科学计算与程序设计
计算机程序设计
计算机程序设计计算机程序设计什么是计算机程序设计计算机程序设计是指编写计算机程序的过程。
计算机程序是一组指示计算机执行特定任务的指令集合。
计算机程序设计可以用不同的编程语言来实现，如C、C++、Java、Python等。
计算机程序设计不仅包括理解问题、设计算法的能力，还包括如何使用特定编程语言实现算法的技巧。
计算机程序设计的重要性计算机程序设计是现代计算机科学的核心领域之一，它在各个行业和领域都起着至关重要的作用。
一个好的计算机程序可以提高工作效率，实现自动化操作，提升数据处理能力，并且可以减少因人为因素引起的错误。
，计算机程序设计也是培养逻辑思维、解决问题的能力的重要途径。
计算机程序设计的基本原则模块化模块化是指将复杂的问题分解为多个相对独立的模块，每个模块实现一个特定的功能。
通过模块化设计，可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性。
模块化设计的关键是要定义清晰的接口，使得不同模块之间可以互相协作。
抽象化抽象化是指忽略细节，只关注问题的核心概念和关键特性。
通过抽象化，可以将复杂的问题简化为易于理解和实现的抽象模型。
抽象化可以使得程序更加灵活和可扩展，并且可以提高代码的可读性和可维护性。
分治法分治法是一种将问题分解为更小的子问题，并分别解决这些子问题的方法。
分治法可以降低问题的复杂度，并提高算法的效率。
分治法的关键是要找到合适的的划分方式，使得子问题之间相互独立。
动态规划动态规划是一种通过将问题分解为多个重叠子问题，并将子问题的解保存起来以避免重复计算的方法。
动态规划可以大大提高算法的效率。
动态规划的关键是要确定好子问题的定义和递推关系。
计算机程序设计的步骤1. 理解问题：要对问题进行深入的理解，明确问题的输入、输出以及各个环节的处理过程。
2. 设计算法：根据问题的需求和约束条件，设计合适的算法来解决问题。
算法应该具有高效性、正确性和可读性。
3. 编写代码：使用所选编程语言将算法转化为具体的代码。
基于Fortran的科学计算程序设计与优化
基于Fortran的科学计算程序设计与优化Fortran（Formula Translation的缩写）是一种面向科学计算和工程计算的高级编程语言，由IBM公司于上世纪50年代开发而成。
作为一种古老而经典的编程语言，Fortran在科学计算领域一直扮演着重要的角色。
本文将介绍基于Fortran的科学计算程序设计与优化，探讨如何利用Fortran语言编写高效、可靠的科学计算程序，并对程序进行优化，以提高计算效率和性能。
1. Fortran语言概述Fortran是一种面向数值计算的编程语言，具有良好的数学运算能力和科学计算支持。
Fortran语言以其简洁、高效的特点被广泛应用于科学计算、工程计算、气象学、地球物理学等领域。
Fortran具有丰富的数学函数库和并行计算支持，适合于解决复杂的数值计算问题。
2. 科学计算程序设计基础在进行科学计算程序设计时，首先需要明确问题的数学模型和计算方法。
然后根据问题的特点选择合适的数据结构和算法，设计程序结构并用Fortran语言实现。
在程序设计过程中，需要注意代码的可读性和可维护性，避免出现歧义和错误。
3. Fortran程序优化技术3.1 循环优化循环是科学计算程序中最常见的结构之一，循环的效率直接影响程序的性能。
在Fortran中，可以通过循环展开、循环重排、循环分块等技术对循环进行优化，减少循环次数和提高数据访问效率。
3.2 向量化优化向量化是利用SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令集对代码进行优化，实现多个数据元素同时进行相同操作。
在Fortran 中，可以通过使用向量数据类型和编译器指令实现向量化优化，提高程序运行速度。
3.3 并行优化并行计算是提高科学计算程序性能的有效手段之一。
Fortran语言支持OpenMP和MPI等并行编程模型，在多核处理器和集群系统上实现程序并行化，充分利用硬件资源提高计算效率。
3.4 内存优化内存访问是影响程序性能的关键因素之一。
大学计算机：关于计算、算法与程序设计习题与答案
一、单选题1.如果n是需要计算的规模，以下的算法复杂度描述中，复杂度最优的是（）。
A. nB. n！C.√nD. n2正确答案：C2.以下不属于算法特征的是（）。
A.有效性B.确定性C.可读性D.有穷性正确答案：C3.以下关于递归算法的说法，错误的是（）。
