Книга-тренажер: «Базовая подготовка к ЕГЭ по информатике в компьютерной форме». Авторский курс

Евгений Леонидович Сидоркин

Пособие содержит разбор многих типов задач и рекомендации по решению, а также краткие теоретические справки. Книга предназначена помочь школьникам и начинающим учителям эффективно подготовиться к единому государственному экзамену по информатике на базовом уровне. Книга рассчитана на новый формат сдачи экзамена по ЕГЭ по информатике в компьютерной форме. Разборы решения многих заданий представлены в двух вариантах: на языке Python и аналитическим методом без компьютера.

Глава 3. Кодирование и линейные алгоритмы

Задача №4. Кодирование и декодирование информации

Кодирование информации — процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки. Декодирование (операция, обратная кодированию) — перевод кодов в набор символов первичного алфавита. Кодирование может быть равномерное и неравномерное. При равномерном кодировании каждый символ исходного алфавита заменяется кодом одинаковой длины. На примере внизу мы видим, что все буквы имеют одинаковую длину — 2 бита, например, А=00, поэтому код равномерный.

При неравномерном кодировании разные символы исходного алфавита могут заменяться кодами разной длины.

Сообщение однозначно декодируемо с начала, если выполняется условие Фано: никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Сообщение однозначно декодируемо с конца, если выполняется обратное условие Фано: никакое кодовое слово не является окончанием другого кодового слова.

Пример 4.1

Для передачи сообщений, содержащих только буквы К, Л, М, Н, О, П, Р, решили использовать неравномерный двоичный код, в котором никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Это условие обеспечивает возможность однозначной расшифровки закодированных сообщений. Известны кодовые слова, использованные для некоторых букв: К — 11, Л — 000, П — 0010, Р — 1011. Какое кодовое слово надо назначить для буквы М, чтобы код удовлетворял указанному условию и при этом длина слова МОЛОКО после кодирования была наименьшей? Если таких кодов несколько, укажите код с наименьшим числовым значением.

Решение:

Изобразим буквы К, Л, П, Р на дереве (рекомендую на экзамене прямо так и рисовать мышкой, как у меня выше нарисовано). По условию задачи необходимо, чтобы слово не являлось началом другого кодового слово, т.к. необходимо, чтобы выполнялось прямое условие Фано. Необходимо поставить в дерево две буквы: О и М, чтобы условие Фано выполнялось. Как это сделать? Т.к. буква О в слове «молоко» встречается 3 раза, то мы поставим эту букву на меньшую глубину дерева (01), чтобы получить наименьший код. Букву М, которая встречается всего 1 раз, поставим на большую глубину дерева (100). Итого имеем следующие длины: М=100=3, О=01=2*3 (т.к. 3 раза встречается, поэтому умножаем на 3) =6, Л=000=3, К=11=2. Длина кода равна=3+6+3+2=14.

Ответ: 14.

Рассмотрим задачу на обратное условие Фано.

Пример 4.2

По каналу связи передаются сообщения, содержащие только четыре буквы: А, Б, В, Г. Для передачи используется двоичный код, допускающий однозначное декодирование. Для букв А, Б используются такие кодовые слова: А: 00011, Б: 1001, В: 01100. Укажите кратчайшее кодовое слово для буквы Г, при котором код будет допускать однозначное декодирование. Если таких кодов несколько, укажите код с наибольшим числовым значением.

Решение:

Для выполнения прямого условия Фано букву Г мы можем поставить на свободную ветку дерева, то Г=11 (кратчайший путь), т.к. этот путь не будет являться ничьим началом кодового слова. При обратном условии Фано букву Г=10 можем поставить (кратчайший путь), т.к. 10 не является окончанием ни одного из приведенных кодовых слов в условии. Г=00 взять не можем, т.к. 00 является окончанием В, и тогда не выполняется обратное условие Фано. Из двух чисел 11 и 10 наибольшее — 11.

Ответ: 11.

Пример 4.3

Для передачи данных по каналу связи используется 5битовый код. Сообщение содержит только буквы А, Б и В, которые кодируются следующими кодовыми словами: А — 11010, Б — 10111, В — 01101. При передаче возможны помехи. Однако некоторые ошибки можно попытаться исправить. Любые два из этих трёх кодовых слов отличаются друг от друга не менее чем в трёх позициях. Поэтому если при передаче слова произошла ошибка не более чем в одной позиции, то можно сделать обоснованное предположение о том, какая буква передавалась. (Говорят, что «код исправляет одну ошибку». ) Например, если получено кодовое слово 10110, считается, что передавалась буква Б. (Отличие от кодового слова для Б только в одной позиции, для остальных кодовых слов отличий больше.) Если принятое кодовое слово отличается от кодовых слов для букв А, Б, В более чем в одной позиции, то считается, что произошла ошибка (она обозначается «х»). Получено сообщение 11000 11101 10001 11111. Декодируйте это сообщение — выберите правильный вариант.

