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高中数学必修三主要内容

第一章算法初步

算法与程序图框

1.算法的含义:

在数学中,主要研究计算机能实现的算法,即按照某种机械程序步骤一定可以得到结果的解决问题的程序。

比如解方程的算法、函数求值的算法、作图的算法,等等。

2.例子:

例1任意给定一个大于1的整数n,试设计一个程序或步骤对n是否为质数做出判定。

算法分析:

根据质数的定义,很容易设计出下面的步骤:

第一步:

判断n是否等于2,若n=2,则n是质数;若n>2,则执行第二步。

第二步:

依次从2至(n-1)检验是不是n的因数,即整除n的数,若有这样的数,则n不是质数;若没有这样的数,则n是质数。

这是判断一个大于1的整数n是否为质数的最基本算法。

例2用二分法设计一个求议程x2–2=0的近似根的算法。

算法分析:

回顾二分法解方程的过程,并假设所求近似根与准确解的差的绝对值不超过,则不难设计出以下步骤:

第一步:

令f(x)=x2–2。

因为f

(1)<0,f

(2)>0,所以设x1=1,x2=2。

第二步:

令m=(x1+x2)/2,判断f(m)是否为0,若则,则m为所长;若否,则继续判断f(x1)·f(m)大于0还是小于0。

第三步:

若f(x1)·f(m)>0,则令x1=m;否则,令x2=m。

第四步:

判断|x1–x2|<是否成立若是,则x1、x2之间的任意取值均为满足条件的近似根;若否,则返回第二步。

例3写出解二元一次方程组的算法

2x+y=1②

解:

第一步,②-①×2得5y=3;③

第二步,解③得y=3/5;

第三步,将y=3/5代入①,得x=1/5

学生做一做:

对于一般的二元一次方程组来说,上述步骤应该怎样进一步完善

老师评一评:

本题的算法是由加减消元法求解的,这个算法也适合一般的二元一次方程组的解法。

下面写出求方程组

的解的算法:

第一步:

②×A1-①×A2,得(A1B2-A2B1)y+A1C2-A2C1=0;③

第二步:

解③,得

第三步:

代入①,得

此时我们得到了二元一次方程组的求解公式,利用此公司可得到倒2的另一个算法:

第一步:

取A1=1,B1=-2,C1=1,A2=2,B2=1,C2=-1;

第二步:

计算

第三步:

输出运算结果。

可见利用上述算法,更加有利于上机执行与操作。

基础知识应用题

例4写出一个求有限整数列中的最大值的算法。

解:

算法如下。

S1先假定序列中的第一个整数为“最大值”。

S2将序列中的下一个整数值与“最大值”比较,如果它大于此“最大值”,这时你就假定“最大值”是这个整数。

S3如果序列中还有其他整数,重复S2。

S4在序列中一直到没有可比的数为止,这时假定的“最大值”就是这个序列中的最大值。

学生做一做写出对任意3个整数a,b,c求出最大值的算法。

老师评一评在例2中我们是用自然语言来描述算法的,下面我们用数学语言来描述本题的算法。

S1max=a

S2如果b>max,则max=b.

S3如果C>max,则max=c.

S4max就是a,b,c中的最大值。

综合应用题

例5写出求1+2+3+4+5+6的一个算法。

分析:

可以按逐一相加的程序进行,也可以利用公式1+2+…+n=

进行,也可以根据加法运算律简化运算过程。

解:

算法1:

S1:

计算1+2得到3;

S2:

将第一步中的运算结果3与3相加得到6;

S3:

将第二步中的运算结果6与4相加得到10;

S4:

将第三步中的运算结果10与5相加得到15;

S5:

将第四步中的运算结果15与6相加得到21。

算法2:

S1:

取n=6;

S2:

计算

S3:

输出运算结果。

算法3:

S1:

将原式变形为(1+6)+(2+5)+(3+4)=3×7;

S2:

计算3×7;

S3:

输出运算结果。

小结:

算法1是最原始的方法,最为繁琐,步骤较多,当加数较大时,比如1+2+3+…+10000,再用这种方法是行不通的;算法2与算法3都是比较简单的算法,但比较而言,算法2最为简单,且易于在计算机上执行操作。

学生做一做求1×3×5×7×9×11的值,写出其算法。

老师评一评算法1;第一步,先求1×3,得到结果3;

第二步,将第一步所得结果3再乘以5,得到结果15;

第三步,再将15乘以7,得到结果105;

第四步,再将105乘以9,得到945;

第五步,再将945乘以11,得到10395,即是最后结果。

算法2:

