形式化方法在高中算法教学中的应用研究

国家教育部制定的高中新课程标准将算法初步作为高中数学课程的必修内容,算法与程序设计也首次纳入到选修课之列。全国大部分普通高中均按新课标开展教学实验,不少省份还把算法内容纳入高考。同时现有算法初步和算法与程序设计教材在介绍算法与算法设计方法时,无法说清楚算法设计的过程;在教学实践中,这一问题更加突出。这给高中生学习、理解及掌握算法和算法设计方法带来很大的困难。本文从新课程实验教材中及数学高考题中选取两个问题,用支持算法程序形式化开发的PAR（Partition And Recur）方法与PAR平台,从待求解问题的精确功能描述出发,经过一系列等价数学变换,最后得到正确的算法和程序。实践说明PAR方法与PAR平台可以在高中算法教学及学生能力评测中发挥建设性作用。     

形式化方法Designware及其规约精化机理

介绍了一种新的支持算法设计自动化的形式化方法Designware,详细分析了其理论基础及规约精化机理,阐述了其半自动算法设计支撑系统,并结合一个开发实例展示了Designware的具体使用,给出了Designware的两个实际应用项目,最后对Designware进行了评述.     

基于PAR的算法形式化开发探讨

通过对其现状和前景的介绍,引出PAR的方法,从而对构造递推关系进行研究,进行初步的探讨。     

最小生成树算法的PAR方法形式化推导

采用PAR方法通过功能归约变换，形式化推导出可读性好、效率高的递推的最小生成树算法，简化了算法程序设计和正确性证明的过程，有效提高了算法程序设计自动化、规范化的程度及其正确性。该文给出的相关算法在PAR平台通过自动转换系统转换成可执行语言程序并运行通过。     

软件开发的形式化方法

随着计算机及软件系统逐步渗透到社会生活的方方面面,对软件可靠性、安全性和保密性的要求也越来越高．本文阐述了形式化方法的定义、重要性及主要研究内容。着重讨论了形式规约方法,以及演绎证明和模型检测等形式验证方法。     

算法形式化推导及其在软件重用中的应用

将形式化技术和软件复用结合是非常有意义的工作。利用规约进行变换，寻找递推关系，可以比较容易得到抽象算法。在变换中，尽可能地特有关操作抽象表示，将操作细节延迟，以适合现代软件工程的软件开发需要，对一个具体问题将得到包含抽象操作的抽象算法。利用面向对象程序设计语言中的多态性等机制，将抽象操作用虚函数表示，如此设计的类可以作为可重用部件使用。     

面向对象的形式化规约语言GOOZ

在总结和评价现有Z语言面向对象扩充的基础上，设计了一种新的扩充语言GOOZ，该语言克服了Z＋＋，Object_Z等语言的一些缺点，其书写规约具有简洁，明确，接口定义清晰，模块无整，结构良好，易于验证的特点。     

基于形式化方法的测试驱动开发研究

对测试驱动开发中测试用例的自动生成和管理问题进行了研究,并时现有方法进行了分析和比较.给出了一种基于形式化方法的测试用例生成和管理方案.该方案通过形式化语言描述软件规约,并通过相应工具生成和管理测试用例,从而提高了测试驱动开发的效率.最后给出了该方案在极限编程各个开发阶段的应用.     

基于PAR 的排序算法自动生成研究

排序是计算机学科中的一类特殊问题,其算法设计策略的灵活性使得求解算法更具多样性.基于形式化方法PAR(partition-and-recur),研究了排序算法的自动生成问题.刻画了排序问题的代数性质,形式化构建了排序算法领域的泛型类型构件和算法构件,建立了排序领域特定语言和算法生成形式化模型,以参数替换的方式自动生成了一组排序算法,包括快速排序、堆排序、Shell排序等典型的已知算法以及增量选择排序等若干未见于现有文献的算法,并在程序生成系统中予以了实现.通过上层框架研究和底层构件支持,显著提高了特定领域算法的开发效率和可靠性.     

