Глава 1. Основы

Информатика не более наука о компьютерах, чем астрономия — наука о телескопах. Информатика неразрывно связана с математикой.

Эдсгер Дейкстра

Компьютерам нужно, чтобы мы разбивали задачи на посильные для них части. Тут нам понадобится немного математики. Не паникуйте, это не высшая математика — написание хорошего программного кода редко требует знания сложных уравнений. В главе 1 вы найдете набор инструментов для решения разных задач. Вы научитесь:

моделировать идеи в блок-схемах и псевдокоде;

отличать правильное от неправильного при помощи ­логики;

выполнять расчеты;

уверенно вычислять вероятности.

Этого достаточно, чтобы переводить мысли в вычислимые решения.

1.1. Идеи

Оказавшись перед сложной задачей, поднимитесь над ее хитросплетениями и изложите все самое важное на бумаге. Оперативная память человеческого мозга легко переполняется фактами и идеями. Многие подходы к организации работы предполагают изложение мыслей в письменной форме. Есть несколько способов это сделать. Сначала мы посмотрим, как пользоваться блок-схемами для представления процессов. Затем узнаем, как конструировать программируемые процессы на псевдокоде. Мы также попробуем ­смоделировать простую задачу при помощи математических формул.

Блок-схемы

Когда разработчики «Википедии» обсуждали организацию коллективной работы, они создали блок-схему дискуссии. Договариваться проще, если все инициативы перед глазами и объединены в общую картину (рис. 1.1).

Компьютерный код, как и изображенный выше процесс редактирования вики-страницы, по существу является процессом. Программисты часто пользуются блок-схемами для изображения вычислительных процессов на бумаге. Чтобы другие могли понимать ваши блок-схемы, вы должны соблюдать следующие рекомендации:

• записывайте состояния и инструкции внутри прямоуголь­ников;

• записывайте принятие решений, когда процесс может пойти различными путями, внутри ромбов;

• никогда не объединяйте инструкции с принятием решений;

• соединяйте стрелкой каждый последующий шаг с предыдущим;

• отмечайте начало и конец процесса.

 

Рис. 1.1. Редакционный процесс в «Википедии»

Рассмотрим составление блок-схемы на примере задачи поиска наибольшего из трех чисел (рис. 1.2).

 

Рис. 1.2. Поиск наибольшего из трех чисел

Псевдокод

Так же, как блок-схемы, псевдокод выражает вычислительные процессы. Псевдокод — это код, удобный для нашего восприятия, но непонятный для машины. Следующий пример передает тот же процесс, что был изображен на рис. 1.2. Задержитесь на минуту и проверьте, как он работает с разными значениями A, B и C.

function maximum(A, B, C)

    if A > B

         if A > C

              max ← A

         else

              max ← C

    else

         if B > C

              max ← B

         else

              max ← C

    print max

Заметили, что этот пример полностью игнорирует синтаксические правила языков программирования? В псевдокод можно вставлять даже разговорные фразы! Когда вы пишете псевдокод, дайте своей творческой мысли течь свободно — как при составлении блок-схем (рис. 1.3 ).

 

Рис. 1.3. Псевдокод в реальной жизни

Математические модели

Модель — это набор идей, которые описывают задачу и ее свойства. Модель помогает рассуждать и принимать решения относительно задачи. Создание моделей настолько важно, что их преподают в школе — ведь в математике нужно иметь представление, как последовательно решать уравнения и совершать другие операции с числами и переменными.

Математические модели имеют большое преимущество: их можно приспособить для компьютеров при помощи четко сформулированных математических методов. Если ваша модель основана на графах, используйте теорию графов. Если она задействует уравнения, используйте алгебру. Встаньте на плечи гигантов, которые создали эти инструменты, и вы достигнете цели. Давайте посмотрим, как они работают, на примере типичной задачи из средней школы.

Загон для скота На ферме содержат два вида домашних животных. У вас есть 100 мотков проволоки для сооружения прямоугольного загона и перегородки внутри него, отделяющей одних животных от других. Как поставить забор, чтобы площадь пастбища была максимальной?