A.递归算法可以转化为非递归算法。
B.递归算法的本质是分解法，将大问题分解为小问题，逐次减少问题的规模，从而得到求解结果。
C.递归算法是一个运算最快的算法D.递归算法非常简洁，但有些程序设计语言不支持递归算法。
正确答案：C4.程序设计一般包含以下四个步骤，其中首先应该完成的是（）。
A.建立数学模型B.调试运行程序C.设计数据结构和算法D.编写程序正确答案：A5.三大科学思维不包括（）。
A.实验思维B.计算思维C.理论思维D.经验思维正确答案：D6.影响算法设计的因素不包括（）。
A.计算环境B.算法复杂性C.编程语言D.算法优化正确答案：C二、多选题1.以下可以用于并行计算的资源包括（）。
A.多核CPUB.多CPUC.GPUD.多计算机正确答案：A、B、C、D2.算法的描述方法包括（）。
A.流程图B.程序代码C.自然语言D.伪代码正确答案：A、B、C、D二、判断题1.计算思维部分来源于计算机科学。
（）正确答案：×2.计算的本质是构建在一套公理体系上的、不断向上演化的规则。
（）正确答案：×3.多项式复杂度的算法是复杂度比较高的算法。
（）正确答案：√4.编译型的计算机语言处理系统可以生成可执行文件，之后程序的执行将不依赖源程序。
（）正确答案：√。
1、了解计算思维与程序设计2、认识程序的三种基本结构
等都作为运算符处理。数据结构丰富，C 的数据类型有整型、实型、字符型、数组类型、 指针类型、结构体类型、共用体类型等，能实现各种复杂数据类型的运算。并引入了指针 的概念，使程序效率更高。
4）编程效率高、应用范围广 C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作；C 语言程序生成代码 质量高，程序执行效率高；C 语言适用范围大，可移植性好。
c=2*PI*r;
s=PI*r*r; printf("circum=%f\n",c); printf("area=%f\n",s); C 程序结构说明：
（1）C 源程序 用 C 语言编写的程序称为 C 语言源程序（Source Program），C 语言源程序文件的后 缀为“.c”。 （2）C 函数(Function) 函数是构成 C 源程序的基本单位。一个函数由函数首部（Head）和函数体(Body)两 部分组成。 （3）主函数(main) 任何一个 C 程序中有且只能有一个 main 函数，也称为主函数。C 程序总是从主函数 开始执行，并且结束于主函数。 （4）语句和输出语句 C 语句以分号(;)作为结束标志。 printf(“...\n”);是一个输出语句。实现程序的输出。 （5）头文件包含与标准库函数 #include <stdio.h>是一个头文件包含命令。 （6）注释 “/*……*/”是注释符号，必须成对出现。两者之间的所有字符（可以是多行）均为注 释文字。注释增加程序的可读性，不作为程序代码运行。 （7）C 语言程序严格区分大、小写英文字母。 （8）输入函数
c语言程序设计在生活中的应用
随着计算机技术的发展，C语言作为一种广泛应用的计算机编程语言，在生活中的应用也越来越广泛。
C语言程序设计不仅在计算机科学领域有着重要地位，也在生活中的各个方面发挥着重要作用，下面将从以下几个方面介绍C语言程序设计在生活中的应用。
一、硬件控制C语言可以对硬件进行直接控制，通过编写C语言程序实现对硬件的控制。
通过C语言编程可以实现对家用电器、汽车电子系统、工业机械等设备的控制。
这些设备中有许多都是由微处理器或微控制器来控制运行的，而C语言与这些处理器的指令集非常相似，因此可以通过C语言来编写控制程序，实现对硬件设备的精准控制。
二、嵌入式系统开发嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，通常被嵌入到需要控制或监控的系统中，如手机、家电、汽车等。
C语言是嵌入式系统开发的主要语言之一，可以用于编写控制程序和驱动程序，实现对嵌入式系统的控制和管理。
许多嵌入式系统的软件开发都是通过C语言来完成的，因此C语言在嵌入式系统开发中有着广泛的应用。
三、操作系统和网络编程C语言是操作系统和网络编程的主要编程语言之一。
操作系统是计算机系统的核心软件，而网络编程则是构建计算机网络的重要组成部分。
C语言可以直接操作内存和硬件资源，适合编写操作系统的底层程序，同时C语言也提供了丰富的网络编程库，能够方便地实现网络通信功能。
