Решение задач по физике на компьютере

     Основные  функции операционных систем (ОС)  
 
1. Операционная система (ОС) связывает аппаратное обеспечение и прикладные программы. Многие свойства различных программ похожи, и операционная система обычно предоставляет этот общий сервис. Например, практически все программы считывают и записывают информацию на диск или отображают ее на дисплее. И хотя каждая программа в принципе может содержать инструкции, выполняющие эти повторяющиеся задачи, использование в этих целях операционной системы более практично.  
 
2. Операционная система может взаимодействовать с аппаратными средствами и пользователем или прикладными программами. Она также может переносить информацию между аппаратурой и прикладным программным обеспечением.  
 
3. Прикладной программист не должен беспокоиться о написании специального программного кода для записи данных на все множество дисков, которое может быть на ПК. Программист просто просит операционную систему записать данные на диск, а ОС занимается зависящей от аппаратуры информацией. Операционная система получает предоставляемые прикладными программами данные и записывает их на физический диск.  

      
4. Использование операционной системы  делает программное обеспечение  более общим: программы могут работать на любом компьютере, на котором можно запустить эту операционную систему, поскольку взаимодействуют с операционной системой, а не с аппаратурой.  
 
5. Наиболее часто используемые операционные системы, такие как DOS, Windows, UNIX, также предоставляют пользовательский интерфейс: пользователь может набирать команды в системном приглашении. ОС интерпретирует эти инструкции с помощью программы, логично называемой командным интерпретатором, или процессором. 

     Операционные  системы могут классифицироваться по следующим показателям:  

1.  количество  пользователей: однопользовательские  ОС (MS-DOS, Windows) и многопользовательские ОС (VM, UNIX).

2.  доступ: пакетные (OS 360), интерактивные (Windows, UNIX), системы реального времени (QNX, Neutrino, RSX).

3. количество  решаемых задач: однозадачные  и многозадачные. 

     Работа  производилась на компьютере с операционной системой Microsoft Windows Vista Ultimate EN 32-bit , Service Pack 1.

     
      Windows Vista — операционная  система семейства Microsoft Windows NT, линейки операционных систем, используемых на пользовательских персональных компьютерах. В стадии разработки данная операционная система имела кодовое название «Longhorn».

    В линейке продуктов Windows NT новая система  носит номер версии 6.0 (Windows 2000 — 5.0, Windows XP — 5.1, Windows Server 2003 — 5.2).  Windows Vista, как и Windows XP, — исключительно клиентская система

    Минимальные требования к аппаратной части компьютера для запуска на нём Windows Vista : Процессор  с тактовой частотой не менее 800 МГц, объём опаративной памяти — 512 МБ, видеоадаптер совместимый с DirectX 8.0 и дисковое пространство не менее 15 ГБ на саму операционную систему и 20 ГБ свободного пространства.

Программирование

     Программа может состоять из нескольких или  сотен тысяч строк текста. Предложена следующая классификация длины программ: малая (меньше 100 строк), средняя (100-1000 строк), большая (1000-10000 строк) и очень большая (больше 10000строк). 

      Решение задачи на ЭВМ включает в себя  несколько этапов: постановка задачи, ее математическая  формулировка, выбор метода решения, разработка алгоритма, составление программы, отладка и решение задачи. 

      Этапы решения задачи при  помощи компьютерной программы:

2.   Постановка задачи предполагает точные формулировки задачи и цели, которые необходимо  достигнуть при решении. Один из самых главных этапов. Нужно однозначно и вполне определенно понять, что будет результатом решения задачи. Каковы исходные данные? Существуют ли ограничения для этих данных? Можно сказать, что точность и четкость в постановке задачи — это половина дела. Напротив, в случае  недопонимания каких-то моментов вероятность непроизводительной траты времени и отрицательного результата резко возрастает.
3. Математическая формулировка заключается в записи условия задачи с помощью  математических обозначений, формул, зависимостей, в определении  исходных  данных и формы  выдачи результатов вычислений. Задача должна быть сформулирована четко и однозначно.
4. Выбор метода решения задачи определяет численный математический метод, позволяющий свести решение к последовательному выполнению четырех математических действий. В большинстве случаев одна и та же задача может решаться несколькими численными методами, на  данном этапе выбирается метод, который наилучшим образом обеспечивает выполнение  требований поставленной задачи.
5. Разработка алгоритма решения поставленной задачи, т. е. структуризация, разбиение задачи на последовательность простых модулей, каждый из которых легко может быть реализован на языке программирования. Алгоритмом называется конечная последовательность строго очерченных правил, на основании  исходных данных приводящих к однозначному решению задачи. Запись алгоритма должна  производиться в наглядной и компактной форме, удобной для практического использования. Существует несколько способов для описания алгоритмов: словесный, операторный и др. Наибольшее распространение получила графическая запись структуры алгоритмов в виде так называемых блок-схем.
6. Составление  программы – непосредственный перевод словесного алгоритма или его блок-схемы на выбранный язык программирования и ввод полученной программы в компьютер. Язык программирования представляет собой  совокупность символов и правил их использования для описания процессов решения задач на  ЭВМ. Текст программы вводиться в ЭВМ и обрабатывается специальной программой - транслятором. Транслятор переводит исходный текст программы на внутренний язык машины.
7. После ввода программы обычно выясняется, что где-то мы допустили просто синтаксические ошибки, где-то недоработали алгоритм, где-то не хватает исходных данных и т. д. Поэтому теперь начинается следующий этап -  отладка программы, иными словами, устранение ошибок и неточностей, допущенных на предыдущих этапах. Часть ошибок формального характера, допущенных при написании программы, обнаруживает транслятор, производя синтаксический  анализ. Транслятор выявляет ошибки и сообщает о них, указывая их тип и место в программе. Это ошибки времени трансляции или синтаксические ошибки. Программа, не имеющая ошибок времени трансляции и выполнения, может не дать верных  результатов из-за логических ошибок в выбранном алгоритме, т. е. алгоритмических ошибок.

       После того как программа заработала, необходимо проверить ее на правильность работы, используя набор контрольных данных (в тех случаях, где это возможно). Так, например, если мы написали программу для расчета корней квадратного уравнения по заданным коэффициентам, то можем проверить работу программы, вводя такие коэффициенты, для которых предварительно были рассчитаны значения корней или их отсутствие. Это так называемый тестовый этап.

        После тестового этапа (если программа его выдержала), можно применять программу по назначению.

Понятие алгоритма, его свойства. Формы записи алгоритмов 

    Компьютер используется для решения лишь тех  задач, для которых может быть составлен алгоритм.

    Любой алгоритм обладает следующими свойствами: 

      1. Детерминированность (определенность) означает, что набор указаний алгоритма должен быть однозначно понят любым исполнителем. Это свойство определяет однозначность результата работы алгоритма при заданных исходных данных.

      2. Массовость алгоритма предполагает возможность варьирования исходных данных в некоторых пределах. Это свойство определяет пригодность использования алгоритма для решения множества конкретных задач определенного класса.

      3. Результативность алгоритма означает, что для любых допустимых исходных данных он должен через конечное число шагов (или итераций)  завершить свою работу.

      4. Дискретность алгоритма означает возможность разбиения определенного алгоритмического процесса на отдельные элементарные этапы, возможность реализации которых человеком или компьютером не вызывает сомнения, а результат выполнения каждого элементарного этапа вполне определен и понятен.

      Таким образом, алгоритм дает возможность  чисто механически решать любую  конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач. Существует несколько способов описания алгоритмов:

    1. Словесный способ описания алгоритма отражает содержание выполняемых действий средствами естественного языка. К достоинствам этого способа описания следует отнести его общедоступность, а также возможность описывать алгоритм с любой степенью детализации. К главным недостаткам этого способа следует отнести достаточно громоздкое описание, отсутствие строгой формализации вследствие неоднозначности восприятия естественного языка.

      2. Формально-словесный способ описания алгоритма основан на записи содержания выполняемых действий с использованием изобразительных возможностей языка математики, дополненного с целью указания необходимых пояснений средствами естественного языка. Данный способ, обладая всеми достоинствами словесного способа, вместе с тем более лаконичен, а значит, и более нагляден, имеет большую формализацию, однако тоже не является строго формальным.