Начнем с того, что именно требуется определить; w и l — это размеры пастбища; w × l — его площадь. Сделать площадь максимальной означает использовать всю проволоку, потому мы устанавливаем связь между w и l, с одной стороны, и 100 мотками, с другой:

 

A = w × l

100 = 2w + 3l

Подберем w и l, при которых площадь A будет максимальной.

Подставив l из второго уравнения в первое, получаем:

 

Да это же квадратное уравнение! Его максимум легко найти при помощи формулы корней квадратного уравнения, которую проходят в средней школе. Квадратные уравнения так же важны для программиста, как мультиварка — для повара. Они экономят время. Квадратные уравнения помогают быстрее решать множество задач, а это для вас самое главное. Повар знает свои инструменты, вы должны знать свои. Математическое моделирование вам просто необходимо. А еще вам потребуется логика.

1.2. Логика

Программистам приходится иметь дело с логическими задачами так часто, что у них от этого ум за разум заходит. Однако на самом деле многие из них логику не изучали и пользуются ею бессознательно. Освоив формальную логику, мы сможем осознанно использовать ее для решения задач.

 

Рис. 1.4. Логика программиста

Для начала мы поэкспериментируем с логическими высказываниями и операторами. Затем научимся решать задачи с таблицами истинности и увидим, как компьютеры опираются на логику.

Операторы

В математике переменные и операторы (+, ×, −, …) используются для моделирования числовых задач. В математической логике переменные и операторы указывают на достоверность. Они выражают не числа, а истинность (true) или ложность (false). Например, достоверность выражения «Если вода в бассейне теплая, то я буду плавать» основывается на достоверности двух вещей, которые можно преобразовать в логические переменные A и B:

A : Вода в бассейне теплая.

B : Я плаваю.

Они либо истинны (true), либо ложны (false). A = True обозначает теплую воду в бассейне, B = False обозначает «Я не плаваю». Переменная B не может быть наполовину истинной, потому что я не способен плавать лишь отчасти. Зависимость между переменными обозначается символом , условным оператором. A B выражает идею, что A = True влечет за собой B = True:

A B : если вода в бассейне теплая, то я буду плавать.

При помощи других операторов можно выражать другие идеи. Для отрицания идеи используется знак !, оператор отрицания. !A противоположно A:

!A : Вода в бассейне холодная.

!B : Я не плаваю.

Противопоставление. Если дано A B, и я при этом не плаваю, что можно сказать о воде в бассейне? Теплая вода влечет за собой плавание, потому, если его нет, вода в бассейне не может быть теплой. Каждое условное выражение имеет противопоставленный ему эквивалент:

Для любых двух переменных A и B

A B тождественно !B !A.

Еще пример: если вы не умеете писать хороший код, значит, вы не прочли эту книгу. Противопоставлением данному суждению является такое: если вы прочли эту книгу, значит, вы умеете писать хороший код. Оба предложения сообщают одно и то же, но по-разному.

Двусторонняя условная зависимость. Обратите внимание, что высказывание «Если вода в бассейне теплая, то я буду плавать» не означает: «Я буду плавать только в теплой воде». Данное высказывание ничего не говорит насчет холодных бассейнов. Другими словами, A B не означает B A. Чтобы выразить оба условных суждения, используйте двустороннюю условную зависимость:

A <—> B: Я буду плавать, если и только если вода в бассейне теплая.

Здесь теплая вода в бассейне равнозначна тому, что я буду плавать: знание о воде в бассейне означает знание о том, что я буду плавать, и наоборот. Опять же, остерегайтесь обратной ошибки: никогда не предполагайте, что B A следует из A B.

AND, OR и XOR. Эти логические операторы — самые известные, поскольку они часто записываются в исходном коде в явном виде — AND (И), OR (ИЛИ) и XOR (исключающее ИЛИ). AND возвращает True, если все идеи истинны; OR возвращает True, если любая идея истинна; XOR возвращает True, если идеи взаимоисключающие. Представим вечеринку, где подают водку и вино:

A : Вы пили вино.