PAR在数学算法中的应用

针对算法走进高中课堂的现状,提出使用PAR作为高中学习算法开发的主要平台,通过PAR形式化推导实现多项式和素数两个经典数学问题,表明PAR具有良好的数学和程序设计语言透明性,得到算法简短易于理解的同时也可以同时保证算法的正确性,理论分析和试验表明,PAR是学习算法开发的一个有效平台。     

三个经典数学问题的形式化开发

计算机科学最高奖图灵奖获得者Knuth指出,算法是计算机科学的核心。算法的设计和理解对开发高效、正确的软件至关重要。本文选取平方数问题、几何级数求和问题和多项式求值这3个经典数学问题,使用支持算法程序形式化的PAR方法和PAR平台,从待求解问题的精确功能描述出发,使用PAR方法和PAR平台的推理和变换规则,经过一系列等价变换,最后得到正确的算法程序。这一系列形式化推演的过程揭示了这3个经典数学问题的奥妙,事实说明PAR方法和PAR平台在算法程序设计过程中可以发挥更大的作用。     

形式化开发非递归Koch曲线算法

形式化方法是构建可信软件的重要途径。Koch曲线是典型的分形图形。基于形式化方法PAR及循环不变式开发策略,开发了Koch曲线非递归算法,并对其进行了形式化的正确性证明。在得到求解Koch曲线算法的循环不变式的同时,直接得到易读、高效且可靠的非递归算法。对使用形式化方法及循环不变式开发策略开发分形程序非递归算法作了较深入的实践和探讨。     

形式化开发Hanoi塔问题非递归算法

使用形式化方法PAR及循环不变式开发新策略,开发了Hanoi塔问题非递归算法,并对其进行了形式化地正确性证明。本文直接面向非递归算法,在得到求解Hanoi塔问题的循环不变式的同时,直接得到易读、高效且可靠的非递归算法。对使用形式化方法及循环不变式开发新策略开发非递归算法作了较深入的实践和探讨。     

Huffman算法程序的形式化推导

使用PAR方法形式化推导了解决最优编码问题的Huffman算法。推导过程充分利用最优编码树的特性,在对原问题进行分划归约为子问题时,引入一个新元素来取代原来的2个或多个元素,使用一套接近数学语言的抽象记号表示集合、二叉树等,推导过程简洁且能生成正确的算法。该Huffman算法能在PAR平台上通过自动生成系统转换成可执行语言程序,并正常运行。     

Formal Verification of Square Root Algorithms

We discuss the formal verification of some low-level mathematical software for the Intel® Itanium® architecture. A number of important algorithms have been proven correct using the HOL Light theorem prover. After briefly surveying some of our formal verification work, we discuss in more detail the verification of a square root algorithm, which helps to illustrate why some features of HOL Light, in particular programmability, make it especially suitable for these applications.     

形式推导支持的递归程序向非递归程序的转换

本文提出一种递归消除的方法,适于一类基于递归数据结构的程序。该方法将递归程序作为初始规约,以求解过程的状态变迁序列作迭代模式;通过数据展开和变换实现初始规约向基于序列描述规约的变换,继而用PAR形式推导出序列规约的递推关系,并以之为核心近乎机械地构造出非递归算法。树和图的两个算法实例说明了本方法的有效性。     

PAR平台中若干软件构件形式化验证技术研究

PAR平台是本团队研制成功的支撑软件形式化和自动化开发的软件平台。该平台充分体现了功能抽象和数据抽象的优越性,使得软件开发变得便捷和可靠,达到这一性能的关键要素是一批可重用软件构件。为保证整个软件平台的正确性和可靠性,确保其中软件构件的正确性和可靠性就显得十分重要。选取PAR平台中若干典型软件构件,用形式化方法对构件的语义进行形式化描述,并借助Coq定理证明系统,对构件的正确性进行形式化验证,大幅度提高了软件构件形式化验证的效率。     

若干算法程序的形式化推导与生成技术研究

PAR方法基于分划与递推、量词变换规则、循环不变式开发新策略和软件转换工具,实现了复杂算法问题的形式化开发.采用PAR方法形式化推导几个典型的算法问题.通过量词变换规则对程序规约进行形式化推导,可以得到具有数学引用透明性、易于形式化证明的求解算法问题的递推关系;并在此基础上,自然地导出循环不变式.在得到简短、易于理解、高可靠性的Apla算法程序之后,通过转换工具自动生成Java,C 等可执行程序.