Μάθημα : Ανάπτυξη Εφαρμογών σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον - Γ ΟΠ3

6.3 Φυσικές και τεχνητές γλώσσες

Φυσικές γλώσσες δημιουργήθηκαν φυσικά με την εξέλιξη του ανθρώπινου είδους και χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων.

Τεχνητές γλώσσες δημιουργούνται τεχνητά και για συγκεκριμένο σκοπό. Οι γλώσσες προγραμματισμού είναι τεχνητές γλώσσες και αναπτύχθηκαν για την επικοινωνία του ανθρώπου και της μηχανής.

Κοινά Χαρακτηριστικά για Τεχνητές - Φυσικές γλώσσες

Οι τεχνητές γλώσσες, ακολουθούν τις βασικές έννοιες και αρχές της γλωσσολογίας, επιστήμη που μελετά τις φυσικές γλώσσες.Μία γλώσσα προσδιορίζεται από:

Διαφορές φυσικών - τεχνητών γλωσσών
Μία βασική διαφορά μεταξύ φυσικών και τεχνητών γλωσσών είναι η δυνατότητα εξέλιξής τους. Οι φυσικές γλώσσες εξελίσσονται συνεχώς με την πάροδο του χρόνου, ακολουθώντας τις ανάγκες στην ανθρώπινη επικοινωνία. Αντίθετα οι τεχνητές γλώσσες χαρακτηρίζονται από στασιμότητα, αφού κατασκευάζονται συνειδητά για ένα συγκεκριμένο σκοπό.
Οι γλώσσες προγραμματισμού με την δημιουργία νεότερων εκδόσεων τους, συχνά βελτιώνονται και μεταβάλλονται από τους δημιουργούς τους, με σκοπό να διορθωθούν αδυναμίες και να καλυφθούν νέες ανάγκες.

6.1 Η έννοια του προγράμματος

Η επίλυση ενός προβλήματος με τον υπολογιστή περιλαμβάνει τρία στάδια:
   1.Προσδιορισμό του προβλήματος.
   2.Ανάπτυξη του αντίστοιχου αλγορίθμου.
   3.Διατύπωση του αλγορίθμου σε κατανοητή μορφή από τον υπολογιστή

Ο Προγραμματισμός ασχολείται με το τρίτο αυτό στάδιο, δηλ. με τη δημιουργία του προγράμματος

Το πρόγραμμα αποτελείται από εντολές που είναι κατανοητές απ΄τον υπολογιστή, ώστε να υλοποιηθεί ο αλγόριθμος. Το πρόγραμμα γράφεται σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού.

Οι γλώσσες προγραμματισμού αναπτύχθηκαν με σκοπό την επικοινωνία του ανθρώπου με τον υπολογιστή. Οι γλώσσες προγραμματισμού είναι "τεχνητές γλώσσες".

Προσοχή:

Το πρόγραμμα δεν είναι απλά η υλοποίηση του αλγορίθμου αλλά βασικό στοιχείο του είναι τα δεδομένα και οι δομές δεδομένων επί των οποίων ενεργεί. Αλγόριθμοι και δομές δεδομένων είναι μια αδιάσπαστη ενότητα.
Ο προγραμματισμός είναι αυτός που δημιουργεί την ψευδαίσθηση ότι οι υπολογιστές είναι έξυπνες μηχανές που επιλύουν τα πολύπλοκα προβλήματα. Ο υπολογιστής είναι μία μηχανή που καταλαβαίνει μόνο δύο καταστάσεις, δύο αριθμούς, το 0 και το 1, τα ψηφία του δυαδικού συστήματος και μπορεί να κάνει είναι στοιχειώδεις ενέργειες (αποθήκευση, ανάκτηση, εκτέλεση αριθμ. πράξεων, σύγκριση) σε ακολουθίες αυτών των δύο ψηφίων, με ασύλληπτη ταχύτητα. 