B : Вы пили водку.

A OR B : Вы пили.

A AND B : Вы пили и то и другое.

A XOR B : Вы пили, не смешивая.

Проверьте, правильно ли вы понимаете, как работают эти операторы. В табл. 1.1 перечислены все возможные комбинации двух переменных. Обратите внимание, что A B тождественно !A OR B, а A XOR B тождественно !(A <—> B).

 

Таблица 1.1. Логические операции для четырех возможных комбинаций A и B

Булева алгебра

Булева алгебра позволяет упрощать логические выражения точно так же, как элементарная алгебра упрощает числовые.

Ассоциативность. Для последовательностей, состоящих только из операций AND или OR, круглые скобки не имеют значения. Так же, как последовательности только из операций сложения или умножения в элементарной алгебре, эти операции могут вычисляться в любом порядке.

A AND (B AND C) = (A AND B) AND C;

A OR (B OR C) = (A OR B) OR C.

Дистрибутивность. В элементарной алгебре мы раскрываем скобки: a × (b + c) = (a × b) + (a × c). Точно так же и в логике выполнение операции AND после OR эквивалентно выполнению операции OR над результатами операций AND и наоборот:

A AND (B OR C) = (A AND B) OR (A AND C);

A OR (B AND C) = (A OR B) AND (A OR C).

Правило де Моргана. Одновременно лета и зимы не бывает, поэтому у нас либо не лето, либо не зима. С другой стороны, оба выражения «не лето» и «не зима» истинны, если (и только) у нас не тот случай, когда либо лето, либо зима. Согласно этой логике, выполнение операций AND может быть сведено к операциям OR и наоборот:

!(A AND B) = !A OR ! B;

!A AND !B = !(A OR B).

Эти правила позволяют преобразовывать логические модели, раскрывать их свойства и упрощать выражения. Давайте решим задачу.

Перегрев сервера Сервер выходит из строя из-за перегрева, когда кондиционирование воздуха выключено. Он также выходит из строя из-за перегрева, если барахлит кулер. При каких условиях сервер работает?

Моделируя эту задачу в логических переменных, можно в одном выражении сформулировать условия, когда сервер выходит из строя:

A: Сервер перегревается.

B: Кондиционирование отключено.

C: Не работает кулер.

D: Сервер вышел из строя.

(A AND B) OR (A AND C) D.

Используя правило дистрибутивности, выведем за скобки A:

A AND (B OR C) D.

Сервер работает, когда !D. Противопоставление записывается так:

!D !(A AND (B OR C)).

Применим правило де Моргана и раскроем скобки:

!D !A OR !(B OR C).

Воспользуемся правилом де Моргана еще раз:

!D !A OR (!B AND !C).

Данное выражение нам говорит, что когда сервер работает, мы имеем либо !A (он не перегревается), либо !B AND !C (все в порядке и с кондиционированием воздуха, и с кулером).

Таблицы истинности

Еще один способ анализа логических моделей состоит в сверке данных со всевозможными сочетаниями ее переменных. Каждой переменной в таблице истинности соответствует свой столбец. Строки представляют комбинации состояний переменных.

 

Рис. 1.5. Таблицы со всеми возможными сочетаниями от одной до пяти логических переменных

Одна переменная требует двух строк: в одной она имеет значение True, в другой — False. Чтобы добавить переменную, нужно удвоить число строк. Новой переменной задается True в исходных строках и False — в добавленных (рис. 1.5). Размер таблицы истинности увеличивается вдвое с каждым добавлением переменной, поэтому такую таблицу оправданно использовать лишь в случаях, когда переменных немного.

Давайте посмотрим, как можно использовать таблицу истинности для анализа задачи.

Хрупкая система Предположим, что мы должны создать систему управления базами данных с соблюдением следующих технических требований:

1) если база данных заблокирована, то мы можем сохранить данные;

2) база данных не должна блокироваться при заполненной очереди запросов на запись;

3) либо очередь запросов на запись полна, либо полон кэш;

4) если кэш полон, то база данных не может быть заблокирована.