      3. Графический способ описания алгоритмов представляет собой изображение логико-математической структуры алгоритма, при котором все этапы процесса обработки данных представляются с помощью определенного набора геометрических фигур (блоков), имеющих строго определенную конфигурацию в соответствии с характером выполняемых действий.

      Алгоритмические языки для ПК 

      Алгоритмические языки представляют собой  средства описания данных и алгоритмов решения задач, они разработаны для составления программы пользователем. В настоящее время разработано большое количество языков программирования. Они отличаются друг от друга различными свойствами и областью применения.

      Класс машинно-зависимых языков представлен ассемблером. Язык ассемблера делает доступными все программно-управляемые компоненты компьютера, поэтому он применяется для написания программ, использующих специфику конкретной аппаратуры. Ассемблер – это наиболее трудоемкий язык программирования, и из-за его низкого уровня не удается построить средства отладки, которые существенно снизили бы трудоемкость разработки программ. Программирование на ассемблере требует от программиста детальных знаний технических компонент персонального компьютера. Ассемблер используется в основном для системного программирования.

      К классу машинно-ориентированных языков можно отнести языки группы С, С⁺⁺, Турбо С. Эти языки являются результатом попытки объединить возможности ассемблера со встроенными структурами данных.

      Класс универсальных языков программирования представлен наиболее широко (Бейсик, Фортран, Паскаль и др.).

      Исторически одним из самых распространенных языков стал Бейсик. Он прост в освоении и использовании. Написать на этом языке программу в 20-30 строк и получить результат можно за несколько минут. Для различных типов ПК разработаны различные версии языка Бейсик.

      Паскаль является одним из самых распространенных, хотя он и создавался как учебный. Использование в структуре языка специального кода позволило в 4-5 раз уменьшить длину текста программы и в 4-5 раз увеличить быстродействие программы. Версия Паскаля для ПК – Турбо-Паскаль – характеризуется такими важными особенностями, как полноэкранное редактирование и управление, графика, звуковое сопровождение и развитые связи с DOS. Система программирования на Турбо-Паскале является резидентной программой. Это позволяет пользователю вводить тексты программ и немедленно их выполнять, не тратя времени на компилирование.

      Язык  Кобол был разработан специально для решения экономических задач. Он дает возможность составлять наиболее удобочитаемые программы, которые  понятны и непрограммисту. В обработке  данных сложной структуры Кобол  бывает эффективнее Паскаля.

      Фирмой  IBM в развитие идей Фортрана, Алгола и Кобола был предложен язык PL/1, который получил наибольшее распространение на больших машинах. PL/1 разрабатывался как универсальный язык программирования, поэтому он располагает большим набором средств обработки цифровой и текстовой информации. Однако эти достоинства делают его весьма сложным для обучения и использования.

      Класс проблемно-ориентированных языков программирования представлен языками Лого, РПГ и системой программирования GPSS. Язык Лого был создан с целью обучения школьников основам алгоритмического мышления и программирования. Лого – диалоговый процедурный язык, реализованный на основе интерпретатора с возможностью работы со списками и на их основе с текстами, оснащенными развитыми графическими средствами, которые доступны для детского восприятия. Этот язык реализован в большинстве ПК, применяемых в школах.

      РПГ, или генератор отчетов, представляет собой язык, включающий многие понятия  и выражения, которые связаны  с машинными методами составления  отчетов и проектирования форм выходных документов. Язык используется главным образом для печати отчетов, записанных в одном или нескольких файлах баз данных.

      Система программирования ПЗЫЫ ориентирована  на моделирование систем с помощью  событий. В терминах этого языка легко описывается и исследуется класс моделей массового обслуживания и другие системы, работающие в реальном масштабе времени.

      В последние годы развивается объектно-ориентированный подход к программированию. Наиболее полно он реализован в языках Форт и СМОЛТОК. Форт сочетает в себе свойства операционной системы, интерпретатора и компилятора одновременно. Основной чертой языка является его открытость. Программист может легко добавлять новые операции, типы данных и определения основного языка. Форт позволяет поддерживать многозадачный режим работы, использует принцип одновременного доступа программ.