опускать знак умножения между сомножителями.

• Для обозначения переменных используются буквы латинского алфавита.

• Операции выполняются в соответствии с приоритетами: сначала вычисление функций, затем умножение и деление , потом сложение и вычитание.

• Если в одном выражении записано несколько операций одинакового приоритета, унарные операции, условная операция и операции присваивания выполняются справа налево, остальные – слева направо. Например, a = b = c означает a = (b = c), а a + b + с означает (a + b) + c.

• При использовании стандартных функций аргумент обязательно заключается в круглые скобки.

• В языке С++ предусмотрены базовые математические операции (см. прил. 2).

Примеры записи выражений:

Выполнение работы: записать следующие выражения по правилам языка C++.

Выполнить согласно варианту, записать следующие выражения по правилам языка C++.:

В тетради для лабораторных работ должны быть: номер лабораторной работы, тема, цель, задание 1 (8 примеров), задание 2 (своего варианта - 2 примера), ответы на контрольные вопросы.

1. Что такое алгоритм?

2. Перечислите свойства алгоритмов.

3. Способы записи алгоритма.

4. Перечислите базовые алгоритмические конструкции. Какова блок-схема следования?

5. Какова блок-схема полной (неполной) формы команды ветвления?

6. Какова блок-схема цикла с предусловием?

7. Какова блок-схема цикла с постусловием?

8. Какова блок-схема цикла с параметром?

9. Что такое программа?

10. Что такое транслятор?

11. Что такое компилятор?

12. Что такое интерпретатор?

13. Что такое оператор и операнд?

14. В каких случаях при записи математических выражений на языке С++ используются круглые скобки?

15. Как используются стандартные математические функции в С++?

[1] стр. 4-5, 17-18, 27;

[2] Введение в C++. Язык программирования C++ - https://metanit.com/cpp/tutorial/1.1.php;

[6] Целые числа - https://stepik.org/lesson/13021/step/1?unit=4362

[9] Структура и порядок выполнения программы.https://www.youtube.com/watch?v=TQyIJ4xHOEE&list=PLQOaTSbfxUtCrKs0nicOg2npJQYSPGO9r&index=4

Учить: п. 1.1-1.4.

Письменно ответить на контрольные вопросы.

Указания по технике безопасности см. приложение 4.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: закрепление знаний о типах данных, преобразованиях типов, приобретение навыков составления и отладки программ линейной структуры на языке программирования C++.

Знания, умения и владения, приобретаемые обучающимся в результате освоения темы, в рамках формируемых компетенций (ИД-1_ОПК-2, ИД-2_ОПК-2, ИД-3_ОПК-2,
ИД-1_ОПК-5, ИД-2 _{ОПК -5}, ИД-3_{ОПК -5}): см. приложение 3: приобретение навыков разработки математических моделей, а также формируется способность к разработке и применению алгоритмических и программных решений (линейной структуры) в области прикладного программирования (формируется часть указанных компетенций).

Оборудование и материалы: ПЭВМ с микропроцессором не ниже Pentium 4 объем свободной памяти в ПЗУ не менее 2-3 гб, объем ОЗУ не менее 512 мб.

C++ – компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения.

Поддерживает такие парадигмы программирования как процедурное программирование, объектно-ориентированное программирование, обобщённое программирование, обеспечивает модульность, раздельную компиляцию, обработку исключений, абстракцию данных, объявление типов (классов) объектов, виртуальные функции. Стандартная библиотека включает, в том числе, общеупотребительные контейнеры и алгоритмы. C++ сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником – языком C, – наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования.

C++ широко используется для разработки программного обеспечения, являясь одним из самых популярных языков программирования. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (игр). Существует множество реализаций языка C++, как бесплатных, так и коммерческих и для различных платформ. Например, на платформе x86 это GCC, Visual C++, Intel C++ Compiler, Embarcadero (Borland) C++ Builder и другие. C++ оказал огромное влияние на другие языки программирования, в первую очередь на Java и C#.

Синтаксис C++ унаследован от языка C. Одним из принципов разработки было сохранение совместимости с C. Тем не менее, C++ не является в строгом смысле надмножеством C; множество программ, которые могут одинаково успешно транслироваться как компиляторами C, так и компиляторами C++, довольно велико, но не включает все возможные программы на C [3].

Основу любого языка программирования образуют три, его составляющие: алфавит, синтаксис и семантика.

Алфавит - это фиксированный для данного языка программирования набор основных символов (букв алфавита), из которых состоит любой текст на этом языке. Никакие другие символы в тексте, не допускаются. Все символы в тексте кодируются с использованием стандартной кодовой таблицы ASCII. Каждый символ кода ASCII имеет неотрицательный порядковый номер, т.е. множество всех символов является упорядоченным.

Алфавит С ++ включает:

1. Прописные и строчные латинские буквы и знак подчеркивания.

2. Арабские цифры от 0 до 9.

3. Специальные знаки:
   “ {} , | [ ] ( ) + - / % * . \ ` : ? ! & # ~ ; ^

4. Пробельные символы: пробел, символы табуляции, символы перехода на новую строку.

Синтаксис – это система правил, определяющих допустимые конструкции букв алфавита. С помощью этих конструкций, представляются отдельные компоненты алгоритма и алгоритм в целом, записанные на данном языке программирования. Таким образом, для каждой последовательности символов алфавита синтаксис позволяет ответить, на вопрос, является ли она текстом на данном языке программирования или нет.

Синтаксис C++ устанавливает, как можно на этом языке сформировать корректный текст и писать программы. Синтаксически правильная программа компилируется без ошибок.

Из символов алфавита формируются лексемы языка:

• идентификаторы;

• ключевые (зарезервированные) слова;

• знаки операций;

• константы;

• разделители (скобки, точка, запятая, пробельные символы).

Лексема, или элементарная конструкция - минимальная единица языка, имеющая самостоятельный смысл. Границы лексем определяются другими лексемами, такими, как разделители или знаки операций.

Одним из важнейших синтаксических понятий любого языка программирования является понятие идентификатора.

Идентификатор – имя программного объекта.

В идентификаторе могут использоваться латинские буквы, цифры и знак подчеркивания. Прописные и строчные буквы различаются, например, alpha, Alpha и ALPHA – три различных имени. Первым символом идентификатора может быть буква или знак подчеркивания, но не цифра. Пробелы внутри имен не допускаются.

Для улучшения читаемости программы следует давать объектам осмысленные имена. Существует соглашение о правилах создания имен, называемое венгерской нотацией (поскольку предложил ее сотрудник компании Microsoft венгр по национальности), по которому каждое слово, составляющее идентификатор, начинается с прописной буквы, а вначале ставится префикс, соответствующий типу величины, например, lpfnSetFirstDialog. Другая традиция – разделять слова, составляющие имя, знаками подчеркивания: max_length, number_of_galosh [8].

Длинна идентификатора по стандарту не ограничена, но некоторые компиляторы и компоновщики налагают на нее ограничения. Идентификатор создается на этапе объявления переменной, функции, типа, и т. п., после этого его можно использовать в последующих операторах программы. При выборе идентификатора необходимо иметь в виду следующее:

• идентификатор не должен совпадать с ключевыми словами и именами используемых стандартных объектов языка;

• не рекомендуется начинать идентификаторы с символа подчеркивания, поскольку они могут совпасть с именами системных функций или переменных, и, кроме того, это снижает мобильность программы;

• на идентификаторы, используемые для определения внешних переменных, налагаются ограничения компоновщика.