Возможно ли это? При каких условиях станет работать такая система?

Сначала преобразуем каждое техническое требование в логическое выражение. Такую систему управления базами данных можно смоделировать при помощи четырех переменных.

A:  База данных заблокирована	1: A B
B:  Есть возможность сохранить данные	2: !(A AND C).
C:  Очередь запросов на запись полна	3: C OR D.
D:  Кэш полон	4: D !A.

Далее создадим таблицу истинности со всеми возможными сочетаниями переменных (табл. 1.2). Дополнительные столбцы добавлены для проверки соблюдения технических требований.

Таблица 1.2. Таблица истинности для проверки четырех выражений

 

Все технические требования удовлетворяются в состояниях с 9-го по 11-е и с 13-го по 15-е. В этих состояниях A = False, а значит, база данных не может быть заблокирована никогда. Обратите внимание, что кэш не заполнен лишь в состояниях 10 и 14.

Чтобы проверить, чему вы научились, попробуйте разгадать загадку «Кто держит зебру?». Это известная логическая задача, ошибочно приписываемая Альберту Эйнштейну. Говорят, что только 2 % людей могут ее решить, но я сильно сомневаюсь. Используя большую таблицу истинности и правильно упрощая и объединяя логические высказывания, вы ее разгадаете, я уверен в этом.

Всегда, имея дело с ситуациями, допускающими один из двух вариантов, помните: их можно смоделировать с помощью логических переменных. Благодаря этому очень легко получать выражения, упрощать их и делать выводы.

А теперь давайте взглянем на самое впечатляющее применение логики: проектирование электронно-вычислительных машин.

Логика в вычислениях

Группы логических переменных могут представлять числа в двоичной форме. Логические операции в случае с двоичными числами могут объединяться для расчетов. Логические вентили выполняют логические операции с электрическим током. Они используются в электрических схемах, выполняющих вычисления на сверхвысоких скоростях.

Логический вентиль получает значения через входные контакты, выполняет работу и передает результат через выходной контакт. Существуют логические вентили AND, OR, XOR и т.д. Значения True и False представлены электрическими сигналами с высоким и низким напряжением соответственно. Сложные логические выражения можно вычислять таким образом практически мгновенно. Например, электрическая схема на рис. 1.6 суммирует два числа.

Давайте посмотрим, как работает эта схема. Не поленитесь, проследите за ходом выполнения операций, чтобы понять, как устроена магия (рис. 1.7).

 

Рис. 1.6. Схема суммирования двухразрядных чисел, передаваемых парами логических переменных (A1A0 и B1B0) в трехразрядное число (S2S1S0)

 

Рис. 1.7. Вычисление 2 + 3 = 5 (в двоичном формате это 10 + 11 = 101)

Чтобы воспользоваться преимуществом этого быстрого способа вычислений, мы преобразуем числовые задачи в двоичную (логическую) форму. Таблицы истинности помогают моделировать и проверять схемы. А булева алгебра — упрощать выражения и, следовательно, схемы.

Когда-то логические вентили изготавливали с использованием больших, неэффективных и дорогих электрических реле. Когда на смену реле пришли транзисторы, стало возможным массовое производство логических вентилей. Люди находили все новые и новые способы делать транзисторы меньше. Принципы работы современного центрального процессора (ЦП) по-прежнему построены на булевой алгебре. Современный ЦП — это просто схема, которая состоит из миллионов микроскопических контактов и логических вентилей, управляющих электрическими потоками информации.

1.3. Комбинаторика

Важно уметь считать вещи правильно, ведь в случае с вычислительными задачами вам придется делать это много раз. Математика далее будет еще более сложной, чем раньше, но не пугайтесь. Кое-кто полагает, что ему не стать хорошим программистом только потому, что, как ему кажется, математик он так себе. Если хотите знать, лично я завалил школьный экзамен по математике , и все же я стал тем, кем хотел . В школе дают совсем не ту математику, которая делает людей хорошими программистами.