用P表示被乘数,i表示乘数。

S1使P=1。

S2使i=3

S3使P=P×i

S4使i=i+2

S5若i≤11,则返回到S3继续执行;否则算法结束。

1、写出解一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)的一个算法。

2、写出求1至1000的正数中的3倍数的一个算法(打印结果)

1、解:

算法如下

S1计算△=b2-4ac

S2如果△〈0,则方程无解;否则x1=

S3输出计算结果x1,x2或无解信息。

2、解:

算法如下:

S1使i=1

S2i被3除,得余数r

S3如果r=0,则打印i,否则不打印

S4使i=i+1

S5若i≤1000,则返回到S2继续执行,否则算法结束。

1、写出解不等式x2-2x-3<0的一个算法。

解:

第一步:

x2-2x-3=0的两根是x1=3,x2=-1。

第二步:

由x2-2x-3<0可知不等式的解集为{x|-1

评注:

该题的解法具有一般性,下面给出形如ax2+bx+c>0的不等式的解的步骤(为方便,我们设a>0)如下:

第一步:

计算△=

第二步:

若△>0,示出方程两根

(设x1>x2),则不等式解集为{x|x>x1或x

第三步:

若△=0,则不等式解集为{x|x∈R且x

};

第四步:

若△<0,则不等式的解集为R。

2、求过P(a1,b1)、Q(a2,b2)两点的直线斜率有如下的算法:

第一步:

取x1=a1,y1=b1,x2=a2,y1=b2;

第二步:

若x1=x2;

第三步:

输出斜率不存在;

第四步:

若x1≠x2;

第五步:

计算

第六步:

输出结果。

3、写出求过两点M(-2,-1)、N(2,3)的直线与坐标轴围成面积的一个算法。

解:

算法:

第一步:

取x1=-2,y1=-1,x2=2,y2=3;

第二步:

计算

第三步:

在第二步结果中令x=0得到y的值m,得直线与y轴交点(0,m);

第四步:

在第二步结果中令y=0得到x的值n,得直线与x轴交点(n,0);

第五步:

计算S=

第六步:

输出运算结果

3.程序框图的概念:

是一种用规定的图形,指向线及文字说明来准确、直观地表示算法的图形。

4.基本概念:

(1)起止框图:

起止框是任何流程图都不可缺少的,它表明程序的开始和结束,所以一个完整的流程图的首末两端必须是起止框。

(2)输入、输出框:

表示数据的输入或结果的输出,它可用在算法中的任何需要输入、输出的位置。

图1-1中有三个输入、输出框。

第一个出现在开始后的第一步,它的作用是输入未知数的系数a11,a12,a21,a22和常数项b1,b2,通过这一步,就可以把给定的数值写在输入框内,它实际上是把未知数的系数和常数项的值通知给了计算机,另外两个是输出框,它们分别位于由判断分出的两个分支中,它们表示最后给出的运算结果,左边分支中的输出分框负责输出D≠0时未知数x1,x2的值,右边分支中的输出框负责输出D=0时的结果,即输出无法求解信息。

(3)处理框:

它是采用来赋值、执行计算语句、传送运算结果的图形符号。

图1-1中出现了两个处理框。

第一个处理框的作用是计算D=a11a22-a21a12的值,第二个处理框的作用是计算x1=(b1a22-b2a12)/D,x2=(b2a11-b1a21)/D的值。

(4)判断框:

判断框一般有一个入口和两个出口,有时也有多个出口,它是惟一的具有两个或两个以上出口的符号,在只有两个出口的情形中,通常都分成“是”与“否”(也可用“Y”与“N”)两个分支,在图1-1中,通过判断框对D的值进行判断,若判断框中的式子是D=0,则说明D=0时由标有“是”的分支处理数据;若D≠0,则由标有“否”的分支处理数据。

例如,我们要打印x的绝对值,可以设计如下框图。

5.三种基本结构:

1)顺序结构:

顺序结构描述的是是最简单的算法结构,语句与语句之间,框与框之间是按从上到下的顺序进行的。

例2:

已知一个三角形的三边分别为2、3、4,利用海伦公式设计一个算法,求出它的面积,并画出算法的程序框图。

算法分析:

这是一个简单的问题,只需先算出p的值,再将它代入公式,最后输出结果,只用顺序结构就能够表达出算法。

程序框图:

 

 

2)条件结构:

一些简单的算法可以用顺序结构来表示,但是这种结构无法对描述对象进行逻辑判断,并根据判断结果进行不同的处理。

因此,需要有另一种逻辑结构来处理这类问题,这种结构叫做条件结构。

它是根据指定打件选择执行不同指令的控制结构。

例3:

任意给定3个正实数,设计一个算法,判断分别以这3个数为三边边长的三角形是否存在,画出这个算法的程序框图。

算法分析:

判断分别以这3个数为三边边长的三角形是否存在,只需要验收这3个数当中任意两个数的和是否大于第3个数,这就需要用到条件结构。

程序框图:

3)循环结构:

在一些算法中,经常会出现从某处开始,按照一定条件,反复执行某一处理步骤的情况,这就是循环结构,反复执行的处理步骤为循环体,显然,循环结构中一定包含条件结构。

循环结构又称重复结构,循环结构可细分为两类:

(1)一类是当型循环结构,如图1-5

(1)所示,它的功能是当给定的条件P1成立时,执行A框,A框执行完毕后,再判断条件P1是否成立,如果仍然成立,再执行A框,如此反复执行A框,直到某一次条件P1不成立为止,此时不再执行A框,从b离开循环结构。

(2)另一类是直到型循环结构,如下图所示,它的功能是先执行,然后判断给定的条件P2是否成立,如果P2仍然不成立,则继续执行A框,直到某一次给定的条件P2成立为止,此时不再执行A框,从b点离开循环结构。

例4:

设计一个计算1+2+…+100的值的算法,并画出程序框图。

算法分析:

只需要一个累加变量和一个计数变量,将累加变量的初始值为0,计数变量的值可以从1到100。

程序框图:

算法的基本语句

 

(一)输入语句

在该程序中的第1行中的INPUT语句就是输入语句。

这个语句的一般格式是:

INPUT“提示内容”;变量

其中,“提示内容”一般是提示用户输入什么样的信息。

如每次运行上述程序时,依次输入-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,计算机每次都把新输入的值赋给变量“x”,并按“x”新获得的值执行下面的语句。

INPUT语句不但可以给单个变量赋值,还可以给多个变量赋值,其格式为:

INPUT“提示内容1,提示内容2,提示内容3,…”;变量1,变量2,变量3,…

例如,输入一个学生数学,语文,英语三门课的成绩,可以写成:

INPUT“数学,语文,英语”;a,b,c

注:

①“提示内容”与变量之间必须用分号“;”隔开。

②各“提示内容”之间以及各变量之间必须用逗号“,”隔开。

但最后的变量的后面不需要。

(二)输出语句

在该程序中,第3行和第4行中的PRINT语句是输出语句。

它的一般格式是:

PRINT“提示内容”;表达式

 

同输入语句一样,表达式前也可以有“提示内容”。

例如下面的语句可以输出斐波那契数列:

 

此时屏幕上显示:

TheFibonacciProgressionis:

11235813213455…

输出语句的用途:

(1)输出常量,变量的值和系统信息。

(2)输出数值计算的结果。

〖思考〗:

在1.1.2中程序框图中的输入框,输出框的内容怎样用输入语句、输出语句来表达(学生讨论、交流想法,然后请学生作答)

参考答案:

输入框:

INPUT“请输入需判断的整数n=”;n

输出框:

PRINTn;“是质数。

PRINTn;“不是质数。

(三)赋值语句

用来表明赋给某一个变量一个具体的确定值的语句。

除了输入语句,在该程序中第2行的赋值语句也可以给变量提供初值。

它的一般格式是:

变量=表达式

赋值语句中的“=”叫做赋值号。

赋值语句的作用:

先计算出赋值号右边表达式的值,然后把这个值赋给赋值号左边的变量,使该变量的值等于表达式的值。

注:

①赋值号左边只能是变量名字,而不能是表达式。

如:

2=X是错误的。

②赋值号左右不能对换。

如“A=B”“B=A”的含义运行结果是不同的。

③不能利用赋值语句进行代数式的演算。

(如化简、因式分解、解方程等)

④赋值号“=”与数学中的等号意义不同。

〖思考〗:

在1.1.2中程序框图中的输入框,哪些语句可以用赋值语句表达并写出相应的赋值语句。

(学生思考讨论、交流想法。

【例题精析】

〖例1〗:

编写程序,计算一个学生数学、语文、英语三门课的平均成绩。

分析:

先写出算法,画出程序框图,再进行编程。

算法:

程序:

 

〖例2〗:

给一个变量重复赋值。

程序:

 

[变式引申]:

在此程序的基础上,设计一个程序,要求最后A的输出值是30。

(该变式的设计意图是学生加深对重复赋值的理解)

程序:

 

〖例3〗:

交换两个变量A和B的值,并输出交换前后的值。

分析:

引入一个中间变量X,将A的值赋予X,又将B的值赋予A,再将X的值赋予B,从而达到交换A,B的值。

(比如交换装满水的两个水桶里的水需要再找一个空桶)

程序:

 

〖补例〗:

编写一个程序,要求输入一个圆的半径,便能输出该圆的周长和面积。

取)

分析:

设圆的半径为R,则圆的周长为

,面积为

,可以利用顺序结构中的INPUT语句,PRINT语句和赋值语句设计程序。

程序:

INPUT“半径为R=”;R

C=2**R

S=*R^2

PRINT“该圆的周长为:

”;C

PRINT“该圆的面积为:

”;S

END

 

(四)条件语句

条件语句的作用:

在程序执行过程中,根据判断是否满足约定的条件而决定是否需要转换到何处去。

需要计算机按条件进行分析、比较、判断,并按判断后的不同情况进行不同的处理。

算法中的条件结构是由条件语句来表达的,是处理条件分支逻辑结构的算法语句。

它的一般格式是:

(IF-THEN-ELSE格式)

 

当计算机执行上述语句时,首先对IF后的条件进行判断,如果条件符合,就执行THEN后的语句1,否则执行ELSE后的语句2。

其对应的程序框图为:

(如上右图)

在某些情况下,也可以只使用IF-THEN语句:

(即IF-THEN格式)

 

〖例2〗:

编写程序,使得任意输入的3个整数按从大到小的顺序输出。

算法分析:

用a,b,c表示输入的3个整数;为了节约变量,把它们重新排列后,仍用a,b,c表示,并使a≥b≥c.具体操作步骤如下。

第一步:

输入3个整数a,b,c.

第二步:

将a与b比较,并把小者赋给b,大者赋给a.

第三步:

将a与c比较.并把小者赋给c,大者赋给a,此时a已是三者中最大的。

第四步:

将b与c比较,并把小者赋给c,大者赋给b,此时a,b,c已按从大到小的顺序排列好。

第五步:

按顺序输出a,b,c.

(四)循环语句

满足条件

循环体

算法中的循环结构是由循环语句来实现的。

对应于程序框图中的两种循环结构,一般程序设计语言中也有当型(WHILE型)和直到型(UNTIL型)两种语句结构。

即WHILE语句和UNTIL语句。

(1)WHILE语句的一般格式是:

其中循环体是由计算机反复执行的一组语句构成的。

WHLIE后面的“条件”是用于控制计算机执行循环体或跳出循环体的。

当计算机遇到WHILE语句时,先判断条件的真假,如果条件符合,就执行WHILE与WEND之间的循环体;然后再检查上述条件,如果条件仍符合,再次执行循环体,这个过程反复进行,直到某一次条件不符合为止。

这时,计算机将不执行循环体,直接跳到WEND语句后,接着执行WEND之后的语句。

因此,当型循环有时也称为“前测试型”循环。

其对应的程序结构框图为:

(如上右图)

〖思考〗:

直到型循环又称为“后测试型”循环,参照其直到型循环结构对应的程序框图,说说计算机是按怎样的顺序执行UNTIL语句的(让学生模仿执行WHILE语句的表述)

从UNTIL型循环结构分析,计算机执行该语句时,先执行一次循环体,然后进行条件的判断,如果条件不满足,继续返回执行循环体,然后再进行条件的判断,这个过程反复进行,直到某一次条件满足时,不再执行循环体,跳到LOOPUNTIL语句后执行其他语句,是先执行循环体后进行条件判断的循环语句。

〖提问〗:

通过对照,大家觉得WHILE型语句与UNTIL型语句之间有什么区别呢(让学生表达自己的感受)

区别:

在WHILE语句中,是当条件满足时执行循环体,而在UNTIL语句中,是当条件不满足时执行循环体。

【例题精析】

〖例3〗:

编写程序,计算自然数1+2+3+……+99+100的和。

分析:

这是一个累加问题。

我们可以用WHILE型语句,也可以用UNTIL型语句。

由此看来,解决问题的方法不是惟一的,当然程序的设计也是有多种的,只是程序简单与复杂的问题。

程序:

WHILE型:

UNTIL型:

算法案例

辗转相除法:

1.辗转相除法

例1求两个正数8251和6105的最大公约数。

(分析:

8251与6105两数都比较大,而且没有明显的公约数,如能把它们都变小一点,根据已有的知识即可求出最大公约数)

解:

8251=6105×1+2146

显然8251的最大公约数也必是2146的约数,同样6105与2146的公约数也必是8251的约数,所以8251与6105的最大公约数也是6105与2146的最大公约数。