许多知名的操作系统和网络软件，如Linux操作系统、TCP/IP协议栈等，都是通过C语言来实现的。
四、科学计算和系统工程在科学计算和系统工程领域，C语言被广泛应用于数值计算、模拟仿真、数据处理等方面。
C语言提供了丰富的数据类型和运算符，能够高效地进行数学计算和数据处理，因此在科学计算和系统工程中有着重要的地位。
许多工程仿真软件、控制系统设计软件等都是通过C语言来实现的。
五、游戏开发C语言在游戏开发中也有着重要的应用。
许多游戏引擎和游戏开发工具都是通过C语言来实现的，而且许多游戏的核心代码也是通过C语言来编写的。
C语言的高效性和灵活性使其成为游戏开发的理想选择，许多知名的游戏，如《魔兽世界》、《使命召唤》等，都是通过C语言来开发的。
计算机算法与程序设计
计算机算法与程序设计计算机算法与程序设计是计算机科学领域中的核心课程之一，它不仅涵盖了算法的基本概念、设计方法和分析技巧，还包括了程序设计的基本思想和实现技术。
本文将从以下几个方面对计算机算法与程序设计进行概述：算法的定义与重要性、算法的设计原则、程序设计语言的选择、算法的实现与优化、以及算法与程序设计的未来发展。
算法的定义与重要性算法是解决特定问题的一系列有序步骤。
它不仅需要正确性，还需考虑效率性，包括时间复杂度和空间复杂度。
在计算机科学中，算法的重要性体现在以下几个方面：- 解决问题的通用性：算法提供了一种通用的解决问题的方法，适用于各种类型的计算任务。
- 提高程序性能：通过优化算法，可以显著提高程序的执行效率，减少资源消耗。
- 促进理论发展：算法的研究推动了计算机科学理论的发展，如计算复杂性理论。
算法的设计原则设计算法时，应遵循以下原则：- 明确性：算法的步骤应清晰明确，易于理解和实现。
- 正确性：算法应保证在所有合法输入下都能得到正确的结果。
- 效率性：算法应尽可能减少计算量，提高执行速度。
- 通用性：算法应具有广泛的适用性，能够解决一类问题，而非特定问题。
程序设计语言的选择程序设计语言是实现算法的工具。
选择适合的编程语言对算法的实现至关重要。
不同的编程语言具有不同的特点：- 高级语言：如Java、Python等，易于学习，具有丰富的库支持，适合快速开发。
- 低级语言：如C、C++等，提供更多的控制能力，适合性能敏感的应用。
- 特定领域语言：针对特定问题领域设计的编程语言，如SQL用于数据库操作。
算法的实现与优化算法的实现是将算法逻辑转化为计算机可执行的代码。
实现过程中应注意：- 代码的可读性：编写清晰、易于理解的代码，便于维护和扩展。
- 数据结构的选择：合适的数据结构可以提高算法的效率。
- 算法的优化：通过分析算法的性能瓶颈，进行优化以提高效率。
算法与程序设计的未来发展随着计算机科学的发展，算法与程序设计也在不断进步：- 并行计算：利用多核处理器和分布式计算资源，提高算法的执行速度。
计算机科学与技术学科专业综合包括程序设计数据库系统
计算机科学与技术学科专业综合包括程序设计数据库系
统
首先，程序设计是计算机科学与技术学科中的基础课程之一、程序设
计是计算机科学与技术学科的核心内容，它是学生开始接触计算机编程的
第一步。
通过程序设计的学习，学生可以了解计算机的基本原理和工作方式，学习使用编程语言进行程序开发。
程序设计涉及到算法和数据结构的
学习，让学生能够掌握解决实际问题的编程方法和技巧。
程序设计还能培
养学生的逻辑思维能力和创新能力，提高问题分析和解决问题的能力。
其次，数据库系统是计算机科学与技术学科中的重点课程之一、数据
库系统在计算机科学与技术学科中占据重要的地位，数据库的建立和管理
是现代计算机应用的基础。
通过数据库系统的学习，学生可以了解数据库
的基本概念、原理和技术，学习数据库的设计、开发和管理方法。
数据库
系统的学习还能提高学生的数据处理和管理能力，让学生能够高效地组织
和管理大量的数据，为企业和组织提供高效的数据查询和分析功能。
综上所述，程序设计和数据库系统是计算机科学与技术学科中两个重
要的学习内容。
程序设计培养学生的编程能力、逻辑思维能力和创新能力，让学生能够解决实际问题；数据库系统培养学生的数据处理和管理能力，
为企业和组织提供高效的数据查询和分析功能。
程序设计和数据库系统的
学习相互补充，共同培养学生的计算机科学与技术素养，提高他们的综合
能力和就业竞争力。
因此，在计算机科学与技术学科中，加强程序设计和
数据库系统的学习是非常有必要的。
C语言程序设计循环结构之科学计算
5.9 循环应用举例
X0代表前一次的近似根， x代表后一次的近似根。