Никто не захочет зубрить формулы и пошаговые процедуры, если он уже сдал выпускные экзамены. Если такая информация вдруг понадобится — ее легко отыскать в Интернете. Расчеты не обязательно делать от руки на бумаге. От программиста в первую очередь требуется интуиция. Познания в комбинаторике и умение решать комбинаторные задачи развивает эту интуицию. Так что давайте поработаем с несколькими инструментами по порядку: с умножением, перестановками, сочетаниями и суммами.

Правило умножения

Если некоторое событие происходит n разными способами, а другое событие — m разными способами, то число разных способов, которыми могут произойти оба события, равно n × m. Вот пара примеров.

Взлом кода Предположим, что PIN-код состоит из двух цифр и латинской буквы. На то, чтобы ввести код один раз, уходит в среднем одна секунда. Какое максимальное время потребуется, чтобы подобрать правильный PIN-код?

Две цифры можно набрать 100 способами (00–99), букву — 26 способами (A–Z). Следовательно, всего существует 100 × 26 = 2600 PIN-кодов. В худшем случае, чтобы подобрать правильный, нам придется перепробовать их все. Через 2600 секунд (то есть через 43 минуты) мы его точно взломаем.

Формирование команды Допустим, 23 человека хотят вступить в вашу команду. В отношении каждого кандидата вы подбрасываете монету и принимаете его, только если выпадет «орел». Сколько всего может быть вариантов состава команды?

До начала набора есть всего один вариант состава — вы сами. Далее каждый бросок монеты удваивает число возможных вариантов. Это должно быть сделано 23 раза, таким образом, вам нужно посчитать, чему равно 2 в степени:

  вариантов команды.

Обратите внимание, что один из этого множества вариантов — когда в команде состоите только вы.

Перестановки

Если у нас n элементов, то мы можем упорядочить их n! разными способами. Факториал числа имеет взрывной характер, даже с малыми значениями n он дает огромные числа. На случай, если вы с ним не знакомы:

n! = n × (n – 1) × (n – 2) … × 2 × 1.

Легко заметить, что n! — это общее количество способов упорядочивания n элементов. Сколькими способами можно выбрать первый элемент из n? После того как он будет выбран, сколькими способами можно выбрать второй? Сколько вариантов останется для третьего? Подумайте об этом некоторое время, а потом переходите к примерам.

Коммивояжер Ваша транспортная компания осуществ­ляет поставки в 15 городов. Вы хотите знать, в каком порядке лучше объезжать эти города, чтобы уменьшить расход топлива. Если на вычисление длины одного маршрута требуется микросекунда, то сколько времени займет вычисление длины всех возможных маршрутов?

Любая перестановка 15 городов дает новый маршрут. Факториал — это количество различных комбинаций, так что всего существует 15! = 15 × 14 × … × 1 ≈ 1,3 трлн маршрутов. Число микросекунд, которые уйдут на их вычисление, примерно эквивалентно 15 дням. Будь у вас не 15, а 20 городов, вам бы понадобилось 77 тысяч лет.

Совершенная мелодия Девушка разучивает гамму из 13 нот. Она хочет, чтобы вы показали все возможные мелодии, в которых используется 6 нот. Каждая нота должна встречаться один раз на мелодию, а каждая такая мелодия должна звучать в течение одной секунды. О какой продолжительности звучания идет речь?

Мы должны подсчитать количество комбинаций по 6 нот из 13. Чтобы исключить неиспользуемые ноты, нужно остановить вычисление факториала после шестого множителя. Формально   — это количество возможных комбинаций m из n возможных элементов. В нашем случае получится:

 

= 1 235 520 мелодий.

Чтобы их все прослушать, потребуется 343 часа, так что вам лучше убедить девушку найти идеальную мелодию каким-нибудь другим путем.

Перестановки без повторений

Факториал n! дает завышенное число способов упорядочивания n элементов, если некоторые из них одинаковые. Лишние комбинации, где такие элементы просто оказываются на других позициях, не должны учитываться.

Если в последовательности из n элементов r идентичны, существуют r! способов переупорядочить их. То есть n! включает r! таких комбинаций. Чтобы получить число уникальных комбинаций, нужно разделить n! на этот излишек. Например, число различных сочетаний букв E в CODE ENERGY равняется .

