Лабораторная работа №6
Название работы
Исследование разветвляющихся алгоритмов и условных операторов.
Цель работы
Целью данной работы является исследование разветвляющихся алгоритмов и их программирование с помощью условных операторов языка Java, приобретение начальных навыков тестирования программ.
Постановка задачи
- Изучить возможности условных операторов Java.
- Разработать и отладить программы, демонстрирующие применение условных операторов
ifиswitch. - Протестировать программы на контрольных примерах.
Краткие теоретические сведения
Часто при выполнении программы порядок действий должен зависеть от результата проверки некоторого условия. При истинности условия должна выполняться одна группа операторов, при ложности – другая. Например, при вычислении корней квадратного уравнения при неотрицательном дискриминанте применяется одна формула, а при отрицательном – другая. На схемах программ проверка условия изображается ромбом (рисунок 1, слева). Разделение хода выполнения программы на несколько ветвей называют ветвлением. Ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от истинности некоторого заданного условия. В структурном программировании ветвление или выбор (ветвление с несколькими ветвями) изображают специальным соединением элементов (рисунок 1, справа). Напомним, движение по линиям сверху вниз и слева направо стрелками не отмечается, а движение справа налево или вверх указывается стрелками.
Рисунок 1 - Структура ветвление (а); Структура ветвление с 2 и более альтернативами (б)
В языке Java для организации ветвлений предусмотрены:
- Оператор присваивания, использующий тернарный оператор(троичную условную операцию):
переменная=условие ? выражение1 : выражение2; - Условный оператор (полный и неполный) –
if...else:if (условие) оператор1; else оператор2; // else может отсутствовать; // Вместо операторов может быть блок кода с операторами - Многозвенная форма условного оператора −
if...else...if:if (условие1) оператор1; else if (условие2) оператор2; else if (условие3) оператор3; /// еще условия else операторN; // else может отсутствовать; // Вместо операторов может быть блок кода с операторами // Технически это if из пункта 2, // где вместо оператора - условный оператор // (они вложены друг в друга) - Оператор-переключатель –
switch:switch (выражение) { case value1: //последовательность операторов 1 break; case value2: //последовательность операторов 2 break; /// ... case valueN: //последовательность операторов N break; default: //последовательность операторов по умолчанию // default может отсутствовать } // Оператор break – необязательный. Если он пропускается, // выполнение будет продолжено со следующей case-метки.
Порядок выполнения работы
- Изучите пример программы, использующей оператор
if, приведенный в разделе ниже. - Cоставьте алгоритм (схему) программы, демонстрирующей применение оператора
if(варианты индивидуальных заданий приведены в таблице 1. В программе должно быть предусмотрено задание значений переменных, вывод в окно терминала результатов с пояснениями. - В соответствии с алгоритмом составьте программу на языке Java;
- Разработайте тесты для проверки программы: самостоятельно подберите такие значения исходных данных (переменной x), чтобы, запустив программу, можно было проверить правильность выбора каждой из ветвей алгоритма; рассчитайте на калькуляторе значения выходных переменных (
g,z,y) для каждого значения переменнойx. - Запустите программу на выполнение при трех вариантах значений для переменной
xи двух вариантах значений для переменнойa. Проанализируйте полученные результаты и сообщения среды Java. - Изучите пример программы, использующей оператор
switch, приведенный в разделе ниже. - Составьте алгоритм (схему) программы, демонстрирующей применение оператора
switch(варианты индивидуальных заданий приведены в таблице 2). - Разработайте тесты для проверки программы: самостоятельно подберите такие значения исходных данных, чтобы, запустив программу, можно было проверить правильность выбора каждой из ветвей алгоритма;
- Проверьте правильность выполнения программы с помощью разработанных тестов. Проанализируйте полученные результаты и сообщения среды Java.
Варианты заданий
В качестве первого индивидуального задания на лабораторную работу предлагается разработать программу, реализующую вычисление \(y=g(x)+z(x)\) при заданном значении x. Формулы для вычисления g и z приведены в таблице 1 для каждого варианта.
В качестве второго индивидуального задания на лабораторную работу предлагается разработать программу, реализующую выбор одного из нескольких вариантов действий в зависимости от значения переменной choice. Варианты второго задания приведены в таблице 2.
Вариант задания V необходимо вычислить по формуле
V = N % 14 != 0 ? N % 14 : 14,
где N – номер студента в списке группы.
Таблица 1 - Варианты заданий
Таблица 2 - Варианты заданий
Примечание
В вариантах 2 и 4 в качестве исходного данного используйте либо одиночный символ, либо получите первый символ из строки.
Первый символ из строки можно получить вот так:
String someText = "Hello, world!";
char a = someText.charAt(0);
В одной из следующих лабораторных работ мы разберем строки подробнее.
Пример выполнения индивидуального задания
Пример выполнения первого задания
Рассмотрим следующую постановку задачи: составить программу вычисления значения \(y=g(x)+z(x)\) при заданном значении \(x\), где \(g(x)\) и \(z(x)\) − кусочно-заданные функции
Алгоритм вычислений будет иметь вид, показанный на рисунке 2. На этом рисунке изображены также пути реализации алгоритма при трех вариантах исходных данных: x=-5.3; x=-0.1; x=1.0. Видим, что эти тестовые примеры покрывают все ветви алгоритма.
