numerical computing - burapha universitykrisana/886307/handout/00-intro.… · general introduction...

Numerical ComputingK. Chinnasarn

[email protected]://www.facebook.com/groups/student.k/

Before Class• Turn OFF your cell phone(s)• Open your Notebook, Pen or Pencil

for writing• Then, open your mind for discussion• Listen, Think, Ask, Write

15/1/17 Informatics@BUU 2

Expected Learning Outcome1. บณฑตมความสามารถในการประยกตความรทางดานคอมพวเตอรและคณตศาสตรไดอยาง

เหมาะสมกบผลการเรยนรทคาดหวงอยางถกหลกวชา

2. บณฑตมความสามารถในการวเคราะหปญหาและเลอกวธการแกปญหาเพอใหไดคำตอบทเหมาะสม

3. บณฑตมความสามารถในการออกแบบ ตดตง และประเมน ระบบคอมพวเตอร กระบวนการ องคประกอบ หรอโปรแกรม ทตอบสนองตอความตองการ

4. บณฑตมความสามารถในการทำงานรวมกบผอนเพอบรรลเปาประสงคของการทำงานรวมกน

5. บณฑตมความเขาใจในวชาชพ จรยธรรม กฎหมาย ความปลอดภยและประเดนทางสงคม และหนาทความรบผดชอบของตนเอง

6. บณฑตมความสามารถในการสอสารกบผคนทหลากหลายไดอยางมประสทธภาพ

7. บณฑตมความสามารถในการใชเทคนคใหมๆ และเครองมอทจำเปนสำหรบการสรางตวแบบการคำนวณตางๆ


พอคาหยกการเรยนในมหาวทยาลย

Numerical C => 3 (2-2-5)Mathematics => 3 (3-0-6)


Why we have to learn:• English?• Mathematics?• Calculus?• Programming


What is Computer Science?• Computer science is a discipline that

spans theory and practice. – It requires thinking both in abstract

terms and in concrete terms. – The practical side of computing can be

seen everywhere. • Computer science also has strong

connections to other disciplines.Source: https://www.cs.mtu.edu/~john/whatiscs.html


What is Computer Science?• Computer Science is practiced by

mathematicians, scientists and engineers. – Mathematics, the origins of Computer

Science, provides reason and logic. – Science provides the methodology for

learning and refinement. – Engineering provides the techniques for

building hardware and software.Source: https://www.cs.mtu.edu/~john/whatiscs.html


Numerical Computing/Analysis

• is the study of algorithms that use numerical approximation (as opposed to general symbolic manipulations) for the problems of mathematical analysis.


Numerical Computing: Cont• Numerical Methods are techniques by

which mathematical problems are formulated so that they can be solved with arithmetic and logic operations. (Steven C. Chapra)


Informatics@BUU10

Scenario I: Resolution Enhancement

Low-Res.

High-Res.

15/1/17

General introductionThe overall goal of the field of numerical analysis is the design

and analysis of techniques to give approximate but accurate solutions to hard problems, the variety of which is suggested by the following.

• Advanced numerical methods are essential in making numerical weather prediction feasible.

• Computing the trajectory of a spacecraft requires the accurate numerical solution of a system of ordinary differential equations.

• Car companies can improve the crash safety of their vehicles by using computer simulations of car crashes. Such simulations essentially consist of solving partial differential equations numerically.

• Airlines use sophisticated optimization algorithms to decide ticket prices, airplane and crew assignments and fuel needs. Historically, such algorithms were developed within the overlapping field of operations research.

• Insurance companies use numerical programs for actuarial analysis.15/1/17 Informatics@BUU 11

Areas of study• Computing values of functions• Interpolation, extrapolation, and

regression• Solving equations and systems of

equations• Solving eigenvalue or singular value

problems• Optimization• Evaluating integrals• Differential equations


Gradingผลการเรยนร* วธการประเมน สปดาหทประเมน

สดสวนของการ

ประเมนผล

1.2 การเขาชนเรยน การตรงตอเวลาตลอดภาคการศกษา

5%

4.4, 5.2

การมสวนรวมในชนเรยน ซงตองแสดงถง ความรบผดชอบในการกระทำของตนเองและรบผดชอบงานในกลม ตลอดถงการรวมแสดงความคดเหนในประเดนตาง ๆ โดยแสดงผลขอสรปในรปแบบของคาตวเลขหรอคาทางสถต (Mindmup)