6.4 Τεχνικές σχεδίασης προγραμμάτων

       1 Ιεραρχική σχεδίαση προγράμματος: Η τεχνική της ιεραρχικής σχεδίασης ή σχεδίασης "από επάνω προς τα κάτω" στοχεύει στη διάσπαση του προβλήματος σε μια σειρά από απλούστερα υποπροβλήματα, τα οποία να είναι εύκολο να επιλυθούν, οδηγώντας στην επίλυση του αρχικού προβλήματος. Για την υποβοήθηση χρησιμοποιούνται διαγραμματικές τεχνικές.  
      2 Τμηματικός προγραμματισμός: Η ιεραρχική σχεδίαση προγράμματος υλοποιείται με τον τμηματικό προγραμματισμό. Μετά την ανάλυση του προβλήματος σε αντίστοιχα υποπροβλήματα, κάθε υποπρόβλημα αποτελεί ανεξάρτητη ενότητα (module), έτσι γράφονται ξεχωριστά αντίστοιχα τμήματα προγράμματος.

       3 Δομημένος προγραμματισμός: Ο δομημένος προγραμματισμός στηρίζεται στη χρήση τριών και μόνο στοιχειωδών λογικών δομών, της ακολουθίας, της επιλογής και της επανάληψης. Όλα τα προγράμματα μπορούν να γραφούν χρησιμοποιώντας μόνο αυτές τις τρεις δομές καθώς και συνδυασμό τους. Κάθε πρόγραμμα όπως και κάθε ενότητα προγράμματος έχει μόνο μία είσοδο και μόνο μία έξοδο. Ο όρος δομημένος προγραμματισμός περιέχει τόσο την ιεραρχική σχεδίαση όσο και τον τμηματικό προγραμματισμό.

Ο δομημένος προγραμματισμός δημιουργήθηκε για να μειώσει τη χρήση της εντολής GOTO, η οποία αλλάζει τη ροή εκτέλεσης προγράμματος. Αντι για σειριακή εκτέλεση, η GOTO διαμορφώνει εκτέλεση με διακλαδώσεις. 

Πλεονεκτήματα δομημένου προγραμματισμού
 - Δημιουργία απλούστερων προγραμμάτων. 

- Περιορισμός των λαθών κατά την ανάπτυξη του προγράμματος.

- Διευκόλυνση στην ανάγνωση και κατανόηση του προγράμματος από τρίτους.

 - Άμεση μεταφορά των αλγορίθμων σε προγράμματα.

 - Διευκόλυνση ανάλυσης του προγράμματος σε τμήματα.

 - Ευκολότερη διόρθωση και συντήρηση.

6.5 Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός:

Η αντικειμενοστραφής σχεδίαση εκλαμβάνει ως πρωτεύοντα δομικά στοιχεία ενός προγράμματος τα δεδομένα, από τα οποία δημιουργούνται με κατάλληλη μορφοποίηση τα αντικείμενα (objects). Αυτή η σχεδίαση αποδείχθηκε ότι αποδίδει καλύτερα,πιο ευέλικτα και επαναχρησιμοποιήσιμα προγράμματα. Ο αντικειμενοστραφής προγραμματισμός χρησιμοποιεί την ιεραρχική σχεδίαση, τον τμηματικό προγραμματισμό και ακολουθεί τις αρχές του δομημένου προγραμματισμού.

Διαφορά αντικειμενούς προγραμματισμού - λοιπών τεχνικών: Η αντικειμενοστραφής σχεδίαση εκλαμβάνει ως πρωτεύοντα δομικά στοιχεία ενός προγράμματος τα δεδομένα, από τα οποία δημιουργούνται με κατάλληλη μορφοποίηση τα αντικείμενα (objects). Οι άλλες τεχνικές εκλαμβάνουν ως δομικά στοιχεία τις ενέργειες που εφαρμόζονται πάνω στα δεδομένα

4.1 Ανάλυση προβλημάτων

Η δημιουργία ενός αλγορίθμου αποσκοπεί στην επίλυση ενός προβλήματος. Ένα πρόβλημα πολλές φορές δεν επιλύεται με μία μόνο λύση αλλά με περισσότερες, οι οποίες έχουν προέλθει από ποικίλες και διαφορετικές προσεγγίσεις, τεχνικές και μεθόδους. Στόχος μας πάντα είναι η πρόταση των πιο έξυπνων/ αποδοτικών λύσεων (αλγορίθμων). Γι'αυτό είναι απαραίτητο να γίνεται μία καλή ανάλυση του κάθε προβλήματος.