1) АххБ 3) хххх

2) АВхБ 4) АВББ

Решение:

Декодируем каждое слово сообщения. Первое слово: 11000 отличается от буквы А только одной позицией, поэтому на первом месте будет А. Второе слово: 11101 отличается от буквы В только одной позицией, поэтому на второй позиции будет В. Третье слово: 10001 отличается от любой буквы более чем одной позицией, поэтому третья позиция — x. Четвёртое слово: 11111 отличается от буквы Б только одной позицией, поэтому четвертая позиция — Б. Таким образом, ответ: АВхБ.

Ответ: 2.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 4.4

По каналу связи передаются сообщения, содержащие только четыре буквы: М, А, Р, Т. Для передачи используется двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Кодовые слова для некоторых букв известны: М — 101, Р — 100, Т — 01. Укажите кодовое слово минимальной длины, которое можно использовать для буквы А. Если таких кодовых слов несколько, приведите кодовое слово с минимальным числовым значением.

Примечание. Условие Фано означает, что соблюдается одно из двух условий: либо никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова, либо никакое кодовое слово не является окончанием другого кодового слова. Это обеспечивает возможность однозначной расшифровки закодированных сообщений.

Задача 4.5

По каналу связи передаются сообщения, содержащие только шесть букв: Я, Н, В, А, Р, Ь. Для передачи используется двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Кодовые слова для некоторых букв известны: Н — 00, В — 01, Р — 10, Ь — 111. Укажите минимально возможную длину закодированной последовательности для слова ВАРВАР.

Задача №5. Анализ, исполнение и построение линейного алгоритма для исполнителя

Алгоритм — это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает пятью важными чертами: конечность, определённость, ввод, вывод, эффективность.

Алгоритм можно задать одним из следующих способов:

• словесное описание последовательности действий на

естественном языке;

• графическое изображение в виде блок-схемы;

• запись при помощи псевдокода (алгоритмического

языка);

• запись на языке программирования.

В этом типе задач рассматривается в основном словесное описание алгоритмов на естественном языке, а потому никаких специальных знаний для решения задачи не требуется. В данных типах задач используются разные исполнители — от чертежника, черепашки до автомата. Рассмотрим основные типы задач, которые здесь могут быть использованы.

Пример 5.1

Алгоритм получает на вход натуральное число N и строит по нему новое число R следующим образом:

1. Строится двоичная запись числа N.

2. Складываются все цифры полученной двоичной записи. В конец записи (справа) дописывается остаток от деления суммы на 2.

3. Предыдущий пункт повторяется для записи с добавленной цифрой.

4. Результат переводится в десятичную систему.

Пример. Дано число N = 13. Алгоритм работает следующим образом:

1. Двоичная запись числа N: 1101.

2. Сумма цифр двоичной записи 3, остаток от деления на 2 равен 1, новая запись 11011.

3. Сумма цифр полученной записи 4, остаток от деления на 2 равен 0, новая запись 110110.

4. Результат работы алгоритма R = 54.

При каком наименьшем числе N в результате работы алгоритма получится R> 170? В ответе запишите это число в десятичной системе счисления.

Решение: Рассмотрим первое попавшееся число, которое больше 170. 171=10101011. У этого числа отделим последние два разряда 171= 101010 11 не походит, т.к., выполняя второе правило, алгоритм сложит все единицы, которые стоят слева от вертикальной линии 1+1+1=3, а затем 3 разделим на 2 без остатка и получим 1 и запишем эту единица справа от числа 101010 1. Затем снова применим второе правило к получившемуся числу 101010 1. И получим уже новое число 101010 10. Получившееся число 10101010=170 по условию задачи должно быть равно 171. Понятно, что 171 не равно 170, поэтому число 171 не подходит. Берем число 172=10101100. Проверяем его на второе правило 2 раза и видим, что число 172 подходит. Осталось только число 10101100 без двух правых нулей перевести в десятичную систему счисления. Получаем 101011=43.

