1. (Л) Вступ. Предмет і завдання курсу. Алгоритм, блок-схеми, програма, компіляція, інтерпретація¶

Зміст лекції¶

Предмет і завдання курсу
Що таке алгоритм
Властивості алгоритму
Способи запису алгоритмів
Блок-схеми алгоритмів
Базові алгоритмічні структури
Програма та мова програмування
Компіляція та інтерпретація
Як виконується програма на Python
Перша програма

Предмет і завдання курсу¶

Курс присвячений основам програмування на прикладі мови Python.

Головна мета курсу — не «вивчити Python», а навчитися мислити алгоритмічно: розкладати задачу на послідовність простих кроків, які може виконати комп'ютер. Мова програмування — це лише інструмент запису цих кроків.

Завдання курсу:

навчитися формулювати алгоритм розв'язання задачі та записувати його у вигляді блок-схеми;
освоїти базовий синтаксис Python: змінні, типи даних, розгалуження, цикли, функції;
навчитися працювати з колекціями даних (списки, кортежі, множини, словники);
навчитися читати та писати файли, обробляти помилки;
познайомитися з основами об'єктно-орієнтованого програмування;
сформувати навичку самостійно шукати відповіді в документації.

Чому саме Python?

простий і читабельний синтаксис — увага зосереджена на алгоритмі, а не на боротьбі з мовою;
величезна стандартна бібліотека та екосистема пакетів;
одна з найпоширеніших мов у веб-розробці, аналізі даних, автоматизації, машинному навчанні;
кросплатформність — той самий код працює на Linux, macOS та інших системах.

Що таке алгоритм¶

Алгоритм — це скінченна впорядкована послідовність чітко визначених дій, виконання яких приводить до розв'язання поставленої задачі за скінченний час.

Алгоритми оточують нас щодня, навіть поза комп'ютерами:

рецепт приготування страви;
інструкція зі складання меблів;
правила переходу дороги на світлофорі;
алгоритм ділення стовпчиком, який ви вивчали в школі.

Приклад побутового алгоритму — «Приготувати чай»:

Налити воду в чайник.
Увімкнути чайник.
Чекати, доки вода закипить.
Покласти пакетик чаю в чашку.
Налити окріп у чашку.
Чекати 3 хвилини.
Вийняти пакетик.

Зверніть увагу: кроки впорядковані, кожен зрозумілий виконавцю, їх скінченна кількість, і в результаті ми отримуємо чай.

Виконавець алгоритму¶

Алгоритм завжди пишеться для конкретного виконавця. Виконавець має свою систему команд — набір дій, які він розуміє.

Для людини команда «посолити за смаком» зрозуміла. Для комп'ютера — ні: він не має поняття «за смаком». Комп'ютер розуміє лише точні, однозначні команди: додати, порівняти, перемістити значення, перейти до іншої команди.

Головна складність програмування

Комп'ютер робить не те, що ви хотіли, а те, що ви написали. Уся неоднозначність, яку в побутовій мові людина «добудовує» сама, у програмі має бути описана явно.

Властивості алгоритму¶

Властивість	Пояснення	Приклад порушення
Дискретність	Алгоритм складається з окремих завершених кроків	«Розв'яжи задачу» — це не крок, а вся задача
Визначеність (детермінованість)	Кожен крок трактується однозначно; при тих самих вхідних даних результат однаковий	«Додай трохи цукру» — скільки саме?
Скінченність (результативність)	Алгоритм завершується за скінченну кількість кроків і дає результат	«Ділити 1 на 3, доки не поділиться націло» — не завершиться ніколи
Масовість	Алгоритм застосовний до цілого класу однотипних задач, а не до одного набору даних	Алгоритм, що вміє додавати лише 2 і 2
Зрозумілість	Усі команди належать до системи команд виконавця	«Проінтегруй функцію» для калькулятора, що вміє лише +, −, ×, ÷

Приклад: алгоритм Евкліда¶

Класичний алгоритм пошуку найбільшого спільного дільника (НСД) двох натуральних чисел:

Якщо b дорівнює 0 — відповідь a, завершити.
Обчислити остачу r від ділення a на b.
Присвоїти a значення b, а b — значення r.
Повернутися до кроку 1.