ตลอดภาคการศกษา

5%

2.1-2, 2.8, 3.1, 3.3 Assignment/งานกลม 4 - 5 คนตลอดภาคการศกษา

25%

2.1-2, 2.8, 3.1, 3.3 สอบทฤษฎกลางภาค 9 30%2.1-2, 2.8, 3.1, 3.3 สอบทฤษฎปลายภาค 18 35%

เชคช&อเขาเรยนทกคร3 ง / สาย 3 คร3 ง เทากบขาด 1 คร3 ง / ขาดเกน 3 คร3 ง หมดสทธ= สอบ


เกณฑการวดผลการเรยนร

• 0 – 49 => F• 50 – 54 => D• 55 – 59 => D+• 60 – 64 => C• 65 – 69 => C+• 70 – 74 => B• 75 – 79 => B+• 80 – 100 => A


Scientific Methods

Source: Gordana DODIG- CRNKOVIC, Scientific Methods in Computer Science, Department of Computer Science Mälardalen University, Västerås, Sweden


What is Computer Science?• The discipline of Computing is the

systematic study of algorithmic processes that describe and transform information: their theory, analysis, design, efficiency, implementation, and application

• Computer Science is the study of phenomena related to computers

• Computer Science is the study of information structures


What is Computer Science?• Computer Science is the study and

management of complexity• Computer Science is the mechanization of

abstraction• Computer Science is a field of study that

is concerned with theoretical and applied disciplines in the development and use of computers for information storage and processing, mathematics, logic, science, and many other areas


Scientific Methods of Computer Science• Real-world phenomena understanding• Mathematical Modelling• Theoretical Computer Science• Experimental Computer Science• Computer Simulation


310201Fundamental Programming

K.Chinnasarn, Ph.D. [email protected]

Informatics@BUU 20

What is programming?• Given a problem:

– Find an algorithm to solve a problem.

– Express that algorithm in a way that the computer can execute it.

15/1/17

Informatics@BUU 21

Algorithms• In simple terms, an algorithm is a sequence

of instructions to solve a problem, such that:

– Each instruction is unambiguous, and is something the computer can do.

– After an instruction is finished, there is no ambiguity about which instruction is to be executed next.

– Execution finishes in a finite number of steps.– The description of the algorithm is finite.

• Think of the computer as a meticulous moron.

15/1/17

Informatics@BUU 22

Computers• computers are data

processing devices• main input device:

keyboard• main output device:

display• processor performs

operations on input data to produce output data

Display

Keyboard

MemoryDisk

Processor

15/1/17

Computers: Von Neumann machine

Informatics@BUU 23

Input

Keyboard

Memory DiskProcessor

Disk

Process Output

Display

15/1/17

24

ความสมพนธขององคประกอบระบบคอมพวเตอร

Software

Control

Control

Inst

ruct

ion

Set

Data Information

15/1/17 Informatics@BUU

25

ประเภทของชดคาส&งในภาษาโปรแกรม• คาส&งรบขอมล (Input)• คาส&งแสดงผลขอมล (Output)• คาส&งประมวลผลขอมล หรอ การกาหนดคาตวแปร

(Assignment statement)• คาส&งเปรยบเทยบคา (Condition or Selection)• คาส&งกระทาซา (Iteration or Looping)


26

ตวอยางลาดบของการเขยนโปรแกรม

โปรแกรม run01.c โปรแกรม run02.c

main() {

int I=0;while (I<3) {

printf(“\nRunning No. %d”,I);I++;

}}

main() {

int I=0;while (I<3) {

I++;printf(“\nRunning No. %d”,I);

}}

ผลลพธโปรแกรม run01.c ผลลพธโปรแกรม run02.c

Running No. 0Running No. 1Running No. 2

Running No. 1Running No. 2Running No. 3


27

การออกแบบข3นตอนวธสาหรบการเขยน

โปรแกรม (Algorithms)• การเขยนข3นตอนวธแบบมาตรฐาน

• การเขยนชดคาส&งเทยม (Pseudo Code)

• การเขยนผงงาน (Flowchart)


28

การเขยนข3นตอนวธแบบมาตรฐานAlgorithm : ช%อข )นตอนวธInput : ………………………………………….Output : ………………………………………..begin

