第17讲 算法案例

世纪金榜圆您梦想页（共9页）____________________________________________________________山东世纪金榜书业有限公司第十七讲算法案例一、复习目标要求通过阅读中国古代数学中的算法案例，体会中国古代数学对世界数学发展的贡献。二、2010年命题预测算法是高中数学新课程中的新增内容，本讲的重点是几种重要的算法案例思想，复习时重算法的思想轻算法和程序的构造。预测2010年高考队本讲的考察是：以选择题或填空题的形式出现，分值在5分左右，考察的热点是算法实例和传统数学知识的结合题目。三、知识精点讲解1．求最大公约数（1）短除法求两个正整数的最大公约数的步骤：先用两个数公有的质因数连续去除，一直除到所得的商是两个互质数为止，然后把所有的除数连乘起来。（2）穷举法（也叫枚举法）穷举法求两个正整数的最大公约数的解题步骤：从两个数中较小数开始由大到小列举，直到找到公约数立即中断列举，得到的公约数便是最大公约数。（3）辗转相除法辗转相除法求两个数的最大公约数，其算法可以描述如下：①输入两个正整数m和n；②求余数r：计算m除以n，将所得余数存放到变量r中；③更新被除数和余数：m=n，n=r；④判断余数r是否为0。若余数为0，则输出结果；否则转向第②步继续循环执行。如此循环，直到得到结果为止。（4）更相减损术我国早期也有解决求最大公约数问题的算法，就是更相减损术。在《九章算术》中记载了更相减损术求最大公约数的步骤：可半者半之，不可半者，副置分母•子之数，以少减多，更相减损，求其等也，以等数约之。步骤：Ⅰ．任意给出两个正数；判断它们是否都是偶数。若是，用2约简；若不是，执行第二步。Ⅱ．以较大的数减去较小的数，接着把较小的数与所得的差比较，并以大数减小数。继续这操作，直到所得的数相等为止，则这个数（等数）就是所求的最大公约数。2．秦九韶算法秦九韶算法的一般规则：秦九韶算法适用一般的多项式f(x)=anxn+an-1xn-1+….+a1x+a0的求值问题。用秦九韶算法求一般多项式f(x)=anxn+an-1xn-1+….+a1x+a0当x=x0时的函数值，可把n次多项式的求值问题转化成求n个一次多项式的值的问题，即求v0=anv1=anx+an－1v2=v1x+an－2v3=v2x+an－3……..vn=vn－1x+a0观察秦九韶算法的数学模型，计算vk时要用到vk－1的值，若令v0=an。我们可以得到下面的递推公式：世纪金榜圆您梦想页（共9页）____________________________________________________________山东世纪金榜书业有限公司v0=anvk=vk－1+an－k(k=1,2,…n)这是一个在秦九韶算法中反复执行的步骤，可以用循环结构来实现。3.排序排序的算法很多，课本主要介绍里两种排序方法：直接插入排序和冒泡排序（1）直接插入排序在日常生活中，经常碰到这样一类排序问题：把新的数据插入到已经排好顺序的数据列中。例如：一组从小到大排好顺序的数据列{1，3，5，7，9，11，13}，通常称之为有序列，我们用序号1，2，3，……表示数据的位置，欲把一个新的数据8插入到上述序列中。完成这个工作要考虑两个问题：（1）确定数据“8”在原有序列中应该占有的位置序号。数据“8”所处的位置应满足小于或等于原有序列右边所有的数据，大于其左边位置上所有的数据。（2）将这个位置空出来，将数据“8”插进去。对于一列无序的数据列，例如：{49，38，65，97，76，13，27，49}，如何使用这种方法进行排序呢？基本思想很简单，即反复使用上述方法排序，由序列的长度不断增加，一直到完成整个无序列就有序了。首先，{49}是有序列，我们将38插入到有序列{49}中，得到两个数据的有序列：{38，49}，然后，将第三个数据65插入到上述序列中，得到有序列：{38，49，65}…………按照这种方法，直到将最后一个数据65插入到上述有序列中，得到{13，27，38，49，49，65，76，97}这样，就完成了整个数据列的排序工作。注意到无序列“插入排序算法”成为了解决这类问题的平台。（2）冒泡法排序所谓冒泡法排序，形象地说，就是将一组数据按照从小到大的顺序排列时，小的数据视为质量轻的，大的数据视为质量沉的。一个小的数据就好比水中的气泡，往上移动，一个较大的数据就好比石头，往下移动。显然最终会沉到水底，最轻的会浮到顶，反复进行，直到数据列排成为有序列。以上过程反映了这种排序方法的基本思路。我们先对一组数据进行分析。设待排序的数据为：{49，38，65，97，76，13，27，49}排序的具体操作步骤如下：1．将第1个数与右边相邻的数38进行比较，因为3849，49应下沉，即向右移动，所以交换他们的位置，得到新的数据列：{38，49，65，97，76，13，27，49}2．将新数据列中的第2个数49与右边相邻的数65进行比较，因为6549，所以顺序不变，得到新的数据列：{38，49，65，97，76，13，27，49}3．将新数据列中的第3个数65与右边相邻的数97进行比较，因为9765，所以顺序不变，得到新的数据列：{38，49，65，97，76，13，27，49}4．将新数据列中的第4个数97与右边相邻的数76进行比较，因为7697，97应下沉，所以顺序不变，得到新的数据列：{38，49，65，76，97，13，27，49}5．将新数据列中的第5个数97与右边相邻的数13进行比较，因为1397，97应下沉，所以顺序改变，得到新的数据列：{38，49，65，76，13，97，27，49}6．