Перевіримо властивості: кроки дискретні й однозначні, алгоритм завершується (остача щоразу зменшується), працює для будь-яких натуральних чисел — тобто має масовість.

Способи запису алгоритмів¶

Один і той самий алгоритм можна записати різними способами.

graph LR
    A["Алгоритм"] --> B["Словесний опис"]
    A --> C["Псевдокод"]
    A --> D["Блок-схема"]
    A --> E["Програма<br/>мовою програмування"]

    style D fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000
    style E fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000

1. Словесний опис — звичайною мовою, як приклад із чаєм вище. Зрозумілий людині, але громіздкий і схильний до двозначності.

2. Псевдокод — напівформальний запис, схожий на програму, але без прив'язки до синтаксису конкретної мови:

ПОЧАТОК
    ввести a, b
    ЯКЩО a > b ТО
        вивести a
    ІНАКШЕ
        вивести b
    КІНЕЦЬ ЯКЩО
КІНЕЦЬ

3. Блок-схема — графічне зображення алгоритму. Наочно показує структуру та порядок виконання.

4. Програма — запис алгоритму мовою програмування, придатний для виконання комп'ютером.

Блок-схеми алгоритмів¶

Блок-схема — графічне подання алгоритму, де кожна дія зображується геометричною фігурою певної форми, а порядок виконання — стрілками. Форми блоків стандартизовані (ISO 5807, ДСТУ ISO 5807).

Основні блоки¶

Блок	Форма	Призначення
Термінатор	Овал / заокруглений прямокутник	Початок або кінець алгоритму
Процес	Прямокутник	Обчислення, присвоєння значення
Введення/виведення	Паралелограм	Отримання вхідних даних, виведення результату
Рішення	Ромб	Перевірка умови, розгалуження
Підпрограма	Прямокутник з подвійними бічними лініями	Виклик іншого алгоритму (функції)
З'єднувач	Коло	Розрив і продовження лінії на схемі
Лінія потоку	Стрілка	Порядок виконання блоків

graph TD
    A(["Термінатор: початок / кінець"]) --> B[/"Введення / виведення даних"/]
    B --> C["Процес: обчислення"]
    C --> D{"Рішення: умова?"}
    D -->|так| E["Дія 1"]
    D -->|ні| F["Дія 2"]

    style A fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000
    style B fill:#339af0,stroke:#333,color:#fff
    style C fill:#e9ecef,stroke:#333,color:#000
    style D fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000

Правила побудови блок-схем¶

Схема має рівно один блок «початок» і щонайменше один блок «кінець».
Кожен блок, окрім термінаторів, має один вхід; блок «рішення» має один вхід і два виходи (так / ні).
Лінії потоку не перетинаються без потреби; стандартний напрямок — згори вниз і зліва направо.
Гілки розгалуження обов'язково підписуються.
Текст усередині блоку — короткий і однозначний.

Приклад 1: найбільше з двох чисел¶

graph TD
    S(["Початок"]) --> IN[/"Ввести a, b"/]
    IN --> Q{"a > b ?"}
    Q -->|так| M1["max = a"]
    Q -->|ні| M2["max = b"]
    M1 --> OUT[/"Вивести max"/]
    M2 --> OUT
    OUT --> E(["Кінець"])

    style S fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000
    style E fill:#ff6b6b,stroke:#333,color:#fff
    style Q fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000

Той самий алгоритм мовою Python:

a = int(input("a = "))
b = int(input("b = "))

if a > b:
    biggest = a
else:
    biggest = b

print("max =", biggest)

Приклад 2: сума чисел від 1 до N¶

graph TD
    S(["Початок"]) --> IN[/"Ввести n"/]
    IN --> INIT["total = 0<br/>i = 1"]
    INIT --> Q{"i <= n ?"}
    Q -->|так| ADD["total = total + i"]
    ADD --> INC["i = i + 1"]
    INC --> Q
    Q -->|ні| OUT[/"Вивести total"/]
    OUT --> E(["Кінець"])

    style S fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000
    style E fill:#ff6b6b,stroke:#333,color:#fff
    style Q fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000

n = int(input("n = "))

total = 0
i = 1
while i <= n:
    total = total + i
    i = i + 1

print("total =", total)