{ สวนคาอธบายอลกอรธม หรอ Comment of Algorithm }if condition then

………………………………….. else

…………………………………..endifcase variable of

condition 1 : ……………………….condition 2 : ……………………….condition N : ……………………….

endcasefor start_condition to stop_condition [step……………] do

…………………………………..endforwhile condition do

…………………………………..endwhilerepeat

…………………………………..until condition

end15/1/17 Informatics@BUU

29

ตวอยางท& 1 จงออกแบบข3นตอนวธเพ&อคานวณหา

พ3นท&สามเหล&ยม Algorithm : Triangle_AreaInput : ความยาวฐาน และ ความสงของสามเหล%ยม ซ%งอาจเปนเลขจานวนเตม

หรอแบบจานวนจรงกได แตตองไมเปนเลขท%มคาลบOutput : พ)นท%สามเหล%ยมbegin

{ ทดสอบวาความยาวฐานมคานอยกวาศนยหรอไม }if ความยาวฐานนอยกวาศนย then

แสดงขอความแสดงความผดพลาดและเลกการทางานendif{ ทดสอบวาความสงมคานอยกวาศนยหรอไม }if ความสงนอยกวาศนย then

แสดงขอความแสดงความผดพลาดและเลกการทางานendifกาหนดใหพ)นท%สามเหล%ยมเปนศนยพ)นท%สามเหล%ยม=ความยาวฐาน * ความสง * (1/2)คนคาพ)นท%สามเหล%ยมใหแกผเรยก

end


30

ตวอยางท& 2 จงออกแบบข3นตอนวธเพ&อจานวนเพศ

ชายและเพศหญงจากจานวนคนท3งหมด 10 คน


31

ตวอยางท& 2 จงออกแบบข3นตอนวธเพ&อจานวนเพศ

ชายและเพศหญงจากจานวนคนท3งหมด 10 คนAlgorithm : Count_SexInput : เพศ โดย M เปนเพศชาย และ F เปนเพศหญงOutput : จานวนเพศชาย และจานวนเพศหญงbegin

กาหนดจานวนเพศชายเปนศนยกาหนดจานวนเพศหญงเปนศนยกาหนดจานวนนบเปนหนงwhile จานวนนบนอยกวาหรอเทากบสบ do

if เพศ = ‘M’ thenจานวนเพศชาย=จานวนเพศชาย+1

elseจานวนเพศหญง=จานวนเพศหญง+1

endifจานวนนบ=จานวนนบ+1

endwhileแสดงผลจานวนเพศชาย และจานวนเพศหญง

end15/1/17 Informatics@BUU

32

การใชรหสเทยม (Pseudocode)

• วธการเขยนอลกอรทมอกวธท%สะดวก และ แกไขงายคอการใชรหสเทยม

• รหสเทยม เปนคาส%งท%มลกษณะการเขยนใกลเคยงกบภาษาองกฤษ แตมโครงสรางเกอบจะเปนภาษาโปรแกรม เชน– เร%มตน ใหมคาวา BEGIN จบลงใหใช END– อาน เขยนขอมลใช READ และ PRINT – การทดสอบเง%อนไขใช IF , ELSE , ELSEIF – การทาซ)าใช WHILE , DO ENDWHILE เปนตน

310322 C ProgrammingDepartment of Computer Science15/1/17 Informatics@BUU

33

การเขยนชดคาส&งเทยม (Pseudo Code) การรบขอมล และการแสดงผล• read var1, var2, …• print var1, var2, …การเปรยบเทยบระหวาง 2 คา• if (condition) then• true statement• else• false statement• endifทางเลอกหลายทาง• case variable of• a : a-statement• b : b-statement• endcase

การทางานแบบวนซาWHILEWhile (condition) do

statementEndwhile

Repeat-Untilrepeat

statementuntil (condition)