Примеры правильных идентификаторов: value25, My_File, index, Operation. Примеры синтаксически неправильных идентификаторов:

1_Side (имя не должно начинаться с цифры),

Том 2 (не допускается пробел),

New-Name (не допускается дефис),

break (служебное слово),

ехр (предопределенное имя функции-экспоненты).

Заметим, что имена, константы, служебные слова нельзя писать слитно друг с другом, они должны отделяться один от другого пробелом, переводом строки или комментарием.

Служебные (зарезервированные, ключевые) слова – это идентификаторы, имеющие специальное значение для компилятора. Их можно использовать только в том смысле, в котором они определены. Например, const – ключевое слово, обозначающее невозможность модификации значения, int – ключевое слово, используемое для обозначения целого типа данных.

Знаки операций. Знак операции – это один или более символов, определяющих действие над операндами. Внутри знака операции пробелы не допускаются. Операции делятся на унарные, бинарные и тернарные по количеству участвующих в них операндов. Один и тот же знак может интерпретироваться по-разному в зависимости от контекста. Все знаки операций за исключением [ ] ,( ) и ? : представляют собой отдельные лексемы.

Семантика языка – это смысловое значение слов. В программировании – начальное смысловое значение операторов, основных конструкций языка, т.п. [3].

Пример. Первый код: i=0; while(ii++;}

Второй код: i=0; do{i++;}while(i

Логически эти два фрагмента кода выполняют одно и то же, результаты их работы идентичны. В то же время семантически это два разных цикла.

Таким образом,

• синтаксис – формальный набор правил, определяющий способ построения любых конструкций языка;

• семантика – множество правил, определяющих смысл синтаксических конструкций.

Комментарии – это текст, который игнорируется при компиляции, что бывает полезно программистам для пояснения тех или иных участков кода. Компилятор обрабатывает комментарии как пустое пространство. Комментарии можно использовать и для временного отключения части кода при отладке.

Комментарии в программе на С++ либо начинаются с двух символов «прямая косая черта» (//однострочный комментарий) и заканчивается символом перехода на новую строку, либо заключается между символами – скобками /*многострочный комментарий*/. Внутри комментария можно использовать любые допустимые на данном компьютере символы, а не только символы из алфавита языка С++, поскольку компилятор комментарии игнорирует. Вложенные комментарии – скобки стандартом не допускаются, хотя в некоторых компиляторах разрешены.

Данные – это информация, представленная в виде пригодном для обработки автоматическими средствами, в частности ЭВМ, при возможном участии человека.

В программах обрабатываемые данные фигурируют в качестве значений тех или иных программных объектов. Данные, которые зафиксированы в тексте и не изменяются в процессе выполнения программы, называются константами; остальные данные являются значениями объектов, называемых переменными, поскольку значения этих объектов могут изменяться в процессе выполнения программы.

Данные, с которыми работает программа, хранятся в оперативной памяти. Компилятору необходимо точно знать: сколько места они занимают, как именно закодированы и какие действия над ними можно выполнять. Все это задается при описании данных с помощью типа.

Таблица 2 – Классификация типов данных C++

Тип данных однозначно определяет:

1. Формат представления данных в памяти компьютера.

2. Множество допустимых значений, принимаемое переменной или константой, принадлежащей к выбранному типу.

3. Множество допустимых действий применимых к этому типу (операции и функции).

Например, целые и вещественные числа, занимают одинаковый объем памяти (long int и float), но имеют разные диапазоны возможных значений.

Константы в языке Си++

Итак, константа представляет значение, которое не может быть изменено. Константы обладают типом, и тип определяется записью константы. Синтаксис языка выделяет пять типов констант: целые, действительные (вещественные), символьные, перечислимые, нулевой указатель.

Например:

const int k=1; // целая именованная константа

const float Pi = 3.1415926, Eps = 0.1e-5; // действительные константы

const char a = 'а'; // символьная константа

enum DAY {SUNDAY, MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY,

THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY}; // перечисление

char *pc = nullptr; // нулевой указатель

Порядок объявления и инициализации переменных

Переменная – это именованная область памяти, в которой хранятся данные определенного типа. Каждая переменная должна быть объявлена в тексте программы перед первым ее использованием. Начинающим рекомендуется объявлять переменные в начале тела программы перед первым исполнимым оператором. При объявлении переменной указывается ее тип и имя:

имя_типа имя_переменной;

При описании можно присвоить переменной начальное значение, это называется инициализацией.

Например:

int d = 5; // Целочисленная переменная d проинициализирована значением 5

float b; // Объявлена вещественная переменная b

char s = '+'; /* Переменная s объявлена как символьная и проинициализирована значением '+'*/

Можно одновременно объявить несколько переменных, тогда в списке имен они отделяются друг от друга запятой, например:

int a, b, c; // Целые со знаком

char ch, sh; // Однобайтовые символьные

long l, m, k; // Длинные целые [-2147483648 – 2147483647]

float x, y, z; // Вещественные

long double u,v,w; // Длинные вещественные с двойной точностью

Итак, перед использованием переменной необходимо определить четыре характеристики:

• имя;

• тип;

• значение (не обязательно);

• область видимости.

Имя переменной (идентификатор) обозначает в тексте программы величину, изменяющую свое значение. Для каждой переменной в памяти компьютера выделяется некоторая область памяти, способная хранить значение. Имя позволяет осуществить доступ к области памяти, хранящей значение переменной.

Тип переменной определяет размер выделяемой памяти и способ хранения значения.

Значение переменной. Если переменная не проинициализирована начальным значением, то перед первым ее использованием, значение переменной будет не определено. Независимо от того было задано или нет начальное значение переменной (при ее описании или при вводе с клавиатуры, например) ее величина может изменяться в ходе выполнения программы.

Область видимости. Переменные в языке Си классифицируются по области видимости и делятся на две категории: локальные и глобальные.

Локальная переменная – это такая переменная, которая объявлена внутри какого-либо блока (под блоком в языке Си понимается последовательность операторов, заключенная в фигурные скобки). Память под эту переменную выделяется в момент выполнения оператора ее объявления. По завершении работы блока эта переменная разрушается, а занимаемая ей память высвобождается. То есть, время жизни такой переменной ограничено тем блоком, в котором она объявлена.

Глобальная переменная – это такая переменная, которая объявлена вне любого блока. Следовательно, время ее жизни – время жизни самой программы.

Еще одним отличием локальной переменной от глобальной является процедура их инициализации. Любая глобальная переменная при объявлении автоматически обнуляется, локальная – нет. Поэтому, если начальное значение локальной переменной при объявлении еще не известно, лучше ее принудительно обнулить.

Резюмируя все вышесказанное, можно сделать вывод, что прежде чем описывать какие-либо данные, необходимо выполнить следующие действия:

• выбрать имя переменной (описать идентификатор);

• определить исходя из необходимого диапазона представления чисел тип переменной;

• определить область видимости переменной;

• обнулить или проинициализировать переменную начальным значением.

В любом алгоритмическом языке каждая константа, переменная, результат вычисления выражения или функции должны иметь определенный тип. Все типы языка С++ можно разделить на основные и составные (производные) [30, стр. 42-47]. В языке С++ определено шесть основных типов данных для представления целых, вещественных, символьных и логических величин. На основе этих типов программист может вводить описание составных типов.

Основные (стандартные) типы данных часто называют арифметическими, поскольку их можно использовать в арифметических операциях. Для описания основных типов определены следующие ключевые слова:

• int (целый);

• char (символьный);

• wchar_t (расширенный символьный);

• bool (логический);

• float (вещественный);

• double (вещественный с двойной точностью).

