Постановка задачи. Построение информационной модели

Как правило, практические задачи формулируются достаточно понятно с точки зрения пользователя, но такая формулировка не обладает достаточной четкостью и строгостью.

Примеры:

§ рассчитать примерную стоимость декоративного ремонта (покраски) школьной мебели;

§ разработать наиболее эффективный (калорийный, разнообразный и дешевый) рацион питания в школьной столовой и т.д.

Чтобы такую задачу можно было решить с помощью компьютера, надо выполнить постановку задачи: выяснить, что известно и что явится результатом решения, а также как связаны исходные данные и результаты. Для этого важно определить существенные свойства объектов и явлений, о которых идет речь в задаче, и пренебречь несущественными.

Иногда об этом забывают. Например, если в задаче требуется определить площадь верхней поверхности стола (столешницы), не задумываясь говорят, что надо измерить длину и ширину. Однако существенным свойством стола может оказаться то, что он круглый, тогда затруднительно вести речь о длине и ширине. Кроме того, даже если определили, что столешница имеет прямоугольную форму, следует договориться, что небольшие неровности не оказывают существенного влияния на величину площади.

Важно также определить, в каких единицах и с какой точностью будут произведены измерения и вычисления. Кроме того, следует определить ограничения, налагаемые на возможные значения исходных данных и результатов. В примере с прямоугольным столом длина и ширина не могут быть отрицательными числами, а также иметь нереально большие или малые значения.

Все эти сведения образуют информационную модель задачи.

Главное свойство модели – упрощать изучаемое явление, сохраняя его существенные свойства. Информационной моделью задачи можно назвать информацию об объектах и явлениях, фигурирующих в задаче, значимую с точки зрения задачи и зафиксированную в текстовой, числовой или иной сигнальной форме.

Шаги построения информационной модели:

1. Определить существенные и несущественные свойства объектов и явлений, описываемых в задаче.

2. Выделить характеристики объектов и явлений, значимые с точки зрения задачи, и на этой основе определить исходные данные. Для исходных данных, выраженных в числовой форме, соотнести единицы измерения, определить точность и указать ограничения, налагаемые на их значения.

3. Определить, что является результатом решения задачи и в какой форме он должен быть получен. Указать ограничения.

4. Выявить связи между исходными данными и результатами. Если такие связи можно выразить на языке математики, то говорят о математической модели задачи как о частном случае информационной модели.

5. Определить метод достижения результата.

Формализация задачи

На этом этапе происходит фиксация информационной модели, выбирается форма представления данных, образующих информационную модель, наиболее удобная для компьютерной обработки. Часто первые два этапа не имеют четкой границы и могут рассматриваться как единое целое.

Рассмотрим пример.

Задача. Определить, успеют ли к поезду путешественники, которые отправились от места стоянки к станции на автомобиле.

Построение информационной модели. Существенными характеристиками являются: расстояние от места стоянки до станции; время, которое осталось до отхода поезда; характер движения автомобиля. Предположим, что автомобиль двигался с некоторой начальной скоростью и постоянным ускорением. Тогда время, которое автомобиль находился в пути, надо сравнить с имеющимся запасом времени и сделать соответствующий вывод. Время в пути можно определить из соотношения между расстоянием, начальной скоростью и ускорением, которые будут являться исходными данными. Все эти характеристики имеют числовые значения (вещественные числа) и должны быть положительны. Промежуточный результат – время в пути – также должен выражаться положительным числом. Кроме того, значения начальной скорости и ускорения должны быть в пределах разумного. Единицы измерения: км, час, км/час, км/час за час.

Формализация.

Исходные данные:

S - расстояние от места стоянки до станции

tz - запас времени до отхода поезда

V₀ - начальная скорость

а - ускорение

Результат: сообщение о том, успеют ли путешественники на поезд.

Связь между исходными данными и результатом: для получения сообщения следует вычислить промежуточный результат tp – время в пути – и сравнить его с запасом времени. Время в пути вычисляется, исходя из формулы пути при равноускоренном движении.

Это корень квадратного уравнения. Его дискриминант и корни:

Данное уравнение будет иметь как положительный, так и отрицательный корень. Из них следует выбрать положительный, исходя из наложенных ограничений.

Построение алгоритма

На основе выбранного метода определяется точный порядок действий для достижения результата. Такая последовательность действий, выполнение которой приведет к достижению результата, называется алгоритмом. Алгоритм решения задачи может быть составлен с разной степенью подробности. Вначале составляется последовательность из небольшого числа достаточно крупных шагов, затем выполняется более подробное описание каждого шага – детализация алгоритма. Для фиксации алгоритма используются различные способы: словесное описание, язык графических схем, псевдокод и др. Подробнее об алгоритмах будет далее.