《可視化計算》第8章 計算工具的評估和選擇課件

第8章計算工具的評估和選擇

《可視化計算》1《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇學(xué)習(xí)目標如何評估計算工具的能力與局限？如何將RAPTOR中實現(xiàn)的算法轉(zhuǎn)換成其他程序設(shè)計語言的版本？為何要在不同的計算工具之間進行選擇？面向過程與面向?qū)ο蟮某绦蛴泻尾煌?？是否可以將其他語言實現(xiàn)的程序算法轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒虉D來方便分析？2《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇計算工具的能力與局限評估在所有數(shù)字化計算工具中，都存在一種表達能力極其局限性。二者是相互依存，共同存在的3《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇計算工具的表達能力PythonExcel4《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇誤差的來源1．描述誤差(實際問題與數(shù)學(xué)模型之間)2．觀測誤差(儀器本身的精度)3．截斷誤差(用收斂的無窮級數(shù)的前幾項來代替無窮級數(shù))4．舍入誤差(用有限位小數(shù)來代替無窮小數(shù))5《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR中的誤差6《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇IEEE754-一個計算機誤差規(guī)范描述了在二進制計算機中應(yīng)如何存儲浮點數(shù)。它之所以得到廣泛采用，原因是它允許在合理的空間量中存儲浮點數(shù)，以及相對快速地進行計算IEEE754的規(guī)定最大/最小限制精度二進制循環(huán)數(shù)字7《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇最大/最小限制因為用于存儲數(shù)字的內(nèi)存位數(shù)是有限的，所以，可以存儲的最大數(shù)或最小數(shù)也是有窮的對于RAPTOR，可以存儲的最大數(shù)是1.79769313486232E+308，而可以存儲的最小正數(shù)是

2.2250738585072E-3088《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR遵守IEEE754的情況下溢：當(dāng)產(chǎn)生了一個因太小而無法表示的數(shù)字時，會發(fā)生下溢。在IEEE和RAPTOR中，結(jié)果是0。上溢：當(dāng)數(shù)字因太大而無法表示時，會發(fā)生上溢RAPTOR使用它自己的特殊表示方法來表示此情況

(+Inf*************)9《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR不遵守IEEE754的情況正/負無窮大：被0除時出現(xiàn)RAPTOR不支持無窮大，在此類情況下它會給出“Can'tdividebyzero”錯誤。非數(shù)字(NaN)：NaN用于表示無效的運算（例如:-1的平方根）RAPTOR會立即生成錯誤（例如：“Can'ttakesquarerootofnegativenumber”）10《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR精度問題RAPTOR浮點數(shù)以二進制存儲，并分為三個部分，總長度為64位：符號、指數(shù)和尾數(shù)。1個符號位11位指數(shù)52位尾數(shù)符號存儲數(shù)字的符號（正或負）指數(shù)存儲使數(shù)字增大或減小到的2的冪（最大/最小的2的冪是+1，023和-1，022）尾數(shù)存儲實際的數(shù)字尾數(shù)的有限存儲區(qū)域限制了兩個相近的浮點數(shù)能夠接近的程度（也即精度）11《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR精度問題在RAPTOR的默認精度情形下，可以有以下兩種計算數(shù)值：整數(shù)，最長為10位有效數(shù)值例如：1073741824(2^30)浮點數(shù)，最長為15位有效數(shù)值，初始默認四位小數(shù)例如：562949953421312.0000(2^49)或0.110012《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR精度問題set_precision()設(shè)置小數(shù)位后的精度，設(shè)置以后，系統(tǒng)中所有數(shù)值全部使用浮點數(shù)表示（不再有整數(shù)表達）13《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇二進制循環(huán)數(shù)字（0.1）10轉(zhuǎn)為二進制會成為無限循環(huán)小數(shù)IEEE754因此產(chǎn)生截斷誤差14《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇算法環(huán)境的轉(zhuǎn)換RAPTOR原型（Prototype）算法設(shè)計工具所產(chǎn)生的算法用到各種科研和工程實踐中，需要轉(zhuǎn)變成為用戶要求的環(huán)境中可以運行的程序RAPTOR提供將已經(jīng)實現(xiàn)的算法轉(zhuǎn)換為不同的程序設(shè)計語言（Ada、C++、C#、Java等）的功能15《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++(Hanoi塔)16《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++(Hanoi塔)主要修改和差異：為所有的RAPTOR算法中的變量設(shè)計C++的變量類型在C++中對所有的變量名的大小寫敏感在屏幕輸出過程中，C++環(huán)境一般不支持類似“+”這樣的字符串連接符，而是需要用”<<”替代17《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++（快速排序）18《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++（文件I/O）C++文件操作的語句包括:文件輸入輸出頭文件：fstream;