Computationvariable=expression/constant15/1/17 Informatics@BUU

34

จงเขยนชดคาส&งเทยม เพ&อคานวณหาพ3นท

สามเหล&ยม

Input : ความยาวฐาน แทนดวย base: ความสง แทนดวย height

Output : พ)นท%สามเหล%ยม แทนดวย areaBegin

1. Read base, height2. Compute

area=(1/2)*base*height3. Print area

End15/1/17 Informatics@BUU

35

ตวอยางท& 4 จงเขยนอลกอรธม

• จงเขยนอลกอรธม หรอชดคาส&งเทยม เพ&อรบขอมลช&อ และอาย

ของพนกงาน 15 คน ถาอายนอยกวา 20 ใหพมพขอความ

‘Child’ ถาอาย 20 ปข3นไปใหพมพขอความ ‘Adult’ และนบจานวนคนท&อายนอยกวา 20 ป


36

Pseudo-code

Input : ช%อ แทนดวย nameอาย แทนดวย age

Output : จานวนคนอายนอยกวา 20 แทนดวย less20Begin

1. Repeat 2. read name, age คนท% i3. if age<20

ใหแสดงผล name และ ‘Child’เพ%มจานวนพนกงานท%อายนอยกวา 20

else ใหแสดงผล name และ ‘Adult’

endif4. until (จานวนพนกงาน 15 คน)

End.


37

ข3นตอนวธAlgorithm Compare_Age_AlgoInput ช%อ และ อายOutput จานวนคนอายนอยกวา 20begin count = less20 = 0

While (count<15) doread name, age

If (age<20) thenprint name, ‘Child’

compute less20=less20+1Else

print name, ‘Adult’Endif

compute count=count+1EnddoPrint less20

End.15/1/17 Informatics@BUU

38

การเขยนผงงาน (Flowchart)

• เปนเคร%องมอท%ใชเขยนอลกอรทมรปแบบหน%งซ%งเขาใจงาย จะใชรปภาพเปนสญลกษณแสดงการทางานดงน

310322 C ProgrammingDepartment of Computer Science

แสดงเสนทางการไหลของงาน (flowlines)สญลกษณแสดงจดเร%มตน หรอส)นสด

สญลกษณนาเขาหรอแสดงผล (Input/Output)สญลกษณแสดงการประมวลผล (Processing)


39



สญลกษณแสดงการตดสนใจ (Decision)

สญลกษณแสดงจดเช%อมตอภายในหนเดยวกน(Connection)

สญลกษณแสดงโปรแกรมยอย (Predefined Process)

สญลกษณบรรทดแรกของกลมคาส%งทาซา (Repetition)


40



สญลกษณจดเช%อมจดในหนาอ%น

สญลกษณเอกสาร

สญลกษณหนวยเกบขอมล เชน ดสก


42

ลกษณะของผงงานท&ด

• มทางเขาหรอจดเร&มตน และทางออกหรอจดส3นสดเพยงทางเดยว

เทาน3น

• ลาดบข3นตอนการทางานควรจะเร&มจากบนลงลาง หรอจากซายไปขวา

• ในสญลกษณใดๆ มทางออกเพยงทางเดยว ยกเวนสญลกษณแสดง

การตดสนใจ หรอทางเลอกสามารถมทางออกไดอยางนอยสองทาง

• เสนทางในผงงานควรชดเจน เปนระเบยบ

• ขอความหรอคาส&งใดๆท&อยในสญลกษณควรส3น กระชบ ได

ใจความ และสามารถเขาใจไดงาย15/1/17 Informatics@BUU

43

การจดภาพในผงงาน จะมอย 3 รปแบบ

• การจดผงงานตามลาดบ (Sequence)

• การจดผงงานตามทางเลอก (Selection)

• การจดผงงานการทางานแบบวนซา (Iteration)


44

การจดผงงานตามลาดบ (Sequence)

Function A

Function B

Function C


45

การจดผงงานตามทางเลอก (Selection)

Condition A

Function B Function C

A=b A=c

Condition X

Function A Function D

X=b X=c

Function B Function C

X=a X=d

การจดผงงานตามทางเลอกการทางานแบบมาตรฐาน การจดผงงานการเลอกตดสนใจทางาน

กบทางเลอกท&เปนไปไดมากกวา 2 ทางเลอก


46

การจดผงงานการทางานแบบวนซา

(Iteration)

Condition AFunction B

Function C

A=True

A=False

ผงงานการทางานแบบวนซ3 าของ Do-While Loop


47

จงเขยนผงงาน เพ&อคานวณหาพ3นท&สามเหล&ยม

area=height*base*(1/2)