Данные, полученные в результате расчетов на калькуляторе:
при \(x=-5.3, g=3.0754, z=80269.6748, y=80275.7503\);
при \(x=-0.1, g=1.0033, z=1.1099, y=2.1133\);
при \(x=1.0, g=0.6178, z=1.6931, y=2.3110\).
Рисунок 2 - Cхема алгоритма и тестирования
public class Lab6_1 {
public static void main(String[ ] args){
double x = 1, g, z, y;
if (x <= 0) {
g = Math.cbrt(1 + x * x);
} else {
g = Math.pow(Math.sin(x),2) * (1 + x)/
(2+Math.pow(Math.cos(x),2));
}
if (x < -0.2)
z = 2 * Math.exp(-2 * x);
else if (x > 0.8)
z = 1 + Math.log(1 + x);
else
z = (1 + Math.pow(x,3)) / (1 + x);
y = g + z;
System.out.printf("x = %.5f, g = %.5f, z = %.5f, y = %.5f\n",
x, g, z, y);
}
}
Второй вариант той же программы использует тернарный оператор для вычисления значения переменной g, а также импортирование статических функций класса Math(это позволяет обращаться к соответствующей функции просто по ее имени, не указывая перед ним имя класса Math):
import static java.lang.Math.*;
public class Lab6_1 {
public static void main (String[] args){
double x = 1, g, z, y;
g = (x <= 0)
? cbrt(1 + x * x)
: pow(sin(x), 2) * (1 + x)/
(2 + pow(cos(x), 2));
if (x < -0.2) {
z = 2 * exp(-2 * x);
} else {
if (x > 0.8)
z = 1 + log(1 + x);
else
z = (1 + pow(x,3)) / (1 + x);
}
y = g + z;
System.out.printf("x = %.5f, g = %.5f, z = %.5f, y = %.5f\n",
x, g, z, y);
}
}
Результаты выполнения программы для различных значений x представлены на рисунке 3.
Значения переменных, полученные в результате выполнения программы, совпали со значениями, рассчитанными при помощи калькулятора.
Примечание
Если в программе вы получили значение, не совпадающее с вашими расчетами (а вы точно уверены, что посчитали на калькуляторе правильно), в процессе отладки программы рекомендуется выводить в окно терминала все промежуточные результаты вычислений для обнаружения логической ошибки в программе. Также рекомендуется использовать отладчик, встроенный в вашу среду разработки.
Рисунок 3 - Результаты работы программы
Пример выполнения второго задания
Разработать программу перевода оценки по 100-балльной шкале в оценку по системе ECTS (англ. European Credit Transfer and Accumulation System — Европейская система перевода и накопления баллов) по правилу:
- 90 – 100 баллов : A;
- 82 – 89 баллов: B;
- 74 – 81 балл: C;
- 68 – 73 балла: D;
- 60 – 68 баллов: E;
- 0 – 59 баллов: F.
Выбор варианта в программе осуществить с помощью оператора switch.
Схема алгоритма перевода оценки изображена на рисунке 4.
public class Lab6_2 {
public static void main(String[] args) {
int score = 90; //число баллов
char ects; //оценка по системе ECTS
switch (score) {
case 90:
case 91:
case 92:
case 93:
case 94:
case 95:
case 96:
case 97:
case 98:
case 99:
case 100:
ects = 'A';
break;
case 82:
case 83:
case 84:
case 85:
case 86:
case 87:
case 88:
case 89:
ects = 'B';
break;
case 74:
case 75:
case 76:
case 77:
case 78:
case 79:
case 80:
case 81:
ects = 'C';
break;
case 68:
case 69:
case 70:
case 71:
case 72:
case 73:
ects = 'D';
break;
case 60:
case 61:
case 62:
case 63:
case 64:
case 65:
case 66:
case 67:
ects = 'E';
break;
default:
ects = (score < 0 || score > 100) ? '#' : 'F';
}
System.out.printf("Число баллов: %d; оценка по ECTS: %c\n", score, ects);
}
}
Рисунок 4 - Схема работы программы
Рисунок 5 - Результаты работы программы
Контрольные вопросы
- Изобразите синтаксическую диаграмму полного и неполного условного оператора. Как эти конструкции изображаются на схемах алгоритмов? Объясните их работу.
- Поясните термин «логическое выражение». Значение какого типа оно возвращает, какие логические операции в нем могут быть использованы? Приведите примеры сложных логических (условных) выражений. Для чего в условных операторах используются логические выражения (условия)?
- Что представляет собой составной оператор (блок операторов)? Для чего он используется?
- В каком случае условный оператор можно заменить оператором присваивания, использующим троичную условную операцию?
- Перечислите основные блоки, применяемые в схемах разветвляющихся алгоритмов.
- Опишите синтаксис и алгоритм работы вложенных операторов
if:if...else...if. - Опишите синтаксис и алгоритм работы оператора
switch? В каких случаях его целесообразно применять? Для чего в ветвяхcaseоператораswitchприменяется операторbreak? Что будет, если в какой-либо ветви его опустить? - Для чего в операторе
switchприменяется элементdefault? Можно ли его опустить? - Как вы осуществляли тестирование программы? Что такое тест? Сколько тестов вы использовали и почему?
- Летели два верблюда, один рыжий, другой налево. Сколько весит килограмм асфальта, если ёжику 24 года?