輸入流定義和輸入文件打開：ifstreamredirect_input("m101-data.csv"，ios::in);文件數(shù)據(jù)輸入到變量：while(redirect_input>>temp)；輸入文件關(guān)閉：redirect_input.close();19《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++（數(shù)組）數(shù)組聲明(int*arr_Data=newint[105];C++的特點：指針規(guī)定了數(shù)組的最大元素個數(shù)：105C++的特點，數(shù)組預(yù)先定義的大小不可逾越C++中的指針(*)和地址(&)等特殊形式來傳遞子程序（函數(shù)）形式參數(shù)中的數(shù)組類參數(shù)voidQkPass(int*R,inti,intj,int&QkPass_result)20《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++（子圖、子程序）RAPTOR子程序會自動識別成為C++的函數(shù)但RAPTOR的子圖轉(zhuǎn)成的C++程序中，無法識別子圖的存在（例如RAPTOR算法中的Input_和Output_子圖），只是按照main子圖對其他子圖的調(diào)用順序，依次將其他賦值、決策和循環(huán)語句進行轉(zhuǎn)換21《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR->C++（隨機漫步）22《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR轉(zhuǎn)換的C++圖形指令與WinBGIm圖形庫的對比RAPTOR轉(zhuǎn)換的C++圖形指令WinBGIm圖形庫指令備注-#include<winbgim.h>包含需要的C++頭文件open_graph_window(field_width，field_height);set_window_title("RandomWalk");initwindow(field_width，field_height，"RandemWalk");初始化圖形視窗并設(shè)置其標題欄draw_circle(Center_x，Center_y，10，green，true);circle(center_x，center_y，10);繪制圓形display_text(10，400，"Thistimethedistanceis"+getdist，black);outtextxy(10，400，"Thistimethedistanceis:");在圖形視窗顯示文字23《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇C++的薄弱環(huán)節(jié)在于不同類型變量的轉(zhuǎn)換WinBGIm圖形庫支持字符串的顯示，但不支持數(shù)值變量直接在圖形視窗輸出須將數(shù)值類的變量—getdist（漫步終點與出發(fā)點的距離），轉(zhuǎn)變成為字符串之后才能顯示，C++實際上也沒有此類函數(shù)最后使用了變通的辦法sprint()(格式化輸出函數(shù))，將getdist的輸出結(jié)果變成字符串，再調(diào)用outtextxy()函數(shù)將串里的字符顯示在C++圖形視窗中24《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇C++的隨機數(shù)函數(shù)在C++的隨機數(shù)應(yīng)用中，需要用到隨機數(shù)種的函數(shù)，其作用是為每一次隨機函數(shù)的調(diào)用，給出一個與上一次應(yīng)用不同的初值本例的循環(huán)進行了2000次，就需要2000個不同的種子，否則隨機數(shù)列就會出現(xiàn)一致性的現(xiàn)象另一方案，是采用系統(tǒng)時間值，這也是最容易取得的不同種子初值：srand(inttime(0));25《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR的轉(zhuǎn)換和編譯問題RAPTOR除了可以將其環(huán)境中的算法轉(zhuǎn)換成高級語言后編譯之外，也支持直接進行編譯在不少情況下，在RAPTOR中運行并得到結(jié)果的算法，但就是無法通過編譯或轉(zhuǎn)換為高級語言的代碼26《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇不可編譯和轉(zhuǎn)換的狀況通過應(yīng)用實驗，目前可以歸納出三類不可編譯的RAPTOR算法：第一種是子圖的遞歸調(diào)用；第二種是子圖和過程的相互調(diào)用；第三種是變量未賦初值問題在這三種問題的算法要實現(xiàn)編譯和轉(zhuǎn)換，必須做一些調(diào)整27《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR子圖遞歸的調(diào)整策略28《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR子圖交叉調(diào)用調(diào)整策略29《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇子程序輸出變量賦初值調(diào)整策略1、在RAPTOR子程序中，輸出變量在調(diào)用程序中不必賦初值，也可以運行，但無法通過編譯；2、只要在調(diào)用程序程序中，加上賦初值的語句，即可通過編譯。