#include <stdio.h> 求出一个x后，把它的
例3：编写程序，用
#include <math.h> 值赋给x0，然后用x0求
main() Newton迭代法求方程 {
下一个x。
f(x)=2x+cosx-2.6=0
float x,x0,f,f1; x=2; /*迭代初值自选*/
n个数，相对来说，梯形法的精度比矩形法的要高一些。
5.9 循环应用举例
4.用矩形法求一元函数在某区间上的积分近似值s
初始算法：初始化积分区间（a，b），如果把积分区间划分为 100个格，则每个区间的宽度h=fabs(a-b)/100；
5.9 循环应用举例
【例5_34】 ：编写程 序，用矩形法求一元函 数f(x)=x*x在区间[0，1] 上的积分近似值S。 （课本P103）
在某区间上的近似实根r
4.用矩形法求一元函数在某区间上的积分近似值S
5.用梯形法求一元函数在某区间上的积分近似值S
6.加密、解密算法
所谓非线性方程，就是因变量与自变量 之间的关系不是线性的关系，这类方程 很多，例如平方关系、对数关系、指数 关系、三角函数关系等等。
5.9 循环应用举例
1.用普通迭代法求方程的近似实根r
main()
{
double x,y=0,h,a=0,b=3.1416/6,s;
int i,n=15;
h=fabs(a-b)/n;
for(i=1;i<=n;i++)
{
x=a+(i-1)*h;
y=y+sqrt(4-sin(x)*sin(x));
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• 编译过程
编译运行
– 程序员（Programmer）编写程序源代码（Source Code）
– 编译器（Compiler）把源代码转换为可被计算机理解的 机器代码（Machine Code），并把机器代码以可执行 文件（Executable File）的形式保存在磁盘上
• 软件的运行
– 计算机把机器代码读入到内存（Memory），由CPU运 行这些代码，读取输入（Input），产生输出 （Output），完成程序员预定的功能
• 系统语言 主要代表：C语言，用于开发UNIX操作系统。
程序设计语言举例
机器语言 汇编语言 BASIC语言 Fortran90语言
• 计算1+1
机器语言
10111000 00000001 00000000 00000101 00000001 00000000
汇编语言
MOV AX, 1
10111000 00000001 00000000
其的构成
程序 语句
子，
词
词、常量、
变量、函数
程序设计语言四个飞跃 3.第三次飞跃：由80年代初期的面
4向21..第第四二一次次飞飞跃 跃：：2从01世9纪4697到0年 19代56的出年现 10过年程的程序设计，跨越到80年代 Jav的a 结构化程序设计语言Ada、C 言的、于的面的P出向时ro现对间lo标象，g、志编计P着程算a单，机sc机出语al语现言、言了从Sm向最Ca+网初l+lT络的、al语基k M 。的二L、跨进越制，的出语现言了发第展四到次可飞以跃编。译的 语 Perl、Postscript等与自然更接 近言的。
科学计算与程序设计
科学流程
实际
预期
发现问题
科学计算与程序设计
解决问题 发表新知 解决问题 发表新知 生成预期
举例
• 参考教材
– 《Fortran 77结构化程序设计》谭浩强,清华大学出版社 – 《Fortran 95程序设计》彭国伦，中国电力出版社 – 《IDL可视化工具入门与提高》闫殿武，机械工业出版社，2003
• 教学目标
– 掌握编程方法和技巧，拓展程序设计的思路，提高学生计算机的 使用能力，服务于后续的科研工作
• 教学内容和课时安排（50+20） –Fortran 90/95程序设计 （30+12）
结构化程序设计 （16+6） 面向对象程序设计 （8+4） 并行程序设计 （6+2）
–IDL 程序设计（20+8）
基本语法和编程基础 （12+4） 图形显示输出（6+2） 读写数据 （2+2）
成绩考核
• 基本原则：少负担，多收获，好成绩 • 平时作业：基本没有 • 上机实验：内容充实，富有价值 • 上机考试：70%，5次平均 • 书面考试：30%，闭卷，6月13日（预）
第1章 Fortran 语言概 述
3. 在计算领域，即程序设计语言。
语言的种类
• 自然语言(Natural Language) 诸如：汉语、英语、法语、俄语、日语... ...