Η ανάλυση ενός προβλήματος σε ένα σύγχρονο υπολογιστικό περιβάλλον περιλαμβάνει τα εξης στάδια:
την καταγραφή της υπάρχουσας πληροφορίας για το πρόβλημα,

την αναγνώριση των ιδιαιτεροτήτων του προβλήματος,

την αποτύπωση των συνθηκών και προϋποθέσεων υλοποίησής του

την πρόταση επίλυσης με χρήση κάποιας μεθόδου (σχεδίαση αλγορίθμου)

την τελική επίλυση με χρήση υπολογιστικών συστημάτων (δημιουργία Προγράμματος με βάση τον Αλγόριθμο)

Προσοχή : Δεν υπάρχει ένας ενιαίος κανόνας, μία γενική φόρμουλα για την επίλυση όλων των προβλημάτων!

Υπάρχουν όμως "συγγενή" προβλήματα, δηλαδή προβλήματα που μπορούν να αναλυθούν με παρόμοιο τρόπο και να αντιμετωπισθούν με αντίστοιχες μεθόδους και τεχνικές.

Η ανάλυσης των προβλημάτων μπορεί:

να παρέχει ένα γενικό πρότυπο κατάλληλο για την επίλυση προβλημάτων σε ευρείας κλίμακας,
 να αναπαρασταθεί με κοινές δομές δεδομένων και ελέγχου(που υποστηρίζονται από τις περισσότερες σύγχρονες γλώσσες προγραμματισμού),
παρέχουν τη δυνατότητα καταγραφής των απαιτήσεων της μεθόδου επίλυσης, έτσι ώστε να μπορεί να γίνει επακριβής εκτίμηση των αποτελεσμάτων.

2.1 Τι είναι αλγόριθμος

Αλγόριθμος είναι μια πεπερασμένη σειρά ενεργειών, αυστηρά καθορισμένων και εκτελέσιμων σε πεπερασμένο χρόνο, που στοχεύουν στην επίλυση ενός προβλήματος.

Κριτήρια Αλγορίθμου

Κάθε σειρά ενεργειών απαραίτητα πρέπει να ικανοποιεί 5 κριτήρια ώστε να αποτελεί Αλγόριθμο

2.2 Σπουδαιότητα αλγορίθμων

Η έννοια του αλγορίθμου είναι θεμελιώδης για την επιστήμη της Πληροφορικής. Η Πληροφορική, λοιπόν, μπορεί να ορισθεί ως η επιστήμη που μελετά τους αλγορίθμους από τις ακόλουθες 4 σκοπιές:

2.3 Περιγραφή και αναπαράσταση αλγορίθμων
Τέσσερις είναι οι βασικοί τρόποι αναπαράστασης ενός αλγορίθμου:
    -  Ελεύθερο κείμενο, που αποτελεί τον πιο αδόμητο τρόπο παρουσίασης αλγορίθμου. Πρόβλημα: αποτελεσματικότητα.
    -  Διάγραμμα ροής, που συνιστά έναν πιο γραφικό τρόπο παρουσίασης του αλγορίθμου. Σπανίζει η αποκλειστική τους χρήση.
    -  Φυσική γλώσσα που εκτελείται κατά βήματα. Πρόβλημα: καθοριστικότητα.
    -  Κωδικοποίηση του αλγορίθμου σε ψευδογλώσσα ή γλώσσα προγραμματισμού.

2.4 Βασικές συνιστώσες/εντολές ενός αλγορίθμου (Εισαγωγή)

Για τις βασικές εντολές ενός αλγορίθμου με αναπαράσταση διάγραμμα ροής χρησιμοποιούμε τα εξής σχήματα:

1.1 Η έννοια πρόβλημα
Πρόβλημα: Με τον όρο Πρόβλημα εννοείται μια κατάσταση η οποία χρήζει αντιμετώπισης, απαιτεί λύση, η δε λύση της δεν είναι γνωστή, ούτε προφανής.