Игры с ДНК Биолог изучает сегмент ДНК, связанный с генетическим заболеванием. Тот состоит из 23 пар нуклеотидов, где 9 должны быть A–T, а 14 — G–C.

Ученый хочет выполнить моделирование на всех возможных сегментах ДНК, где есть такое количество пар нуклеотидов. Сколько задач ему предстоит выполнить?

Сначала вычислим все возможные комбинации этих 23 пар нуклеотидов. Затем, чтобы учесть повторяющиеся пары нуклеотидов A-T и G-C, разделим результат на 9! и на 14! и получим:

  вариантов.

Но задача еще не решена. Нужно учесть ориентацию пар нуклео­тидов.

Следующие два примера не тождественны:

                 

Для каждой последовательности из 23 пар нуклеотидов существует 223 различных сочетаний ориентации. Потому общее количество комбинаций равно:

817 190 × 223 ≈ 7 трлн.

И это только для крошечной последовательности всего из 23 пар нуклеотидов, где мы знаем распределение! Наименьшая воспроизводимая ДНК, которая известна на сегодняшний день, — это ДНК крохотного цирковируса свиней, и в ней 1800 пар нуклеотидов. Код ДНК и жизнь в целом с технологической точки зрения по-настоящему удивительны. Просто с ума можно сойти: ДНК человека имеет около 3 млрд пар нуклеотидов, продублированных в каждой из 3 трлн клеток тела.

Комбинации

Представьте колоду из 13 игральных карт только пиковой масти . Сколькими способами вы сможете раздать шесть карт своему сопернику? Мы уже видели, что — это количество перестановок 6 карт из 13. Поскольку порядок их следования не имеет значения, нужно разделить это число на 6!, чтобы получить

  комбинаций.

Бином — это количество способов, которыми можно извлечь m элементов из ряда, состоящего из n элементов, независимо от порядка их следования:

 

Конструкция в левой части (запись бинома) читается как «из n по m».

Шахматные ферзи У вас есть пустая шахматная доска и 8 ферзей, которые допускается ставить на доске где угодно. Сколькими разными способами можно разместить фигуры?

Шахматная доска поделена на 64 клетки, 8 × 8. Число способов выбрать 8 клеток из 64 составляет млрд.

Правило суммирования

Подсчет сумм последовательностей часто встречается при решении комбинаторных задач. Суммы последовательных чисел обозначаются прописной буквой «сигма» (). Такая форма записи показывает, как выражение будет суммироваться для каждого значения i:

выражение с участием i.

Например, суммирование первых пяти нечетных чисел записывается так:

.

Обратите внимание: чтобы получить слагаемые 1, 3, 5, 7 и 9, вместо i последовательно используются числа от 0 до 4 включительно. Следовательно, сумма первых n натуральных чисел составляет:

 

Когда гениальному математику Гауссу было 10 лет, он устал от суммирования натуральных чисел одного за другим по порядку и нашел такой ловкий прием:

 

Догадаетесь, каким образом Гаусс это обнаружил? Объяснение приема приведено в приложении II. Давайте посмотрим, как можно его использовать для решения следующей задачи.

Недорогой перелет Вы должны слетать в Нью-Йорк в любое время в течение следующих 30 дней. Цены на авиабилеты изменяются непредсказуемо в соответствии с датами отъезда и возвращения. Сколько пар дней необходимо проверить, чтобы отыскать самые дешевые билеты для полета в Нью-Йорк и обратно на ближайшие 30 дней?

Любая пара дней между сегодняшним (день 1) и последним (день 30) допустима при условии, что возвращение будет в тот же день или позже, чем отъезд. Следовательно, 30 пар начинаются с 1-го дня, 29 пар начинаются со 2-го дня, 28 — с 3-го и т.д. И есть всего одна пара, приходящаяся на последний день. Таким образом, 30 + 29 + … + 2 + 1 — общее количество пар, которое нужно рассмотреть. Мы можем записать это как   и использовать удобную формулу Гаусса:

пар.