6105=2146×2+1813

2146=1813×1+333

1813=333×5+148

333=148×2+37

148=37×4+0

则37为8251与6105的最大公约数。

以上我们求最大公约数的方法就是辗转相除法。

也叫欧几里德算法,它是由欧几里德在公元前300年左右首先提出的。

利用辗转相除法求最大公约数的步骤如下:

第一步:

用较大的数m除以较小的数n得到一个商q0和一个余数r0;

第二步:

若r0=0,则n为m,n的最大公约数;若r0≠0,则用除数n除以余数r0得到一个商q1和一个余数r1;

第三步:

若r1=0,则r1为m,n的最大公约数;若r1≠0,则用除数r0除以余数r1得到一个商q2和一个余数r2;

……

依次计算直至rn=0,此时所得到的rn-1即为所求的最大公约数。

练习:

利用辗转相除法求两数4081与20723的最大公约数(答案:

53)

2.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。

更相减损术求最大公约数的步骤如下:

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。

翻译出来为:

第一步:

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。

第二步:

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。

继续这个操作,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。

例2用更相减损术求98与63的最大公约数.

解:

由于63不是偶数,把98和63以大数减小数,并辗转相减,即:

98-63=35

63-35=28

35-28=7

28-7=21

21-7=14

14-7=7

所以,98与63的最大公约数是7。

练习:

用更相减损术求两个正数84与72的最大公约数。

(答案:

12)

3.比较辗转相除法与更相减损术的区别

(1)都是求最大公约数的方法,计算上辗转相除法以除法为主,更相减损术以减法为主,计算次数上辗转相除法计算次数相对较少,特别当两个数字大小区别较大时计算次数的区别较明显。

(2)从结果体现形式来看,辗转相除法体现结果是以相除余数为0则得到,而更相减损术则以减数与差相等而得到

4.辗转相除法与更相减损术计算的程序框图及程序

利用辗转相除法与更相减损术的计算算法,我们可以设计出程序框图以及BSAIC程序来在计算机上实现辗转相除法与更相减损术求最大公约数,下面由同学们设计相应框图并相互之间检查框图与程序的正确性,并在计算机上验证自己的结果。

(1)辗转相除法的程序框图及程序

程序框图:

程序:

INPUT“m=”;m

INPUT“n=”;n

IFm

m=n

n=x

ENDIF

r=mMODn

WHILEr<>0

r=mMODn

m=n

n=r

WEND

PRINTm

END

3.秦九韶计算多项式的方法

例设计利用秦九韶算法计算5次多项式

时的值的程序框图。

解:

程序框图如下:

4.排序

直接插入排序:

冒泡排序:

进位制互相转化:

把余数从下往上排列即可。

第二章统计

随机抽样

简单随机抽样的概念:

一般地,设一个总体含有N个个体,从中逐个不放回地抽取n个个体作为样本(n≤N),如果每次抽取时总体内的各个个体被抽到的机会都相等,就把这种抽样方法叫做简单随机抽样,这样抽取的样本,叫做简单随机样本。

【说明】简单随机抽样必须具备下列特点:

(1)简单随机抽样要求被抽取的样本的总体个数N是有限的。

(2)简单随机样本数n小于等于样本总体的个数N。

(3)简单随机样本是从总体中逐个抽取的。

(4)简单随机抽样是一种不放回的抽样。

(5)简单随机抽样的每个个体入样的可能性均为n/N。

最常用的简单随机抽样法:

抽签法的定义。

一般地,抽签法就是把总体中的N个个体编号,把号码写在号签上,将号签放在一个容器中,搅拌均匀后,每次从中抽取一个号签,连续抽取n次,就得到一个容量为n的样本。

抽签法的一般步骤:

(1)将总体的个体编号。

(2)连续抽签获取样本号码。

随机数法的定义:

利用随机数表、随机数骰子或计算机产生的随机数进行抽样,叫随机数表法,这里仅介绍随机数表法。

怎样利用随机数表产生样本呢下面通过例子来说明,假设我们要考察某公司生产的500克袋装牛奶的质量是否达标,现从800袋牛奶中抽取60袋进行检验,利用随机数表抽取样本时,可以按照下面的步骤进行。

第一步,先将800袋牛奶编号,可以编为000,001,…,799。

第二步,在随机数表中任选一个数,例如选出第8行第7列的数7(为了便于说明,下面摘取了附表1的第6行至第10行)。

162277943949544354821737932378

844217533157245506887704744767

630163785916955567199810507175

332112342978645607825242074438

576086324409472796544917460962

87352096438426349164

21763350258392120676

12867358074439523879

155100

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