1.2 Κατανόηση προβλήματος
Για την αντιμετώπιση κάθε προβλήματος πρέπει προηγουμένως να έχει προηγηθεί η κατανόησή του. Αποτελεί συνάρτηση δύο παραγόντων:
        α. Σωστή διατύπωση εκ μέρους του δημιουργού του,
        β. Σωστή ερμηνεία από αυτόν που θα το επιλύσει.
Δεδομένο: Με τον όρο δεδομένο δηλώνεται οποιοδήποτε στοιχείο μπορεί να γίνει αντιληπτό από έναν τουλάχιστον παρατηρητή με μία από τις πέντε αισθήσεις του.
Πληροφορία: Με τον όρο πληροφορία αναφέρεται οποιοδήποτε γνωσιακό στοιχείο προέρχεται από επεξεργασία δεδομένων.
Επεξεργασία Δεδομένων: Ο όρος επεξεργασία δεδομένων δηλώνει εκείνη τη διαδικασία κατά την οποία ένας “μηχανισμός” (πχ ανθρώπινος εγκέφαλος,Η/Υ) δέχεται δεδομένα, τα επεξεργάζεται σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο τρόπο και αποδίδει πληροφορίες.

Οι απαιτούμενες ενέργειες για την αντιμετώπιση του προβλήματος (όσο αναφορά τα δεδομένα) είναι

Εισοδος: Καταχώριση δεδομένων προβλήματος
Έλεγχος: Τα δεδομένα ελέγχονται ως προς την ορθότητά τους και γίνονται οι απαραίτητες διορθώσεις, αν απαιτείται.
Επεξεργασία :Γίνονται οι απαραίτητοι υπολογισμοί προκειμένου να βρεθούν τα ζητούμενα αποτελέσματα.
Έξοδος: Εξαγωγή αποτελεσμάτων

1.3 Δομή προβλήματος
Δομή προβλήματος: Με τον όρο δομή ενός προβλήματος αναφερόμαστε στα συστατικά του μέρη, στα επιμέρους τμήματα που το αποτελούν καθώς επίσης και στον τρόπο που αυτά τα μέρη συνδέονται μεταξύ τους.                                Η καταγραφή της δομής ενός προβλήματος σημαίνει ότι έχει ήδη αρχίσει η ανάλυση του προβλήματος.             

Ανάλυση προβλήματος: Το αρχικό πρόβλημα αναλύεται σε άλλα απλούστερα (υπό)προβλήματα. Με την σειρά τους τα νέα προβλήματα αναλύονται σε άλλα ακόμη πιο απλά. Η διαδικασία αυτή σταματά όταν τα προβλήματα που προέκυψαν είναι αρκετά απλά και η αντιμετώπιση τους χαρακτηριστεί δυνατή.

Όσο περισσότερο προχωράει η ανάλυση τόσο ελαττώνεται η δυσκολία αντιμετώπισής τους.                                                                                                                                                                               Η ανάλυση του προβλήματος σε απλούστερα, αναδύει τη δομή του προβλήματος.
Η ανάλυση μπορεί να γίνει είτε φραστικά είτε γραφικά.
Διαγραμματική αναπαράσταση: Είναι μία συχνά χρησιμοποιούμενη γραφική απεικόνιση της δομής:
- Το αρχικό πρόβλημα αναπαρίσταται από ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο.
- Κάθε ένα από τα υποπροβλήματα, στα οποία αναλύεται το αρχικό, αναπαρίσταται επίσης από ένα παραλληλόγραμμο.
- Τα παραλληλόγραμμα που αντιστοιχούν στα υποπροβλήματα, σχηματίζονται ένα επίπεδο χαμηλότερα.

1.4 Καθορισμός απαιτήσεων
Καθορισμός απαιτήσεων: Είναι η διαδικασία κατά την οποία πρέπει να κάνουμε:
      α. τον επακριβή προσδιορισμό των δεδομένων που παρέχει το πρόβλημα καθώς και
      β. την λεπτομερειακή καταγραφή των ζητούμενων που αναμένονται σαν αποτελέσματα της επίλυσης.
Τα δεδομένα δεν είναι πάντα εύκολο να διακριθούν. (Σε πολλά προβλήματα τα δεδομένα θα πρέπει να «ανακαλυφθούν»
μέσα στα λεγόμενα).
Στάδια αντιμετώπισης προβλήματος:

   - Κατανόηση (απαιτείται η σωστή και πλήρης αποσαφήνιση των δεδομένων και των ζητούμενων)
   - Ανάλυση (το αρχικό πρόβλημα διασπάται σε επιμέρους απλούστερα προβλήματα)
   - Επίλυση (μέσω της λύσης των επιμέρους προβλημάτων, υλοποιείται η λύση).