Первые четыре типа называют целочисленными (целыми), последние два – типами с плавающей точкой. Код, который формирует компилятор для обработки целых величин, отличается от кода для величин с плавающей точкой.

Существует четыре спецификатора типа, уточняющих внутреннее представление и диапазон значений стандартных типов:

• short (короткий);

• long (длинный);

• signed (знаковый);

• unsigned (беззнаковый).

По умолчанию все целочисленные типы считаются знаковыми, то есть спецификатор signed можно опускать.

Базовыми в системе типов языка С++ являются простые типы, представленные в следующей таблице:

Таблица 3 – Стандартные простые типы данных

Для вещественных типов в таблице приведены абсолютные величины минимальных и максимальных значений.

В стандарте ANSI диапазоны значений для основных типов не задаются, определяются только соотношения между их размерами, например:

sizeof (float)

sizeof (char)

Производным типом (определяемым программистом) является такой тип, который должен быть описан пользователем перед употреблением. К ним относятся массивы, перечисления, функции, структуры, ссылки, объединения и классы.

Первичными в иерархии типов являются стандартные скалярные типы, к числу которых относятся целые, вещественные, символьные, булевские типы и их модификации, учитывающие архитектурные особенности аппаратуры.

1. Булевский (логический) тип обозначается стандартным идентификатором bool. В С++ имеются две константы булевской типа, которые обозначаются также посредством стандартных идентификаторов: true (истина) и false (ложь). Внутренняя форма представления значения false-0 (нуль). Любое другое значение интерпретируется как true. При преобразовании к целому типу true имеет значение 1. Над значениями булевского типа допустимы операции сравнения, причем, считается, что false && (конъюнкция), || (дизъюнкция) и ! (не – логическое отрицание). По приоритету эти операции имеют последовательность ! - && - ||. Значения булевского типа занимают один байт памяти.

2. Символьный тип имеет стандартный идентификатор char. Значениями переменных этого типа являются символы из множества АSCII. Это множество состоит 256 различных символов, упорядоченных определенным образом, и содержит символы заглавных и строчных букв, цифр и различных других символов, включая специальные управляющие символы. Если символьное значение имеет графическое изображение, оно представляется соответствующим знаком, заключенным в апострофы, например: '*', '1', ';'. Тип char, как другие целые типы, может быть со знаком или без знака. Величины типа char применяются также для хранения целых чисел, не превышающих границы указанных диапазонов (см. табл. 3).

Расширенный символьный тип (wchar_t) предназначен для работы с набором символов, для кодировки которых недостаточно 1 байта, например, Unicode. Размер этого типа зависит от реализации; как правило, он соответствует типу short. Строковые константы типа wchar_t записываются с префиксом L, например, L”Gates”.

3. Целые типы – эта группа типов обозначает множества целых чисел в различных диапазонах. В С++ имеется пять целых типов, различающихся диапазоном значений и объемом занимаемой оперативной памяти. Целые типы обозначаются идентификаторами int, short int, long int, unsigned short int, unsigned long int: их характеристики приведены в таблице 3. Размер типа int не определяется стандартом, а зависит от компьютера, компилятора и операционной системы. Для 16-разрядного процессора под величины этого типа отводится 2 байта, для 32-разрядного – 4 байта. Поэтому при написании программ, переносимых на различные платформы, нельзя делать предположений о размере типа int. Для его получения необходимо пользоваться операцией sizeof, результатом которой является размер типа в байтах.

Число относится к целому типу тогда и только тогда, когда в его записи не содержится ни десятичной точки, ни признака порядка e.

Константам, встречающимся в программе, приписывается тот или иной тип в соответствии с их видом. Если этот тип по каким- либо причинам не устраивает программиста, он может явно указать требуемый тип с помощью суффиксов L, l (long) и U, u (unsigned). Например, константа 32L будет иметь тип long и занимать 4 байта. Можно использовать суффиксы L и U одновременно, например, 0х22UL или 05Lu.

Над целыми значениями допустимы четыре арифметических действия, имеющие привычный смысл и обозначаемые соответственно символами: + – сложение, - – вычитание, * – умножение, / – целая часть от деления. Кроме того, в С++ можно использовать еще унарные операции (++, --, унарный минус и плюс, …), операцию "типа деления": % – нахождение остатка от деления, операции присваивания (=, *=, /=,%=, +=, -=). Все приведенные операции при целых операндах дают целый результат. Также над целочисленными данными допустимо выполнять битовые, логические операции и операции сравнения.

4. Вещественные типы - эта группа типов обозначает множества вещественных значений в различных диапазонах. C++ поддерживает три вещественных типа, которые обозначаются стандартными идентификаторами float, double, long double (см. табл. 3). Вещественные числа могут изображаться в двух формах: в форме с фиксированной точкой (целая и дробная части отделяются друг от друга точкой, например, -19.324, 0.1281) и в форме с плавающей точкой (e, например, 16.2e21, 2e-48).

Константы с плавающей точкой имеют по умолчанию тип double. Можно явно указать тип константы с помощью суффиксов F, f (float) и L, l (long). Например, константа 2Е+6L будет иметь тип long double, а константа 1.82f- тип float.

Над числами вещественных типов допустимы четыре арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление; операции присваивания и сравнения.

Для данных вещественных типов, как и для данных целых типов, возможна ситуация, когда результат арифметических действий выходит за пределы допустимого диапазона. В этом случае компьютер выдаст результат, преобразованный к типу, описанному для данного результата и не имеющий ничего общего с истинным значением.

5. Тип void. Кроме перечисленных, к основным типам языка относится тип void, но множество значений этого типа пусто. Он используется для определения функций, которые не возвращают значения, для указания пустого списка аргументов функции, как базовый тип для указателей и в операции приведения типов.

Программа на языке С++ состоит из функций, описаний и директив препроцессора. Одна из функций должна иметь имя main. Выполнение программы начинается с первого оператора этой функции.

Формат простейшего определения функции:

тип_возвращаемого_значения имя_функции ([параметры]) // заголовок функции

{

// Блок тела функции:

// определения объектов;

// исполняемые операторы;

// return выражение; // если функция возвращает значение.

}

Как правило, функция используется для вычисления какого-либо значения, поэтому перед именем функции указывается его тип (тип возвращаемого результата). Если функция не должна возвращать значение, указывается тип void. Тело функции является блоком и, следовательно, заключается в фигурные скобки. Любая функция, кроме main, вызывается из другой функции. Примером функций являются библиотечные функции, например, sin(x), fabs(a).

Блок (составной оператор) – это произвольная последовательность определений и операторов, заключенная в фигурные скобки. Блок используется для укрупнения структуры программы. Точка с запятой в конце блока не ставится.

Текст программы на С++ обладает структурой. Общие принципы, позволяющие написать синтаксически правильную программу, таковы:

1. Каждый оператор заканчивается знаком «;». Обычная ошибка начинающего – это знак «;», завершающий заголовки функций или операторов цикла. В первом случае синтаксическая ошибка распознается как отсутствие тела функции, во втором случае телом цикла является пустой оператор, что синтаксической ошибкой не является, и программа выполняется.

2. Прежде чем использовать функции, переменные, типы данных, следует объявить их или подключить файлы с их объявлениями (сделать известными компилятору). В С++ объявление переменной (объекта) возможно не только в начале программы, но и в любом месте текста до первого обращения к ней. Областью действия такого объекта является только непосредственно охватывающий его блок. Как правило, так объявляют рабочие переменные.

3. Чтобы вызов функции мог быть выполнен, функция должна быть определена, т. е. описаны действия, которые она осуществляет.