Кроме того, мы можем решить эту задачу при помощи комбинаций, выбрав 2 дня из 30. Порядок не имеет значения: на более ранний день придется отъезд, на более поздний — возвращение. Таким образом, мы получим . Что-то не то… Дело в том, что мы должны учесть еще и случаи, когда прибытие и отъезд приходятся на одну дату. Так как дней всего 30, следовательно, .

1.4. Вероятность

Принципы случайности помогут вам разобраться в азартных играх, предсказании погоды или проектировании системы резервного хранения данных с низким риском отказа. Принципы эти просты, и все же большинство людей понимают их неправильно.

 

Рис. 1.8. Случайное число

Сейчас мы применим наши навыки решения комбинаторных задач к вычислению вероятностей. Затем мы узнаем, каким образом различные типы событий используются для решения задач. Наконец, мы увидим, почему азартные игроки проигрываются в пух и прах.

Подсчет количества возможных вариантов

Бросок кубика имеет шесть возможных результатов: 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Шансы получить 4, следовательно, составляют . А какова вероятность выпадения нечетного числа? Это может произойти в трех случаях (когда на кубике будет 1, 3 или 5), потому шансы составляют . Вероятность того, что некое событие произойдет, выражается такой формулой:

 

Она работает, потому что каждый возможный исход одинаково вероятен. Кубик имеет ровные грани, и человек, бросающий его, нас не обманывает.

Еще одно формирование команды Снова 23 человека хотят вступить в вашу команду. В отношении каждого кандидата вы подбрасываете монету и принимаете его, только если она падает «орлом». Какова вероятность, что вы никого не возьмете?

Мы уже убедились, что существует 223 = 8 388 608 возможных вариантов состава команды. Вам придется рассчитывать только на себя в одном-единственном случае: если в результате подбрасывания монеты выпадут 23 «решки» подряд. Вероятность такого события равна P(никто) = . Если посмотреть на это с высоты птичьего полета, то вероятность того, что конкретный рейс коммерческой авиа­компании потерпит крушение, составляет порядка 1 из 5 млн.

Независимые (совместные) события

Если вы одновременно бросаете монету и кубик, то шанс получить «орел» и 6 равняются , или 8 %. Когда исход одного события не влияет на исход другого, их называют независимыми. Вероятность получить сочетание конкретных результатов двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них.

Резервное хранение Вам нужно организовать хранение данных в течение года. Один диск имеет вероятность сбоя 1 на 1 млрд. Другой стоит 20 % от цены первого, но в его случае вероятность сбоя — 1 на 2000. Какой диск вам следует купить?

Если вы решите использовать три дешевых диска, то потеряете данные, только если все три выйдут из строя. Вероятность того, что это произойдет, равняется . Риск потери данных оказывается гораздо ниже, чем в случае с дорогим диском, а заплатите вы всего 60 % от его стоимости.

Несовместные события

Бросок кубика не может одновременно дать 4 и нечетное число. Вероятность получить либо 4, либо нечетное число, следовательно, равняется . Когда два события не могут произойти одновременно, они несовместные, или взаимоисключающие. Если вам нужно подсчитать вероятность любого из нескольких несовместных событий, просто просуммируйте их индивидуальные вероятности.

Выбор подписки Ваш интернет-сервис предлагает три тарифа: бесплатный, основной и профессиональный. Вы знаете, что случайный посетитель выберет бесплатный тариф с вероятностью 70 %, основной — с вероятностью 20 % и профессио­нальный — с вероятностью 10 %. Каковы шансы, что человек подпишется на платный тариф?

Перечисленные события несовместны: нельзя выбрать и основной, и профессиональный тарифы одновременно. Вероятность, что пользователь подпишется на платный тариф, равняется 0,2 + 0,1 = 0,3.