Start

read base, height

print base, height, area

Stop15/1/17 Informatics@BUU

48

• จงเขยนผงงานเพ&อรบขอมลช&อ และอาย ของ

พนกงาน 15 คน ถาอายนอยกวา 20 ใหพมพ

ขอความ ‘Child’ ถาอาย 20 ปข3นไปใหพมพ

ขอความ ‘Adult’ และนบจานวนคนท&อายนอย

กวา 20 และอาย 20 ข3นไป


49

Begin

Count=0,

less20=0,

more20=0

count<15

age<20

print name, 'Child' print name, 'Adult'

less20=1ess20+1 more20=more20+1

count=count+1

True

End

False

print less20, more20

read name, age

FalseTrue


50

สญลกษณท&ใชในการประมวลผล

สญลกษณ ความหมาย

+ บวก- ลบ* คณ/ หาร^ ยกกาลง


สญลกษณ ความหมาย

> มากกวา< นอยกวา

>= มากกวาหรอเทากบ<= นอยกวาหรอเทากบ<> ไมเทากบ

&& และ

|| หรอ


51

ตารางคาความจรงทางตรรกศาสตร

P Q P AND Q P OR Q NOT P

T T T T F

T F F T F

F T F T T

F F F F T


Informatics@BUU 52

Languages• processors perform very simple operations• most programs are written in high-level

languages (C++, Visual Basic, COBOL, etc) • each high-level language statement translates

to several machine code statements• a compiler converts the high-level language

statements to machine code statements• programs are written in a high-level language

as they are easier to code and understand

15/1/17

53

แนวคดเก&ยวกบหลกการเขยนโปรแกรม

(Programming Paradigm)• Imperative paradigm : การทางานของโปรแกรมตามลาดบของชดคาส&ง First do this and next do that

• Functional paradigm : อธบายฟงกชนทางคณตศาสตรและใชผลลพธน3นเพ&อทางานตอไป

• Logic paradigm : เนนงานโปรแกรมดานปญญาประดษฐโดยพจารณากฎความสมพนธตางๆ

• Object-oriented paradigm : เปนการรวมเอาตวแปรและกระบวนการทางานท&เก&ยวของกนเขาไวดวยกนเรยกวา

Object และ เนนการสงขอมลระหวาง Object15/1/17 Informatics@BUU

Informatics@BUU 54

Language Translators: Interpreter

Program

Statement+Data

Interpreter

Machine

language

statementStatement execution

15/1/17

Informatics@BUU 55

Language Translators (Compilers)Step1: Convert program (Compile Time)

Step2: Execute program (Run time)

Computer

programCompiler

Machine

language

Program

Machine

language

program

Data

Program Output

15/1/17

Informatics@BUU 56

Program Development cycle• Design• Edit: notepad++, tools• Interpreter: Octave >

15/1/17

Informatics@BUU 57

Software Development• when you code a program in Octave, it is easy

to make mistakes that cause compiler errors• but this task is only a small part of s/w

development process • before coding a program, it must be designed• if the design is going to work, the task the

program will perform must be understood • the Study Guide describes a 5-step software

development process

15/1/17

Informatics@BUU 58

Software Development• task analysis and specification

• analysis the task(s) the program must perform and produce a written statement of the requirements

• algorithm design• develop the logic that the program will perform to

accomplish it’s task(s)• coding• testing

• it must do what you want (no bugs) - verification• it must do what the client wants - validation

• maintenance15/1/17

Informatics@BUU 59

Software Development• by “maintenance” we mean:

• fixing bugs – distributed as Service Release• making improvements - eg. Win95 user interface• changes/extensions - eg. Win98 support for USB

• around 75% of programming time is spent maintaining software – so it’s important to use simple designs that are easy to understand

• important: coding is just a small part of the software development process - analysis, design and testing are more important stepsin the process

15/1/17

Informatics@BUU 60

SDLC• Study Guide talks about a software

development life cycle - SDLC • idea is that each version of a program

involves a rotation through the 5 stagesanalysis and specification

algorithm design

codingtesting

maintenance

15/1/17

Informatics@BUU 61

Summary• in 886307 you will design mathematical

equation & code Octave programs• a program is a piece of software• computers input, process and output data • coding is a small part of development process• analysis, design and testing more important• use simple designs to reduce maintenance• Study Guide describes a 5-step SDLC

15/1/17

numerical computing - burapha universitykrisana/886307/handout/00-intro.… · general introduction...

Documents