4. При определении функции полезно придерживаться следующих рекомендаций:

• объявить и проинициализировать входные и выходные переменные;

• промежуточные переменные объявлять и инициализировать в начале блоков или перед операторами, в которых они используются.

1. В любой последовательности действий нужно стремиться к триаде: инициализация (ввод), обработка, возвращение значения (вывод).

Пример структуры программы, содержащей 2 функции: main и mysum.

При анализе приведенной программы можно выделить следующие крупные части типового исходного модуля:

• подключение заголовочных файлов библиотек;

• объявления пользовательских символических констант, вспомогательных функций, классов и типов данных, глобальных переменных;

• заголовок главной функции;

• определение главной функции – блок, содержащий:

• объявление локальных переменных и констант и их инициализацию (присвоение начальных значений);

• ввод исходных данных (диалог с пользователем);

• обработка – обращение к функциям, вычисление выражений, выполнение операторов;

• вывод результата;

• возвращение кода завершения главной функции;

• определения пользовательских вспомогательных функций и методов классов; для каждой функции после заголовка размещается блок, содержащий:

• объявление локальных переменных и их инициализацию;

• обработку формальных параметров с использованием локальных переменных;

• возвращение результата.

Подобное структурирование текста исходного модуля, который размещается в одном файле с расширением срр, не единственно возможное. Но следование данному образцу облегчает понимание и отладку программ.

Правила оформления текста программы, направленные на облегчение понимания смысла и повышение наглядности, таковы:

• разделять логические части программы пустыми строками;

• разделять операнды и операции пробелами;

• для каждой фигурной скобки отводить отдельную строку;

• в каждой строке должно быть, как правило, не более одного оператора;

• ограничивать длину строки 60-70 символами;

• отступами слева отражать вложенность операторов и блоков;

• длинные операторы располагать в нескольких строках;

• проводить алгоритмизацию так, чтобы определение одной функции занимало, как правило, не более одного экрана текста;

• стремиться использовать типовые заготовки фрагментов программ, включая и типовую структуру блока и программы в целом.

Конечно, эти правила нужно использовать совместно с правилами именования элементов программы и комментирования текста программы:

• комментарии в тексте необходимы;

• имена объектов программы выбираются осмысленно. Каждое имя подчеркивает назначение и логику объекта, например, имена библиотечных функций sin, abs, printf и прочих говорят сами за себя. Имена объектов, введенные программистом, подчеркивают их абстрактный смысл, например, Count, Square, Point.x, Point.y и так далее.

Оператор – это основной элемент языка программирования, представляющий собой законченную фразу и определяющий некоторый логически завершенный этап обработки данных.

Операторы условно можно подразделить на две категории: исполняемые – с их помощью реализуется алгоритм решаемой задачи, и описательные, необходимые для определения типов пользователя и объявления объектов программы, например, переменных.

Среди исполняемых операторов можно выделить:

• простые операторы (оператор-выражение, операторы передачи управления);

• составные операторы (составной оператор, блок)

• структурированные операторы (условный, выбора, цикла).

Рассмотрим простые операторы

Оператор «выражение»

Любое выражение, завершающееся точкой с запятой, рассматривается как оператор, выполнение которого заключается в вычислении выражения. Частным случаем выражения является пустой оператор (;). Он используется, когда по синтаксису оператор требуется, а по смыслу нет.

Примеры:

x ++; // выражение – оператор; выполняется операция инкремента

c = a * 1.5; // выражение с операцией присваивания

a *= b + c; // выполняется умножение с присваиванием: a = a * (b + c)

fun(i, k); // выполняется вызов функции

Оператора присваивания в языке С++ нет, его заменяет выражение, в составе которого есть операция присваивания.

Общий вид:

идентификатор = выражение;

Пример: x = y + 4; // выражение с операцией присваивания

Выполняется в два этапа:

а) вычисляется значение выражения, стоящего в правой части от знака присваивания;

б) вычисленное значение присваивается переменной, стоящей в левой части от знака присваивания, при этом предыдущее значение этой переменной теряется.

Рекомендуется строго относиться к типам данных, не смешивать типы в выражениях, следить, чтобы тип левого операнда присваивания соответствовал типу выражения правой части.

При выполнении присваивания, если типы левой и правой части не совпадают, происходит неявное преобразование. С++ всегда пытается это сделать, и упрощенно можно считать, что преобразование происходит без потери данных от меньшего типа к большему, например от int к float или от char к int, и с потерей данных от большего типа к меньшему, например, от float к int. Это легко понять, если вспомнить, что тип данного, это объем занятой им памяти.

Явное преобразование типов выполняется при присваивании вида:

имя = (тип) выражение;

Например:

int a = 5, b = 2;

float c;

с = a/b;

Хочется думать, что значение с будет равно 2.5, ведь оно вещественное, но порядок операций таков, что деление старше присваивания, и оно выполняется с операндами целого типа, и его результат равен 2, то есть приведение типа будет выполнено только при присваивании.

Для явного преобразования типов используется известный прием:

c = (float) a/(float) b; // c = 2.5

Операция присваивания правоассоциативна, т.е. вычисления выполняются справа налево, поэтому допускается запись цепочек присваиваний, например:

x = y = z = 1; // Каждая переменная будет равна 1.

В сложных операциях присваивания ( +=, *=, /= и т п.) при вычислении выражения, стоящего в правой части, используется и L-значение из левой части. Например, при сложении с присваиванием ко второму операнду прибавляется первый, и результат записывается в первый операнд, то есть выражение a += b является более компактной записью выражения a = a + b.

Еще один вид операторов, который можно отнести к операторам-выражениям, это оператор обращения к функции (вызов функции). Его операндам являются параметры функции.

Формат оператора:

имя функции ([список фактических параметров] – может отсутствовать);

Например:

scanf ("%d%f", &my_int, & my_float); // ввод данных

printf ("Целое = %d, Вещественное = %f\n", my_int, my_float) // вывод

Пробелы в строке текста являются значащими, то есть, если ввести целое 5 и дробное 9.9, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = 5, Вещественное = 9.900000

Операторы передачи управления рассмотрим позже (п. 3.6, п. 4.1)

Ввести данное – означает присвоить произвольное значение переменной во время выполнения программы. Вывести данное – означает напечатать на экране значение переменной при выполнении программы.

В С++ нет встроенных средств ввода/вывода – он осуществляется с помощью функций, типов и объектов, содержащихся в стандартных библиотеках. Используется два способа: функции, унаследованные из языка С, и объекты С++.

Организация ввода/вывода в стиле С

Простейший из способов ввода и вывода (обмена) данных – это форматированный, с определением правил размещения данных во входном – выходном потоке. Для реализации такого обмена необходима библиотека stdio.h (standart input output library), которая подключается к программе директивой #include

Для ввода значения данного с клавиатуры (с эхоповтором на экране) используется функция scanf, синтаксис которой:

scanf ("форматная строка", список_ввода);

Здесь «список ввода» – имена переменных, значения которых будут введены с клавиатуры при выполнении функции scanf. Имена переменных предваряются символом &, который является признаком адресной операции, и означает, что введенное значение пересылается по адресу, определенному именем переменной. При вводе данные отделяются пробелами, или Enter’ом.

Для вывода значения данного на экран используется функция printf, синтаксис которой:

printf ("форматная строка", список_вывода);

Здесь «список вывода» – список имен переменных и выражений (в том числе констант), значения которых появятся на экране при выполнении функции printf.