将新数据列中的第6个数97与右边相邻的数27进行比较，因为2797，97应下沉，所以顺序改变，得到新的数据列：{38，49，65，76，13，97，27，49}世纪金榜圆您梦想页（共9页）____________________________________________________________山东世纪金榜书业有限公司7．将新数据列中的第7个数97与右边相邻的数49进行比较，因为4997，97应下沉，所以顺序改变，得到新的数据列：{38，49，65，76，13，97，49，27}我们把上述过程称为一趟排序。其基本特征是最大的数据沉到底，即排在最左边位置上的数据是数组中最大的数据。反复执行上面的步骤，就能完成排序工作，排序过程不会超过7趟。这种排序的方法称为冒泡排序。上面的分析具有一般性，如果数据列有n个数据组成，至多经过n－1趟排序，就能完成整个排序过程。4．进位制（1）概念进位制是一种记数方式，用有限的数字在不同的位置表示不同的数值。可使用数字符号的个数称为基数，基数为n，即可称n进位制，简称n进制。现在最常用的是十进制，通常使用10个阿拉伯数字0—9进行记数。对于任何一个数，我们可以用不同的进位制来表示。比如：十进数57，可以用二进制表示为111001，也可以用八进制表示为71、用十六进制表示为39，它们所代表的数值都是一样的。一般地，若k是一个大于一的整数，那么以k为基数的k进制可以表示为：110()110...(0,0,...,,)nnknnaaaaakaaak，而表示各种进位制数一般在数字右下脚加注来表示,如111001(2)表示二进制数,34(5)表示5进制数。（2）进位制间的转换关于进位制的转换，教科书上以十进制和二进制之间的转换为例讲解，并推广到十进制和其它进制之间的转换。这样做的原因是，计算机是以二进制的形式进行存储和计算数据的，而一般我们传输给计算机的数据是十进制数据，因此计算机必须先将十进制数转换为二进制数，再处理，显然运算后首次得到的结果为二进制数，同时计算机又把运算结果由二进制数转换成十进制数输出。非十进制数转换为十进制数比较简单，只要计算下面的式子值即可：0111011.........)(.....akakakakaaaannnnnn第一步：从左到右依次取出k进制数)(.....011kaaaann各位上的数字，乘以相应的k的幂，k的幂从n开始取值，每次递减1，递减到0，即00111,,,.........,kakakakannnn；第二步：把所得到的乘积加起来，所得的结果就是相应的十进制数。十进制数转换成非十进制数把十进制数转换为二进制数，教科书上提供了“除2取余法”，我们可以类比得到十进制数转换成k进制数的算法“除k取余法”。非十进制之间的转换一个自然的想法是利用十进制作为桥梁。教科书上提供了一个二进制数据与16进制数据之间的互化的方法，也就是先有二进制数转化为十进制数，再由十进制数转化成为16进制数。四．典例解析题型1：求最大公约数例1．（1）用辗转相除法求123和48的最大公约数？（2）用更相减损来求80和36的最大公约数？解析：（1）辗转相除法求最大公约数的过程如下：（建立带余除式）123＝2×48＋2748＝1×27＋2127＝1×21＋621＝3×6＋3世纪金榜圆您梦想页（共9页）____________________________________________________________山东世纪金榜书业有限公司6＝2×3+0最后6能被3整除，得123和48的最大公约数为3。（2）分析：我们将80作为大数，36作为小数，执行更相减损术来求两数的最大公约数。执行结束的准则是减数和差相等。更相减损术：因为80和36都是偶数，要去公因数2。80÷2=40，36÷2=18；40和18都是偶数，要去公因数2。40÷2=20，18÷2=9下面来求20与9的最大公约数，20－9=1111－9=29－2=77－2=55－2=33－2=12－1=1可得80和36的最大公约数为22×1=4。点评：对比两种方法控制好算法的结束，辗转相除法是到达余数为0，更相减损术是到达减数和差相等。例2．设计一个算法，求出840与1764的最大公因数。解析：我们已经学习过了对自然数的素因数分解的方法，下面的算法就是在此基础上设计的。解题思路如下：首先对两个数进行素因数分解：840=23×3×5×7，1764=22×32×72，其次，确定两个数的公共素因数：2，3，7。接着确定公共素因数的指数：对于公共素因数2，840中为23，1764中为22，应取较少的一个22，同理可得下面的因数为3和7。算法步骤：第一步：将840进行素数分解23×3×5×7；第二步：将1764进行素数分解22×32×72；第三步：确定它们的公共素因数：2，3，7；第四步：确定公共素因数2，3，7的指数分别是：2，1，1；第五步：最大公因数为22×31×71=84。点评：质数是除１以外只能被１和本身整除的正整数，它应该是无限多个，但是目前没有一个规律来确定所有的质数。题型2：秦九韶算法例3．（2005北京，14）已知n次多项式1011()nnnnnPxaxaxaxa，如果在一种算法中，计算0kx（k＝2，3，4，…，n）的值需要k－1次乘法，计算30()Px的值共需要9次运算（6次乘法，3次加法），那么计算100()Px的值共需要次运算。下面给出一种减少运算次数的算法：0011(),()()kkkPxaPxxPxa（k＝0，1，2，…，n－1）．利用该算法，计算30()Px的值共需要6次世纪金榜圆您梦想页（共9页）____________________________________________________________山东世纪金榜书业有限公司运算，计算100()Px的值共需要次运算。答案：65；20。点评：秦九韶算法适用一般的多项式f(x)=anxn+an-1xn-1+….+a1x+a0的求值问题。直接法乘法运算的次数最多可到达2)