Взаимодополняющие события

Выпавшее на кубике количество очков не может одновременно оказаться кратным трем (3, 6) и не делящимся на три, но оно определенно будет относиться к одной из этих категорий чисел. Вероятность получить результат, кратный трем, равняется , следовательно, вероятность получить число, которое не делится на три, равняется . Когда два несовместных события охватывают все возможные варианты, их называют взаимодополняющими, или соподчиненными. Сумма вероятностей взаимодополняющих событий равна 100 %.

Игра «Защита башни» Ваш замок защищен пятью башнями. Каждая имеет 20 %-ную вероятность поразить захватчика, прежде чем он достигнет ворот. Каковы шансы остановить его?

Вероятность поразить врага равна 0,2 + 0,2 + 0,2 + 0,2 + 0,2 = 1, или 100 %, верно? Неверно! Никогда не суммируйте вероятности независимых событий, не совершайте распространенной ошибки. Вместо этого используйте взаимодополняющие события дважды следующим образом.

• 20 %-ный шанс поразить врага — взаимодополняющий для 80 %-го шанса промахнуться. Вероятность того, что не попадут все башни, составляет 0,85 ≈ 0,33.

• Событие «все башни промахнулись» — взаимодополняющее для события «по крайней мере одна башня попала». Значит, вероятность остановить врага равна 1 – 0,33 = 0,67.

«Заблуждение игрока»

Если вы подбросили монету 10 раз и получили 10 «орлов», увеличилась ли от этого вероятность, что на 11-м броске выпадет «решка»? Или будет ли вероятность выигрыша в лотерею комбинации из шести последовательных чисел от 1 до 6 ниже, чем любой другой комбинации?

Не становитесь жертвой «заблуждения игрока»! Уже случившееся никак не влияет на результат независимого события. Никак. Никогда. В по-настоящему случайно разыгрываемой лотерее вероятность выпадения любого конкретного числа точно такая же, как любого другого. Нет никакой закономерности, согласно которой числа, редко выпадавшие в прошлом, должны чаще выпадать в будущем.

Более сложные вероятности

Можно было бы и дальше рассказывать о вероятности, но рамки раздела не позволяют этого. Всегда, занимаясь решением сложных задач, подыскивайте дополнительные инструменты. Вот пример.

И еще одно формирование команды 23 человека хотят в вашу команду. В отношении каждого вы подбрасываете монету и принимаете его, только если выпадает «орел». Каковы шансы, что вы возьмете семь человек или меньше?

Да, это трудно посчитать. Если вы будете долго искать в Интернете, то в конечном счете придете к биномиальному распределению. Вы можете визуализировать его в Wolfram Alpha, набрав: B(23,l/2) <= 7.

Подведем итоги

В этой главе мы увидели приемы решения задач, не связанные с программированием непосредственно.

Раздел 1.1 объяснил, почему и как мы должны излагать мысли в письменной форме. Для наших задач мы создаем модели и применяем к ним концептуальные инструменты.

Раздел 1.2 познакомил с инструментами из булевой алгебры для работы с формальной логикой и таблицами истинности.

Раздел 1.3 показал важность теории вероятности и комбинаторики для решения задач разного рода. Быстрый приблизительный подсчет может показать вам, стоит ли браться за дальнейшие вычисления. Программисты-новички часто теряют время, анализируя слишком много сценариев.

Наконец, раздел 1.4 объяснил основные правила, позволяющие подсчитать вероятность чего-либо. Это бывает очень полезно при разработке решений, которые должны взаимодействовать с нашим дивным, но неопределенным миром.

Таким образом, мы в общих чертах обрисовали множество важных аспектов того, что ученые называют дискретной математикой. Еще больше интересного можно почерпнуть из приведенных ниже материалов или просто найти в «Википедии». Например, вы можете воспользоваться принципом Дирихле, чтобы доказать, что в Нью-Йорке по крайней мере у двух человек одинаковое число волос в шевелюре!

Часть из того, что мы здесь узнали, пригодится в следующей главе, где мы откроем для себя, возможно, самый важный аспект информатики.

Полезные материалы

• Дискретная математика и ее применения, 7-е издание (Discrete Mathematics and Its Applications, см. ).

• Слайды профессора Жаннет Уинг, иллюстрирующие вычислительное мышление, см. .