Форматная (управляющая) строка, – это строка символов внутри двойных кавычек, содержащая управляющие символы и текст. При вводе данных функция scanf читает посимвольно текст из входного потока, распознает лексемы и преобразует их в машинное представление в соответствии с признаком формата, сопоставленного переменной, ожидающей данное. При выводе функция printf берет машинное представление значения переменной, и соответственно признаку формата, преобразует в текстовое представление, и выводит на экран.

Число управляющих символов равно числу объектов в списке ввода-вывода. Управляющий символ имеет признак %, и одно из следующих значений:

%d – ввод - вывод целого десятичного числа (int);

%u – ввод - вывод целого без знака (unsigned);

%f – ввод - вывод числа с плавающей точкой (float и double);

%e – ввод - вывод числа в экспоненциальной форме (double и float);

%c – ввод - вывод символа (char);

%l – ввод – вывод длинного значения (long);

и другие.

При вводе и выводе необходимо строгое соответствие типа вводимого данного управляющему символу формата.

Пример форматированного ввода и вывода.

#include

void main(void)

{

int my_int;

float my_float;

printf("\nВведите целое и дробное число\n");

scanf ("%d", &my_int);

scanf ("%f", &my_float);

printf ("%d %f", my_int, my_float);

}

При запуске программы она выведет на экран строку – приглашение ко вводу данных, затем при выполнении каждого scanf будет ожидать ввода данных. Пользователь должен ввести требуемое количество данных, отделяя их друг от друга пробелами или нажатием клавиши Enter. При завершении ввода данные тут же будут выведены на экран самым примитивным образом. Так, если ввести целое 5 и дробное 9.9, то строка вывода будет иметь вид:

5 9.900000

Поскольку при вводе данного функция scanf находится в состоянии ожидания ввода, рекомендуется каждый ввод предварять строкой, выводящей на экран приглашение для ввода данного, в котором пользователю подробно объясняют, что и как он должен сделать, чтобы правильно ввести данные. Этот простой прием существенно улучшит интерфейс любой программы.

При выводе данных для улучшения читабельности рекомендуется использовать некоторые приемы.

1. Управляющие символы потока, например:

\n для перевода строки при выводе;

\t для выполнения табуляции.

2. Произвольный текст в форматной строке для приглашения на ввод данного и для пояснений при выводе, например, функция вывода может быть записана так:

printf ("Целое = %d, Вещественное = %f\n", my_int, my_float);

Пробелы в строке текста являются значащими. Теперь, если ввести целое 5 и дробное 9.9, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = 5, Вещественное = 9.900000

3. Модификаторы форматов. Они используются для оформления вывода. По умолчанию (без модификаторов) данные выводятся в поле минимальной ширины с точностью 6 знаков после запятой, число прижимается к правому краю поля. Выводом можно управлять.

а) Ширина поля, это строка цифр, определяющая наименьший размер поля вывода (позиционирование). Число, не входящее в поле, игнорируется.

б) Точность вывода, это две цифры, определяющие общий размер поля вывода и число знаков после запятой. Используется для вещественных чисел.

В примерах обозначим знаком ˽ пробелы, которые будут в строке вывода.

printf ("Целое = %4d, Вещественное = %5.2f\n", my_int, my_float);

Если ввести значения 10 и 2.3, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = ˽˽10, Вещественное = ˽2.30

Если ввести значения 19951 и 12.9999, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = 19951, Вещественное = 13.00

Можно сделать вывод, что целое число, несмотря на ограничения поля вывода 4 символами, выведется без изменений, а вещественное число будет округлено до сотых.

в) Знак минус используется для выравнивания числа влево внутри поля вывода.

printf ("Целое = %–4d, Вещественное = %–5.2f\n", my_int, my_float);

Если ввести значения 2 и 2.36666, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = 2˽˽˽, Вещественное = 2.37˽

Если ввести значения -1999 и 12.9999, то строка вывода будет иметь вид:

Целое = –1999, Вещественное = 13.00

Пример использования форматированного ввода-вывода.

#include stdio.h

#define STR "Программа" // Для иллюстрации вывода строк.

void main (void)

{

// Вывод целого числа 336

printf ("%d\n", 336); // 336

printf ("%2d\n", 336); // 336, формат 2d игнорируется

printf ("%8d\n", 336); // ˽˽˽˽˽336 // ширина поля вывода = 8

printf ("%-8d\n", 336); // 336˽˽˽˽˽ // прижато влево ширина поля 8

printf("\n"); // Пропуск строки при выводе

// Вывод вещественного числа 12.345

printf ("%f\n", 12.345); // 12.345000

printf ("%e\n", 12.345); // 1.234500е+01

printf ("%10.1f\n", 12.345); // ˽˽˽˽˽˽12.3

printf ("%–12.1f\n", 12.345); // 12.3

printf("\n");

// Вывод строки символов по формату s

printf ("%s\n", STR); // Программа

printf ("%12s\n", STR); // ˽˽˽Программа

printf ("%12.5s\n", STR); // ˽˽˽˽˽˽˽Прогр

printf ("%-12.5s\n", STR); // Прогр

printf("\n");

}

Организация ввода/вывода в стиле С++

Для управления вводом/выводом данных в стиле С++ применяется заголовочный файл iostream.h. В нем определены стандартные объекты-потоки cin для ввода с клавиатуры и cout для вывода на экран, а также операции помещения в поток « и чтения из потока ».

cin»список_ввода; // ввод значения данного с клавиатуры

cout«список_вывода; // вывода значения данного на экран

Пример программы, использующей функции ввода/вывода в стиле С:

#include

int main()

{

int i;

printf("Введите целое число\n");

scanf("%d",&i);

printf("Вы ввели число %d, спасибо!",i);

return 0;

}

А вот как выглядит та же программа с использованием библиотеки классов C++:

#include

int main()

{

int i;

cout«"Введите целое число\n";

cin»i;

cout«"Вы ввели число "«i«", спасибо!";

return 0;

}

Форматированный ввод/вывод в С++

Возможность управлять вводом-выводом в С++, обеспечивают форматирующие функции-члены, флаги и манипуляторы. Флаги, функции и манипуляторы выполняют одну и туже задачу – задают определённый формат ввода/вывода информации в потоках. Ввод/вывод на экран/с экрана в С++ осуществляется с помощью операторов cin и cout соответственно, а значит  манипуляторы форматирования используются совместно с данными операторами ввода/вывода. Различие между функциями, флагами и манипуляторами форматирования состоит в способе их применения. Теперь рассмотрим способы применения объектов форматирования.

//Основные форматирующие функции-члены:

cout.fill('/*symbol*/');     // устанавливает символ заполнитель

//где symbol – символ-заполнитель, символ передаётся в одинарных кавычках

cout.width(/*width_field*/); // задает ширину поля

//где width_field - количество позиций (одна позиция вмещает один символ)

cout.precision(/*number*/); //задает количество знаков после десятичной

// точки, где number - количество знаков после десятичной точки

Доступ к функциям осуществляется через операцию точка, а в круглых скобках передаётся аргумент. Аргумент функции fill() может передаваться в виде символа, обрамленного одинарными кавычками или в виде числа (код символа). Одних функций не достаточно для форматирования потоков ввода/вывода, поэтому в С++ предусмотрен ещё один способ форматирования – флаги.

Флаги форматирования позволяют включить или выключить один из параметров ввода/вывода.  Чтобы установить флаг ввода/вывода, необходимо вызвать функцию setf(), если необходимо отключить флаг вывода, то используется функция  unsetf(). Далее показаны конструкции установки и снятия флагов вывода.