Приклад 3: алгоритм Евкліда¶

graph TD
    S(["Початок"]) --> IN[/"Ввести a, b"/]
    IN --> Q{"b = 0 ?"}
    Q -->|ні| R["r = остача a / b"]
    R --> SW["a = b<br/>b = r"]
    SW --> Q
    Q -->|так| OUT[/"Вивести a"/]
    OUT --> E(["Кінець"])

    style S fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000
    style E fill:#ff6b6b,stroke:#333,color:#fff
    style Q fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000

a = int(input("a = "))
b = int(input("b = "))

while b != 0:
    r = a % b  # остача від ділення
    a = b
    b = r

print("gcd =", a)

Базові алгоритмічні структури¶

Доведено (теорема Бома — Якопіні), що будь-який алгоритм можна побудувати з трьох базових структур.

graph LR
    subgraph "Слідування"
        A1["Дія 1"] --> A2["Дія 2"] --> A3["Дія 3"]
    end
    subgraph "Розгалуження"
        B1{"умова?"} -->|так| B2["Дія A"]
        B1 -->|ні| B3["Дія B"]
    end
    subgraph "Повторення"
        C1{"умова?"} -->|так| C2["Тіло циклу"]
        C2 --> C1
    end

Структура	Суть	Конструкція Python
Слідування	Дії виконуються послідовно, одна за одною	Рядки коду підряд
Розгалуження	Виконується одна з гілок залежно від умови	`if` / `elif` / `else`
Повторення (цикл)	Дія повторюється, доки виконується умова	`while`, `for`

Саме тому в програмуванні немає потреби в операторі безумовного переходу (goto) — трьох структур достатньо, а код із ними залишається читабельним.

Програма та мова програмування¶

Програма — це алгоритм, записаний мовою програмування, тобто у формі, придатній для виконання комп'ютером.

Мова програмування — формальна мова з чітко визначеними правилами:

синтаксис — правила запису конструкцій (де ставити двокрапку, дужки, відступи);
семантика — значення цих конструкцій (що саме робить while).

Порушення синтаксису робить програму невиконуваною — комп'ютер просто не зрозуміє запис. Порушення семантики («написав не те, що мав на увазі») дає програму, яка працює, але неправильно. Перше знаходить комп'ютер, друге — доводиться шукати вам.

Рівні мов програмування¶

graph TD
    H["Мови високого рівня<br/>Python, Java, C#, JavaScript"] --> M["Мови середнього рівня<br/>C, C++, Rust"]
    M --> L["Асемблер<br/>мнемоніки машинних команд"]
    L --> B["Машинний код<br/>двійкові інструкції процесора"]

    style H fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000
    style B fill:#495057,stroke:#333,color:#fff

Процесор виконує лише машинний код — послідовність двійкових інструкцій. Людині писати такий код украй незручно, тому програму пишуть мовою високого рівня, а спеціальна програма перетворює її на машинний код. Способів такого перетворення два: компіляція та інтерпретація.

Компіляція та інтерпретація¶

Компіляція¶

Компілятор — програма, яка повністю перекладає вихідний код у машинний код цільової платформи, створюючи виконуваний файл. Після цього програму можна запускати скільки завгодно разів без компілятора.

graph LR
    SRC["Вихідний код<br/>program.c"] --> C["Компілятор"]
    C --> EXE["Виконуваний файл<br/>program"]
    EXE --> CPU["Процесор"]

    style C fill:#339af0,stroke:#333,color:#fff
    style EXE fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000

Приклади компільованих мов: C, C++, Rust, Go.

Інтерпретація¶

Інтерпретатор — програма, яка читає вихідний код і виконує його покроково, конструкція за конструкцією, не створюючи окремого виконуваного файлу. Щоб запустити програму, інтерпретатор потрібен щоразу.

graph LR
    SRC["Вихідний код<br/>program.py"] --> I["Інтерпретатор"]
    I --> CPU["Процесор"]

    style I fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000

Приклади інтерпретованих мов: Python, JavaScript, Ruby, PHP.