• 人工语言（Artificial Language） 诸如：旗语、哑语……
• 程序设计语言（Programming Language） C语言、BASIC语言、FORTRAN语言…
编译语言
• 一种编译语言对应一种编译器 • 程序员按照该语言的语法编写程序源代码，把自己的意图融
入到代码中 • 编译器读入源代码，把程序员的意图转换成可执行程序，供
他人使用
for语 言
编译器 可执行程序
解释运行
• 解释运行过程
– 程序员编写程序源代码 – 解释器读入源代码，并执行源代码
• 解释运行的语言特点
– 执行速度慢 – 好学易用
• 先编译、后解释
– 把源代码编译成更容易解释的中间代码，然后再解释运行
FORTRAN语言的发展历史
FORTRAN语言是最早出现的计算机高级语言，主要用于 科学和工程计算。FORTRAN是FORmula TRANslation （公式翻译），由美国人John Backus提出，1956年开始正 式使用。
什么是语言？
在长期的历史发展过程中，人类为了交流思想、表达感情、 交换信息，逐步发明了语言。在不同的地理环境、历史条 件和应用背景下生成了不同的语言形式。
语言的作用
1. 描述作用、交流作用和标志作用（软件语言可作为计算技 术发展的里程碑标志）
2. 语言是人类生活的必要工具，不同的语言被使用于不同的 领域和方面
ADD AX, 1
00000101 00000001 00000000
BASIC语言
PRINT 1+1
Fortran90语言
Program main Implicit none Print*, 1+1 end
计算机基本工作过程
• 整个过程的执行者是硬件，但硬件是受软件控制的 • 编程，就是编写软件，使硬件按照人的意图工作
任何用于描述算法和数据结构的一套符号系统均可称为程序 设计语言。
自然语言的缺点
自然语言具有歧义性。即相同的一句话，在不同的场合、 用不同的语气表达回有完全不同的意义。
例如：他才来，许多人还不认识。 三个学校的校长参加座谈。 几个工厂的工人。 学生的天职是读好书。
程序设计语言的特点
• 与自然语言尽量相似、相同。符合人类的思维方式。 • 不能具有歧义性。否则，会需要很多的注解来解释
语言，出现了第三个飞跃 。
程序设计语言的侧重面
• 基于数字计算的语言
主要代表：FORTRAN是为IBM704量身定做的主要面向数学计算。
• 商业语言
主要代表：1960年在美国国防部的主持下开发的COBOL语言。
• 人工智能语言
主要代表：麻省理工学院为IBM 704设计了LISP语言；Prologe则是 面向特殊用途的语言。
两个典型的版本 FORTRANⅡ 1958年 FORTRANⅣ 1962年
1966年美国标准化协会(ANSI)以 FORTRAN Ⅳ为基础，制定了美国国家 标准文本，即FORTRAN66。
1972年国际标准化组织（ISO）宣布 将FORTRAN66作为ISO的FORTRAN 标准文本。
ANSI于1976年提出了FORTRAN66 的修订文本，并于1978年正式公布新 的国家标准，即FORTRAN77。