// установка флага вывода

cout.setf( ios::/*name_flag*/ );

// где name_flag - это имя флага

Доступ к функциям оператора вывода выполняется через операцию точка. Метод setf() принимает один аргумент – имя флага. Флаги вывода объявлены в классе ios, поэтому, перед тем, как обратиться к флагу, необходимо написать имя класса – ios, после которого, с помощью операции разрешения области действия, вызвать нужный флаг.

// снятие флага вывода

cout.unsetf( ios::/*name_flag*/ );

// где name_flag - это имя флага

Если при вводе/выводе необходимо установить/снять несколько флагов, то можно воспользоваться поразрядной логической операцией ИЛИ |. В этом случае конструкция языка C++ будет такой:

// установка нескольких флагов

cout.setf( ios::/*name_flag1*/ | ios::/*name_flag2*/ | ios::/*name_flag_n*/ );

// снятие нескольких флагов

cout.unsetf( ios::/*name_flag1*/ | ios::/*name_flag2*/ | ios::/*name_flag_n*/ );

В таблице 4 описаны некоторые основные флаги форматирования, а также показаны примеры их использования.

Таблица 4 – Некоторые флаги форматирования в С++

Ещё один способ форматирования – форматирование с помощью манипуляторов. Манипулятор – объект особого типа, который управляет потоками ввода/вывода, для форматирования передаваемой в потоки информации. Отчасти манипуляторы дополняют функционал, для форматирования ввода/вывода. Но большинство манипуляторов выполняют точно, то же самое, что и функции с флагами форматирования. Есть случаи, когда проще пользоваться флагами или функциями форматирования, а иногда удобнее использовать манипуляторы форматирования. Именно по этому в С++ предусмотрено несколько средств форматирования ввода/вывода. В таблице 5 показаны основные манипуляторы форматирования С++.

Таблица 5 – Некоторые манипуляторы форматирования в С++

При использовании манипуляторов необходимо подключить заголовочный файл iomanip

Выполнение работы: в соответствии с вариантом составить и реализовать программы.

Написать программу для расчета по двум формулам. Предварительно подготовить тестовые примеры для второй формулы с помощью калькулятора (результаты вычисления по обеим формулам должны совпадать). Список стандартных математических функций C++ приведен в приложении 2. Отсутствующие в языке функции выразить через имеющиеся.

1. Составить программу вычисления объема конуса по заданному диаметру и образующей.

2. Дана сторона равностороннего треугольника. Составить программу нахождения площади этого треугольника и радиуса описанной окружности.

3. Известны радиусы двух концентрических окружностей. Составить программу нахождения площади кольца, образованного этими окружностями.

4. Составить программу нахождения суммы n членов арифметической прогрессии, для которой известен первый член, разность и число n.

5. Вычислить объем призмы, боковые грани которой - квадраты, а основанием служит равносторонний треугольник, вписанный в круг радиуса r.

6. Вычислить площадь прямоугольника, вписанного в окружность радиуса r, если отношение его сторон равно R.

7. Даны две стороны треугольника и угол между ними. Определить третью сторону и площадь.

8. Вычислить процент материала, ушедшего в отходы, если из куба с ребром а был выточен шар радиуса r (r  а).

9. Вычислить площадь кольца, ширина которого равна а, а отношение радиусов окружностей равно b.

10. Вычислить периметр и площадь прямоугольного треугольника, описанного около круга радиуса r, если гипотенуза треугольника равна с.

11. Вычислить диаметр трубы, пропускная способность которой позволяет заменить ею две трубы с диаметрами d₁ и d₂.

12. Вычислить высоты треугольника со сторонами a, b и с.

13. Вычислить площадь правильного n-угольника, описанного около круга радиусом r.

14. Высота конуса равна h, а радиус основания r. Вычислить объем шара, вписанного в конус.

15. Вычислить массу свинцовой трубы, длина которой равна b м (плотность свинца равна 11,4 г/см³), толщина стенок а мм, а внутренний диаметр трубы равен d мм.

16. Дан равносторонний треугольник. Вычислить сторону, высоту и площадь этого треугольника, если радиус вписанной окружности равен r.

17. Стальной вал, имеющий b мм длины и d мм в диаметре, обтачивается на токарном станке, при этом диаметр уменьшается при обточке на S мм. Вычислить, на сколько уменьшается масса тела (плотность стали 7,4 г/см³).

18. Вычислить объем призмы, боковые грани которой – квадраты. Основанием призмы служит равносторонний треугольник, заданный длиной стороны.

19. В конус с радиусом основания r и высотой h вписан цилиндр, радиус основания которого равен а. Вычислить объем цилиндра.

20. Даны две стороны треугольника d и с и угол между ними a. Найти радиусы окружностей: вписанной в треугольник и описанной около него.

21. Дана длина ребра куба. Найти объем куба и площадь его боковой поверхности.

22. Треугольник задан тремя сторонами. Вычислить его высоты.

23. Определить периметр правильного n-угольника, описанного около окружности радиуса R.

24. Смешано V₁ литров воды температуры Т₁ и V₂ литрами воды температуры Т₂. Найти объем и температуру образовавшейся смеси.

25. Известна длина окружности. Найти площадь круга, ограниченного этой окружностью.

26. Даны гипотенуза и катет прямоугольного треугольника. Найти второй катет и радиус вписанной окружности.

27. Найти площадь кольца, внутренний радиус которого равен R₁, а внешний - R₂ (R₂  R_l).

28. Определить время, через которое встретятся два тела, равноускоренно движущиеся навстречу друг к другу, если известны их начальные скорости, ускорение, начальное расстояние между ними.

29. Вычислить расстояние между двумя точками с координатами (x₁, y₁) и (x₂, y₂).

1. Даны катеты прямоугольного треугольника. Найти его гипотенузу и площадь.

1. Радоновые ванны, применяемые для лечения, содержат 1.8·10⁶ атомов радона в воде объемом 1.0 дм³. На сколько молекул воды приходится один атом радона в лечебной ванне?

2. Сколько атомов ртути содержится в воздухе объемом 1.0 м³ в помещении, зараженном ртутью, при температуре 20°С, если давление насыщенного пара ртути при этой температуре 133 мПа?

3. Какова длина ребра куба, содержащего 1.0·10⁶ молекул идеального газа при нормальных условиях?

4. При какой температуре молекулы гелия имеют такую же среднюю скорость, как молекулы кислорода при 23°С?

5. Найдите среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул водорода, если при давлении 0.5 атм. их концентрация равна 1.5·10⁹ м^-3.

6. Газ нагревается в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении от 27°С до 327°С. Какое приращение получает при этом число молекул в единице объема газа?

7. В сосуде объемом 1 дм³ содержится некоторый газ при температуре 17°С. Найти приращение давления газа, если вследствие утечки газа из него выйдет 10²¹ молекул.

8. В сосуде объемом 3.0 дм³ находится гелий массой 4.0 мг, азот массой 70 мг и 5.0·10²¹ молекул водорода. Каково давление смеси, если температура ее 27°С?

9. Определить среднюю кинетическую энергию вращательного движения молекул водорода, содержащихся в 1.0 моль при 18°С.

10. При какой температуре молекулы кислорода имеют такую же среднюю скорость, как молекулы водорода при 25°С?

11. Сколько молекул содержится при нормальных условиях в 1м³ воздуха?

12. В сосуде объемом 2.0 дм³ находится газ под давлением 0.50 МПа. Чему равна средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа?

13. Кислород массой 12 г находится при температуре 700°С, при этом 40% молекул диссоциировано на атомы. Чему равна средняя кинетическая энергия теплового движения частиц? Колебательные степени свободы молекул кислорода не возбуждаются.