30《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇選擇計算工具的理由1、動態(tài)語言和靜態(tài)語言動態(tài)類型語言指在運行期間才去做數(shù)據(jù)類型檢查的語言，該語言會在你第一次賦值給變量時，在內(nèi)部將數(shù)據(jù)類型記錄下來靜態(tài)類型語言：靜態(tài)類型語言的數(shù)據(jù)類型是在編譯其間檢查的，也就是說在寫程序時要聲明所有變量的數(shù)據(jù)類型31《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇選擇計算工具的理由2、強類型和弱類型語言任何程序變量都有兩個屬性：類型和值；也就是說，弱類型的變量同樣有類型強類型的變量類型，必須在源代碼中明確定義，稱之為“變量聲明”弱類型的變量類型則是無需聲明的，由解釋器解釋強類型的變量類型是不能改變的，弱類型變量是隨需改變的，這是強弱類型語言的主要區(qū)別32《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇選擇計算工具的理由動態(tài)類型語言，特別是高級動態(tài)類型語言，由于取消了變量的限制，能夠讓人們可以集中精力思考業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)強類型語言的優(yōu)勢究竟是什么呢？顯然就是執(zhí)行效率非常高。例如，C/C++的特點，使它成為Unix操作系統(tǒng)的基石和大部分工業(yè)控制系統(tǒng)的主要程序設(shè)計語言33《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR與面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(Object-OrientedProgramming，OOP)作為另一類編程思想，它將一個系統(tǒng)看成是一個個對象組成，這些對象包含了數(shù)據(jù)和與其相關(guān)操作34《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇OOP要素對象(Object)：包含一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的實體操作(Operation)：作用于對象的行為，如訪問和處理對象的狀態(tài)封裝(Encapsulation)：定義對象和操作，只提供抽象的接口，并隱藏它們的具體實現(xiàn)35《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇OOP要素繼承(Inheritance)：通過繼承現(xiàn)有類型的性質(zhì)，創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)類型，而不影響原有數(shù)據(jù)類型多態(tài)性(Polymorphism)：判定數(shù)據(jù)類型集合中各類型的區(qū)別，使程序可以按照它們的共同特性來書寫36《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR對OOP的支持RAPTOR中的面向?qū)ο蟮哪Ｊ皆试S用戶創(chuàng)建類（Class）及其方法(Method)和屬性(attributes)，進行對象實例化，并實踐面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計（OOP）。37《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇RAPTOR對OOP的支持在RAPTOR面向?qū)ο蟮哪Ｊ綍霈F(xiàn)兩個標簽：UML和mainRAPTOR使用一種所謂的“統(tǒng)一建模語言（UnifiedModelinglanguage，UML）”的可視化形式來創(chuàng)建面向?qū)ο蟮某绦蚪Y(jié)構(gòu)38《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇創(chuàng)建”Cube”類39《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇使用Cube類計算立方體的體積使用名為cube的類，利用立方體的一條邊來計算的立方體的體積需要下列項目：字段：Side（邊長:數(shù)值）和Volume（體積:數(shù)值）方法：SetSide（），GetSide（），ComputeVolume（），GetVolume（）40《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇Cube類及其成員41《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇為類創(chuàng)建方法一旦已創(chuàng)建了類，將自動添加一個新類名稱選項卡，現(xiàn)需為每個類的方法創(chuàng)建代碼單擊Cube選項卡，看到四個新的標簽，每個方法都有一個。42《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇OOP的main子圖43《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇OOP繼承和多態(tài)性44《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇逆向工程：從代碼到流程圖在大部分問題的求解過程中，都是可以借鑒前人的思維成果，在他人的工作基礎(chǔ)上，進行創(chuàng)新和改革將使用程序設(shè)計語言設(shè)計的算法還原成流程圖可以幫助理解在算法的邏輯設(shè)計上的總體構(gòu)架和主要的設(shè)計思路45《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇CVF介紹CVF是由FATESOFT開發(fā)的從代碼到流程圖的轉(zhuǎn)換工具用于逆向工程或軟件開發(fā)中的文檔撰寫，用于分析代碼非常合適46《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇CVF中顯示的代碼樹和代碼在CVF中，具備了編輯器，所以程序編輯與流程圖可視化可以完全同步，并用流程圖顯示源代碼的結(jié)構(gòu)47《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇CVF介紹CVF從代碼轉(zhuǎn)換而得的可視化流程圖，分為兩類，第一類（flowchart-1），所有的源碼片段顯示在各個框中第二類（flowchart-2）流程圖中不顯示程序代碼，而是顯示更為抽象的程序構(gòu)架（分支、循環(huán)、代碼塊）48《可視化計算》第8章計算工具的評估和選擇CVF大顆粒度流程-expandlevel1