Порівняння¶

Критерій	Компіляція	Інтерпретація
Коли перекладається код	Один раз, до запуску	Під час кожного запуску
Швидкість виконання	Висока	Нижча (накладні витрати інтерпретатора)
Виявлення помилок синтаксису	До запуску, у всьому файлі	Під час виконання, коли дійшло до рядка
Кросплатформність	Потрібна окрема збірка для кожної платформи	Той самий код працює всюди, де є інтерпретатор
Швидкість розробки	Нижча (цикл «змінив — зібрав — запустив»)	Вища (змінив — запустив)
Потреба в інструменті у користувача	Ні, достатньо готового файлу	Так, потрібен інтерпретатор

Це не властивість мови

Строго кажучи, компільованою чи інтерпретованою є не мова, а її реалізація. Існують інтерпретатори C і компілятори Python. Просто для кожної мови історично склалася найпоширеніша реалізація.

Як виконується програма на Python¶

Python поєднує обидва підходи. Стандартна реалізація (CPython) спочатку компілює вихідний код у проміжне подання — байткод, а потім інтерпретує цей байткод на віртуальній машині Python (PVM).

graph TD
    SRC["Вихідний код<br/>program.py"] --> COMP["Компілятор Python"]
    COMP --> BC["Байткод<br/>__pycache__/program.cpython-XX.pyc"]
    BC --> PVM["Віртуальна машина Python (PVM)<br/>інтерпретатор байткоду"]
    PVM --> CPU["Процесор"]

    style COMP fill:#339af0,stroke:#333,color:#fff
    style BC fill:#ffd43b,stroke:#333,color:#000
    style PVM fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000

Навіщо байткод? Це компроміс: розбір тексту програми (найповільніша частина) виконується один раз, а результат кешується в каталозі __pycache__. При наступному запуску, якщо файл не змінювався, Python одразу бере готовий байткод.

Байткод не залежить від операційної системи — залежить лише віртуальна машина. Саме тому один і той самий .py файл працює на різних платформах.

Подивитися байткод (додатково)

Стандартний модуль dis показує, у які інструкції перетворюється код:

import dis


def add(a, b):
    return a + b


dis.dis(add)

У виведенні ви побачите інструкції віртуальної машини: завантажити значення a, завантажити b, виконати додавання, повернути результат. Це і є той рівень, на якому «мислить» PVM.

Реалізації Python¶

Реалізація	Особливість
CPython	Еталонна реалізація мовою C, саме її ви завантажуєте з python.org
PyPy	Використовує JIT-компіляцію, часто працює значно швидше
Jython	Компілює в байткод Java, працює на JVM
MicroPython	Полегшена версія для мікроконтролерів

У цьому курсі ми працюємо з CPython — коли говоримо «Python», маємо на увазі саме його.

Перша програма¶

Створіть файл hello.py з таким вмістом:

print("Hello, world!")

Запуск у терміналі:

python3 hello.py

Виведення:

Hello, world!

Тут print — вбудована функція виведення тексту, а рядок у лапках — її аргумент. Компілятор Python перетворив цей рядок на байткод, а віртуальна машина його виконала.

Трохи змістовніший приклад — програма, що реалізує наш перший алгоритм (найбільше з двох чисел):

# Program: find the largest of two numbers
a = int(input("a = "))
b = int(input("b = "))

if a > b:
    biggest = a
else:
    biggest = b

print("The largest number is", biggest)

Приклад роботи:

a = 12
b = 47
The largest number is 47

Функція input() зчитує рядок з клавіатури, а int() перетворює цей рядок на ціле число. Детально ми розберемо їх на наступних заняттях.

Головна порада курсу

Не переходьте до написання коду, доки не сформулювали алгоритм. Спочатку — кроки на папері або блок-схема, потім — код. Це виглядає повільніше, але економить години налагодження.

Корисні посилання¶

Домашнє завдання¶

Встановити Python 3 та переконатися, що команда python3 --version виводить версію.
Створити та запустити файл hello.py з програмою виведення тексту.
Скласти блок-схему алгоритму для однієї з задач:
- визначити, чи є введене число парним;
- обчислити добуток чисел від 1 до N (факторіал);
- визначити найменше з трьох введених чисел.
Прочитати розділ An Informal Introduction to Python.

Знайшли помилку чи бажаєте додати інформацію, щоб покращити курс? Створіть issue на GitHub