14. Объём помещения 50 м³ . температура воздуха зимой 0°С, а летом – 40°С. Какова разница в массе воздуха, заполняющего помещение зимой и летом? Принять μ = 29 кг/моль.

15. Плотность воздуха при нормальных условиях 1.3 г/л. Какова плотность воздуха при температуре 100°С и давлении 4.0·10⁵ Н/м²?

16. Температура воздуха в баллоне объёмом 10 м³ при давлении 700 мм рт. ст. была 15°С. После нагрева воздуха до 20°С часть воздуха была вытеснена. Найдите массу вытесненного воздуха.

17. Сколько частиц (атомов и молекул) находится в азоте массой 1.0 г, если степень диссоциации азота 7.0%.

18. Какое давление на стенки сосуда производит кислород, если средняя квадратичная скорость его молекул 400 м/с и концентрация молекул 2.7·10¹⁹ м^-3?

19. Найдите среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул гелия, если при давлении 0.5 атм. их концентрация равна 1.5·10⁹ м³.

20. Определите температуру газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул равна 1.6·10^-19 Дж.

21. Каково давление газа, если в каждом кубическом сантиметре его содержится 1.0·10⁶ молекул, а температура газа 87°С?

22. Газ нагревается в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении от 22°С до 320°С. Какое приращение получает при этом число молекул в единице объема газа?

23. В сосуде объемом 15.0 дм³ находится газ под давлением 0.50 МПа. Чему равна средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа?

24. При какой температуре молекулы гелия имеют такую же среднюю скорость, как молекулы водорода при 27°С?

25. Газ занимает объём 2 л при давлении 5·10⁵ Н/м². Определите суммарную энергию поступательного движения молекул газа.

1. Даны два действительных числа. Найти среднее арифметическое и среднее геометрическое этих чисел.

2. Даны четыре целых числа. Найти среднее арифметическое этих чисел и среднее геометрическое этих чисел.

3. Треугольник задан длинами своих сторон. Используя формулу Герона, найти площадь этого треугольника.

4. Идет k-я секунда суток. Определить сколько полных часов H, полных минут М прошло к этому моменту.

5. Даны два момента времени одних суток: H₁, H₂ - часы, M₁, M₂ - минуты. Определить интервал между этими моментами в часах H и минутах M.

6. По трем координатам вершин некоторого треугольника найти его высоту.

7. Найти объем и площадь боковой поверхности конуса радиусом r, высотой h и образующей l.

8. Вычислить боковую поверхность пирамиды (пирамида правильная, усеченная), если известны р и p₁ - полупериметры нижнего и верхнего оснований и k - апофема.

9. Найти объем и полную поверхность полого шара, если известны r₁ и r₂ - радиусы внешней и внутренней шаровых поверхностей.

10. Вычислить площадь поверхности и объем усеченного конуса высотой h, радиусами r₁ и r₂, образующей l.

11. В шар радиуса r вписан конус с углом а при вершине в осевом сечении конуса. Определить объем и полную поверхность конуса.

12. Вычислить объем цилиндра, вписанного в правильную шестиугольную призму, у которой каждое ребро равно а.

13. Найти площадь равнобокой трапеции с основаниями А и В и углом a при большем основании A.

14. Треугольник задан величинами своих углов и радиусом описанной окружности. Найти, стороны треугольника.

15. Найти объем правильной треугольной пирамиды, если стороны ее основания равны а и плоский угол при ее вершине равен a.

16. Вычислить радиус шара, вписанного в правильную четырехугольную пирамиду, если стороны основания пирамиды равны а и двухгранный угол при основании равен a.

17. Вычислить площадь круга и равнобедренной трапеции, описанной около него, если периметр трапеции равен р, а угол при нижнем основании равен а.

18. Вычислить объем призмы, боковые грани которой – квадраты. Основанием призмы служит равносторонний треугольник, по который известно, что радиус вписанной в него окружности равен r.

См. приложение 1 и пример выполнения лабораторной работы

1. Что такое программа на С++?

2. Какая программа является линейной?

3. Какова структура программы на С++?

4. Что такое идентификатор?

5. По каким правилам создаются идентификаторы в С++?

6. Что такое тип величины?

7. Какие типы величин используются в языке С++?

8. Какие типы величин относятся к простым типам?

9. В каком диапазоне могут изменяться переменные типа int и float?

10. Как описываются переменные в С++? (Привести пример.)

11. Что такое операторные скобки? Каково их назначение?

12. Как выполняется команда присваивания?

13. Какая инструкция предназначена для вывода на экран сообщений?

14. Какая инструкция предназначена для ввода данных?

15. Что такое заголовочный файл? Приведите пример заголовочного файла.

16. Каково назначение заголовочных файлов?

17. Как сохранить программу? (Устно)

18. Как осуществить компиляцию текста программы? (Устно)

19. Как осуществить запуск программы? (Устно)

20. Как считать готовую программу с диска? (Устно)

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме:

[1] стр. 5-16, 18-26, 28, 45-57, 145-152, 161-164;

[5] Ввод-вывод, оператор присваивания, арифметические операции - https://informatics.msk.ru/mod/book/view.php?id=578;

[6] Действительные числа - https://stepik.org/lesson/13024/step/1?unit=4376/.

[9] Типы данных https://www.youtube.com/watch?v=pwUNLjgw7lY&list=PLQOaTSbfxUtCrKs0nicOg2npJQYSPGO9r&index=6.

Учить: п. 2.1-2.7.

Письменно ответить на контрольные вопросы.

Указания по технике безопасности см. приложение 4.

Задание I. Напишите программу для расчета по двум формулам. Отсутствующие в библиотеке языка функции выразите через имеющиеся.

Решение

1. Математическая модель

В библиотеке math.h языка С++ отсутствует функция ctg(x), поэтому выразим ее через имеющуюся функцию tg(x), используя известное соотношение:

.

Запись выражений на языке С++ примет вид:

z1 = tan(x) - 1/tan(7*pi/6); z2 = tan(7*pi/8) - sqrt(3.0) * tan(pi/8) * tan(x).

Аргументы: х – вещественного типа.

Результаты : z₁, z₂ – вещественного типа.

1. Алгоритм (блок - схема)



3. Программа

//подключение заголовочных файлов

#include iostream //для организации ввода-вывода в С++

#include conio.h //для организации консольного ввода-вывода

#include math.h //для работы с математическими функциями

using namespace std; // описание пространства имен std

int main() // заголовок главной функции

{ // тело функции

const double pi = 3.14159265359; // описание константы

double z1, z2, x; // описание переменных

cout// вывод сообщения на экран

cinx; // ввод переменной х

//вычисляем значения переменных z1, z2

z1 = tan(x)-1/tan(7*pi/6); //присвоение переменной z1 значения выражения

z2 = tan(7*pi/8)-sqrt(3.0)*tan(pi/8)*tan(x);

coutz1 = "z1z2 = "z2; // вывод данных на экран

_getch(); //функция ожидания нажатия клавиши из conio.h

return 0; //главная функция возвращает целочисленное значение 0

}

4. Результат работы программы

Введите х = 4

z1 = -0.57

z2 = -1.24

Задание II. Написать программу для вычисления длины окружности и площади круга заданного радиуса.

Решение

1. Математическая модель

Аргументы: радиус окружности r, вещественного типа.

Результаты: длина окружности l и площадь круга S, вещественного типа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: приобретение навыков программирования вычислительных разветвляющихся процессов с использованием условного, составного операторов, оператора выбора (множественного ветвления) и оператора безусловного перехода.

