计算机程序设计艺术(第I卷)(续1)

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    步骤E3中的箭头←是最重要的替代运算(有时叫做赋值或代换)。“m←n”意思是变量m的值代之以变量n的当前值。当算法E开始时,m和n的值是原来给出的数;但当它结束时,一般说来,这些变量将有不同的值。箭号用来把替代运算同相等关系加以区别:我们将不说“置m=n”,但也许我们将要问“是否m=n?”“=”号标记一个可被测试的条件,“←”号标记一个可被执行的动作。n增1的运算通过“n←n+1”来标记(读作以n+1代替n)。一般说来,“变量←式子”意味着用出现于式子内的所有变量的当前值来计算式子,并将结果代替箭头左边的变量的原先值。不熟悉计算机工作的人们有时有这样的倾向,即用“n→n+1”来标记n增1的运算,说是“n变成n+1”,这只能导致混乱,因为它同标准的约定正相冲突,因此我们应加以避免。
    注意,步骤E3中的动作的次序是重要的。“置m←n,n←r”完全不同于“置n←r,m←n”。因为后者意味着,在用n的值来置m之前,n的原先值已经失去了。因此,后一次序等价于“置n←r,m←r”。当若干个变量全都置成等于相同的量时,我们使用多重的箭头;于是,“n←r,m←r”可以写成“n←m←r”。两个变量的值相互交换,我们可以写成“交换m〈—〉n”;这一动作也可通过使用一个新变量t,并写“置t←m,m←n,n←t”来确定。
    除非另有说明,一个算法总是在编号最小的步骤处,通常是在步骤1处开始,并且顺序逐步执行之。在步骤E3中,强制的“返回步骤E1”以一种明显的方式说明了进行计算的次序。在步骤E2中,以条件“若r=0”作为动作进行的前提条件;所以,如果r≠0,就不应用该句子的剩下的话。虽然这里并未说明动作,但我们总是理解成:可以加上不言而喻的句子“如果r≠0,进行步骤E3”。
    粗竖线■,出现于步骤E3的末尾,用来表示算法已结束而正文将继续。
    至此,我们实际上讨论了用于本书的算法中的所有记号的约定,剩下只需要来约定一个用来表示一个有序数组的元素的“带下标的”或“带足标的”项的记号了。假设我们有n个量ν1,ν2,…,νn;对于第j个元素νj,我们经常使用记号ν〔j〕来代替。类似地,对于双下标的记号如αij,有时更愿意使用α〔i,j〕。有时,变量用多个字母的名称,并把这些字母都写成大写的。例如,TEMP可以是一个用于暂时地保存一个计算的值的变量的名称,PRIME〔K〕可以表示第K个质数,等等。
    关于算法的形式就谈这么多;现在让我们来实现一个算法看一看。应当立即指出,读者不要期望象读一篇小说那样来读一个算法。如果是抱着这样的企图的话,那他就会很难理解文中正在叙述的内容。一个算法应该是可以信赖的,而且学习一个算法直到彻底掌握的最好方法是反复进行试验。当读者遇到一个算法时,应立即拿起笔和纸,找出这个算法的一个例子;通常要给出这个例子的要点,要不然就是读者能容易地把它想象出来。为了能够理解一个给定的算法,这是一个简单且省力的方法,经验证明,其它的途径都是不成功的。
    因此,让我们找出算法E的一个例子。假设我们给出m=119和n=544。让我们准备好由步骤E1开始(读者现在就要象我们在下边一步一步叙述的那样来遵循这个算法)。在这种情况下,以n除m是十分简单的。简直是太简单了,因为商是0,而余数是119。于是r←119。我们进行到步骤E2,而且由于r≠0,步骤E2不发生作用。在步骤E3,我们置m←544,n←119。显然,如果原来m<n,步骤E1中的商数总为0,而算法总是首先以这样比较麻烦的方式来相互交换m和n。如果愿意,我们可以增加一个新的步骤:“E0〔保证m≥n〕如果m<n,交换m〈—〉n。”这样一来,在算法中并无实质性的改动,只是增加了算法的长度,但却大约有一半的情况减少了用来实现算法所需的时间。
    返回到步骤E1,我们发现544/119=4又68/119。所以r←68。步骤E2再一次不能用。而且在步骤E3,我们置m←119,n←68。下一轮置r←51,而且最终m←68,n←51。然后,r←17,且m←51,n←17。最后,当以17除51时,r←0,于是算法在步骤E2处结束。119和544的最大公因子是17。
    所以一个算法就是这样。算法的现代的意义十分类似于处方、过程、方法、技术、规程、程序,只不过是算法一词的含意有时稍微有一点特殊。一个算法,就是一个有穷规则的集合,其中之规则规定了一个解决某一特定类型的问题的运算序列;此外,一个算法还有五个重要的特性:
    1)有穷性    一个算法必须总是在执行有穷步之后结束。算法E是满足这个条件的。因为在步骤E1之后,r的值小于n,所以如果r≠0,下一次进行步骤E1时,n的值已经减小。正整数的递降序列必然最后要终止。所以,对于任何给定的n的原始值,步骤E1仅仅执行有穷次。然而,注意,步骤的数目可以变成任意大;选择巨大的m和n,就可能使步骤E1执行百万次以上。
    (具有算法的其它所有特征,但却可能不具有有穷性的步骤,可以叫做“计算方法”。除了给出求两个整数的最大公因子的算法外,欧几里得还给出了实际上等价于算法E的一个几何构造,不过它是求两个线段的长度的“最大公度”的步骤。这是一个计算方法,因为如果所给的两个长度是“无公度的”,那它就不终止)。
    2)确定性    算法的每一个步骤,必须是确切地定义的。对于每种情况,有待执行的动作必须严格地和不含混地规定之。本书中的算法都应当符合这一准则。但是由于它们是以自然语言描述的,读者有可能未能精确地理解作者的意思是什么。为了避免这一困难,就专为描述算法设计了形式地定义的程序设计语言或计算机语言,其中每一个语句有着非常确切的意义。本书中的许多算法,将同时以自然语言和以一种计算机语言给出。当用一个计算机语言来描述一个计算方法时,其表达形式就叫做一个程序。
    在算法E中,确定性准则意味着:例如应用于步骤E1,则假定读者确切地知道n除m是什么意思而余数又是什么。事实上,如果m和n不是正整数,那末这究竟是什么意思,已经没有一般的约定。-π除-8的余数是什么?0除59/13的余数是什么?因此,确定性准则意味着我们必须保证,当执行步骤E1时,m和n的值总是正整数。按假设,这在开始时是正确的。而在步骤E1之后,r是一个非负整数。如果要进行步骤E3,r还必须是非0的,所以m和n事实上总象所要求的那样,都是正整数。

(未完待续)

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