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。     

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。     

PAR平台从规约出发的算法推导与自动生成

简要介绍PAR方法及其支撑平台,使用PAR方法及其平台从规约出发形式化推导并生成了两个典型的算法程序。PAR方法及其平台使用一阶谓词逻辑表示功能规约,分划与递推来进行算法形式推导,各种转换系统来自动生成算法程序。这显著地提高了算法程序的正确性和开发效率,也有助于深刻地理解算法设计思想。     

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。     

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.     

后序遍历二叉树非递归算法的推导及形式化证明

开发涉及非线性数据结构算法程序的循环不变式一直是形式化方法的难点。本文使用PAR方法开发循环不变式的新策略,对后序遍历二叉树问题循环不变式的开发使用递归定义技术,得到了该问题循环不变式的简单精确的表达形式,简化了算法程序的推导和证明过程;利用PAR平台提供的抽象程序设计语言Ap1a中的数据抽象机制,使所得的算法程序结构简洁清晰且易于证明;最后,使用Dijkstra-Gries标准程序证明法形式证明了该问题的核心算法程序(只有4行代码),并使用PAR平台将Apla程序转换成正确的C++代码。实例的成功进一步说明PAR方法提供的循环不变式的开发技术对推导和证明非线性数据结构算法程序的有效性。     

Radl算法到Apla程序的生成系统

算法设计是一项创造性工作,传统的设计与描述方法难以保证算法的正确性.在PAR方法中通过定义具有数学引用透明性的算法描述语言Radl,可实现对问题规约进行形式化推导得到用递推关系描述的算法.Radl算法的核心就是递推关系组,从而易于进行形式化推导和证明.通过深入剖析Radl算法特性,揭示Radl算法与抽象顺序程序Apla(abstract programming language)间本质关系,定义基于Radl语法产生式的Apla程序生成规则,实现了Apla程序自动生成系统,并对其可靠性进行系统研究,着重形式化验证了实现系统的核心算法.使用PAR方法开发的算法是正确的,采用形式化证明的生成系统具有可靠性保证,从而保证了算法从设计到实现的高可靠性,并通过实现自动化开发工具提高了程序的开发效率.     

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。     

基于递推技术的算法设计方法的应用研究

算法是计算机科学的核心,算法设计对于开发正确、高效的程序至关重要。基于递推技术的算法设计方法通过形式化推导保证算法的可靠性,同时能较好地提高算法程序的效率。本文通过两个实例,详细介绍基于递推技术的算法设计方法形式化推导算法程序的过程。     

基于PAR的软件服务外包开发过程应用研究

软件外包中开发效率低、可靠性差的问题一直存在。PAR（Partition and Recur）方法及高可靠软件开发平台PAR平台,在提高软件开发效率和可靠性方面能够发挥很好的作用。本文将PAR方法和PAR平台应用于外包软件开发过程,使用PAR平台成功研发中软国际实训教材中软件外包案例,在软件开发效率和可靠性方面取得显著效果。     

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方法和循环不变式的范畴语义

范畴论对理解程序规约及程序设计和正确性证明十分有用。PAR方法则是建立在严格的数学基础之上的一种统一的算法程序设计方法。循环不变式在循环算法程序的设计中至关重要。使用格理论和范畴论作为工具对PAR方法建立一个理论框架,并对其用范畴论的概念加以解释,从而使得PAR有更强的理论基础。在此基础上引入不动点原理深入刻划循环不变式的含义,循环不变式可以表示为谓词泛函的最小不动点,并从范畴论的角度解释该过程。     

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。