Знания, умения и владения, приобретаемые обучающимся в результате освоения темы, в рамках формируемых компетенций (ИД-1 _ОПК -2, ИД-2 _ОПК 2,
ИД-3 _ОПК-2, ИД-1_ОПК-5, ИД-2 _ОПК-5, ИД-3 _ОПК-5): см. приложение 3: вырабатывается навык разработки математических и информационных моделей, а также формируется способность к разработке и применению алгоритмических и программных решений (разветвляющейся структуры) в области прикладного программирования с умением объяснить теоретическую и практическую часть темы (формируется часть указанных компетенций).

Оборудование и материалы: ПЭВМ с микропроцессором не ниже Pentium 4 объем свободной памяти в ПЗУ не менее 2-3 гб, объем ОЗУ не менее 512 мб.

В C++ условие – выражение логического типа (bool), которое может принимать одно из двух значений: «истина» (true) или «ложь» (false). Внутренняя форма представления значения false - 0 (нуль). Любое другое значение интерпретируется как true. При преобразовании к целому типу true имеет значение 1.

Используются шесть операторов, позволяющих сравнивать между собой значения выражений, числовых переменных, а также значение переменной и константу:

 (больше),

==  (равно), !=  (не равно),

=  (больше либо равно),

Условия, которые составлены с использованием одного оператора сравнения, называются простыми условиями, например, x + y 0.

Общий вид:

выражение оператор сравнения выражение

Из простых условий, которые являются выражениями логического типа можно строить сложные условия, применяя к ним, как к операндам, логические операторы: ! (не), && (и), || (или).

Логические операции выполняются слева направо. Если значение первого операнда достаточно, чтобы определить результат операции, второй операнд не вычисляется. Для изменения порядка действий используются круглые скобки.

Итак, составные условия – это простые условия, связанные при помощи логических операторов: (x  5) ||  (a + b 

Операция &&

Логическую операцию && (и) используют, если нужно, чтобы одновременно выполнялись два условия. C++ это записывается так:

(условие1) && (условие2)

На практике эта логическая операция часто применяется для создания условия принадлежности некоторой переменной указанному промежутку. Например, составим условие, которое будет истинно тогда и только тогда, когда переменная х принадлежит промежутку от 10 до 20: 10 x х 10 и x (x 10) && (x .

Операция ||

Логическую операцию || (или) используют, когда хотят сформулировать условие, которое будет истинно в том случае, когда верно хотя бы одно условие из двух. В C++ эта операция используется так:

(условие1) || (условие2)

Операция !

Логическую операцию ! (не – логическое отрицание) используют, если нужно проверить условие (выражение) на ложность. Эта операция делает ложным истинное условие и истинным ложное. Запись операции:

! (условие)

В таблице 6 приводятся результаты применения логических операторов к операндам логического типа. Для наглядности вместо значения false используется 0, true – 1.

Таблица 6 – Логические операции

При записи сложных условий надо учитывать приоритет операций и, в случае необходимости, использовать круглые скобки.

К составным операторам относятся собственно составные операторы и блоки.

Составной оператор – последовательность операторов, заключенная в операторные скобки. Операторы, входящие в него, должны выполняться в том порядке, в котором они записаны.

Формат оператора:

{

оператор1;

оператор2;

...

операторN;

}

Блок отличается тем, что в его состав входят описания каких-либо объектов программы. Например:

Блоки, чаще всего, используются в качестве тела функции. Составной оператор используется в любом случае, когда несколько операторов следует объединить в один. Это необходимо в условных операторах и операторах цикла, согласно синтаксису которых, исполнимым является только один оператор. Чаще всего, составной оператор формирует ветвь условного оператора или тело цикла в операторах цикла.

Эта операция тернарная, то есть имеет три операнда.

Формат операции:

операнд_1 ? операнд_2 : операнд_3

Первый операнд может иметь арифметический тип или быть указателем. Он оценивается с точки зрения его эквивалентности нулю (операнд, равный нулю, рассматривается как false, не равный нулю – как true). Если результат вычисления операнда 1 равен true, то результатом условной операции будет значение второго операнда, иначе – третьего операнда. Вычисляется всегда либо второй операнд, либо третий. Их тип может различаться. Условная операция является сокращенной формой условного оператора if.

Пример: Вывести на экран минимальное из двух значений.

#include

int main ( )

{

int a = 10, b = 5, min;

min = (b ? b : a ;

printf(“Наименьшее число: %d”, min);

return 0;

}

Результат работы программы:

Наибольшее число: 5

Другой пример применения условной операции. Требуется, чтобы некоторая целая величина увеличивалась на 1, если ее значение не превышает n, а иначе принимала значение 1:

i = (i ? i + 1: 1;

Предназначен для выбора к исполнению одного из двух возможных операторов в зависимости от выполнения некоторого условия.

Формат оператора:

if (условие) оператор 1; else оператор 2;

Инструкция выполняется следующим образом:

1. Вычисляется значение условия (выражения), которое может иметь арифметический тип или тип указателя.

2. Если значение выражения (условия) не равно нулю (имеет значение true), выполняется первый оператор, следующий за условием. Если значение выражения (условия) равно false, то выполняются инструкции, следующие за словом else.

Довольно часто в случае ложности условия не нужно производить никаких действий. Допускается использование краткой формы условного оператора:

if (условие) оператор;

Если значение логического выражения истинно, то выполняются инструкции, следующие за условием. Если значение выражения ложно, то выполняется инструкция, следующая непосредственно после оператора if.

Если после условия или служебного слова else требуется выполнить несколько операторов, то их оформляют в виде составного.

Структура команды «Ветвление» называется вложенной, если после условия или служебного слова else используются вновь условные операторы. Число вложений может быть произвольным. При этом справедливо следующее правило: служебное слово else всегда относится к ближайшему if.

Таблица 7 – Графическая интерпретация условного оператора.

Неполная форма записи		Полная форма записи
если-то	a) + – b) + –	если-то-иначе	b) – a) + + –

Замечание. В таблице 7 приводятся блок-схемы возможных вариантов алгоритма команды «Ветвление» (условного оператора) случаи

a) для простых операторов;

b) для составных, когда при выполнении условия или при не выполнении его требуется исполнить несколько операторов: оператор 1, оператор 2, …, оператор n. В программе данную серию операторов: оператор 1, оператор 2, …, оператор n оформляют в виде составного оператора или блока, заключив их в операторные скобки.

Пример. Cоставить программу нахождения минимального из трех чисел, введенных с клавиатуры.

Результат работы программы:

Введите 3 числа через пробел:

12 5 -7

Минимальное число = -7

Если в программе нужно реализовать выбор из более, чем двух вариантов, то можно использовать инструкцию множественного ветвления (переключатель).

Оператор switch (переключатель) предназначен для разветвления процесса вычислений на несколько направлений. Блок-схема оператора выбора (switch) предложена в таблице 8.

Формат оператора:

switch ( выражение )

{

case константное_выражение_1: [оператор_1];

case константное_выражение_2: [оператор_2];

…

case константное_выражение_n: [оператор_n];

[default: оператор_n + 1];

}

Оператор выбора является обобщением условного оператора. Выполнение оператора начинается с вычисления выражения (оно должно быть целочисленным), а затем управление передается первому оператору из списка, помеченного константным выражением, значение которого совпало с вычисленным. После этого, если выход из переключателя явно не указан, последовательно выполняются все остальные ветви. Затем управление передаётся оператору, следующему за оператором выбора. Если значение выражения не совпадает ни с одним константным выражением, то выполняется оператор n + 1.

Таблица 8 – Оператор выбора (блок-схема)

Неполная форма записи

Полная форма записи

выбор