Ответ: 43.

Решение задачи cпособом программирования на языке Python:

for n in range (42,64):

r = list ( bin (n)[2:]) # преобразуем число сначала в двоичную систему счисления и потом переводим его список строк

for i in range(len(r)):

r[i] = int(r[i]) # преобразуем каждую строку (двоичная цифра) в целый тип данных

r += [sum(r)%2] # добавляем остаток от деления справа от числа

r += [sum(r) % 2] # добавляем остаток от деления справа от числа

for i in range(len(r)):

r[i] = str(r[i]) # обратный перевод в список строк

if int(''. join(r), 2) >170:# переводим в целочисленный тип и проверяем на условие задачи

print (n)

break

Ответ: 43.

Пример 5.2

На вход алгоритма подается натуральное число N. Алгоритм строит по нему новое число R следующим образом.

1) Строится двоичная запись числа N.

2) К этой записи дописываются разряды по следующему правилу:

если два последних разряда одинаковые, дописывается 0, иначе дописывается 1.

3) К полученной записи дописывается еще один бит по правилу в пункте 2.

Полученная таким образом запись является двоичной записью искомого числа R.

Укажите минимальное число N, при вводе которого получится значение R больше, чем 61.

В ответе полученное число запишите в десятичной системе.

Решение:

Узнаем, какое число N может быть, чтобы в результате получилось 61.

61 = 111101 ₂

Убираем два младших разряда и исполняем алгоритм.

15=1111 ₂ — > (если два последних разряда одинаковые, то применяем первое правило) — > 11110₂ — > (два последних разряда разные) — > 111101 ₂ = 61.

Следовательно, из числа N = 15 ₁₀ получается R = 61_10. Значит, для того чтобы получить число большее 61, необходимо взять следующее N = 16.

Второй способ решения этой задачи заключается в том, что, как и в первой задаче, мы перебираем по порядку все числа большие 61. Числа 62, 63 под условие алгоритма не подходят, т.к. два последних разряда не соответствуют двум алгоритмам из условия, т.е., например, 62= 111110₂, где, откидывая 2 последних разряда, получаем число 11111_2, и из данного мы не можем получить число 111110₂, применив 2 алгоритма из условия. 64=1000000₂ под условие алгоритма походит, отбрасываем два правых разряда по условию задачи и получаем 10000₂=16.

Ответ: 16.

Пример 5.3

Автомат получает на вход четырехзначное число. По этому числу строится новое число по следующим правилам.

1. Умножаются первая и вторая, а также третья и четвертая цифры исходного числа.

2. Полученные два числа записываются друг за другом в порядке возрастания (без разделителей).

Пример. Исходное число: 5431. Произведения: 5 * 4 = 20; 3 * 1 = 3. Результат: 320. Укажите максимальное число, в результате обработки которого автомат выдаст число 1216.

Решение:

Рассмотрим число 1216. Так как это два произведения двух одноразрядных чисел, имеем два числа 12 и 16.

12 = 2*6 = 3*4

16 = 2*8

Максимально возможная цифра в найденных произведениях — 8. Т.к. необходимо получить максимальное число по условию задачи, значит, максимальное искомое число начинается на 82. Для получения 12 используется максимальное число — 6. Следовательно, оставшиеся два разряда 62.

Ответ: 8262.

Пример 5.4

Исполнитель Чертёжник перемещается на координатной плоскости, оставляя след в виде линии. Чертёжник может выполнять команду сместиться на (a, b), где a, b — целые числа. Эта команда перемещает Чертёжника из точки с координатами (x, y) в точку с координатами (x + a, y + b). Например, если Чертёжник находится в точке с координатами (4, 2), то команда сместиться на (2, — 3) переместит Чертёжника в точку (6, — 1).

Цикл

ПОВТОРИ число РАЗ

последовательность команд

КОНЕЦ ПОВТОРИ

означает, что последовательность команд будет выполнена указанное число раз (число должно быть натуральным).

Чертёжнику был дан для исполнения следующий алгоритм (количество повторений и смещения в первой из повторяемых команд неизвестны):

НАЧАЛО

сместиться на (—1, 4)

ПОВТОРИ… РАЗ

сместиться на (…,…)

сместиться на (—1, — 2)

КОНЕЦ ПОВТОРИ

сместиться на (—23, — 12)

КОНЕЦ

После выполнения этого алгоритма Чертёжник возвращается в исходную точку. Какое наибольшее число повторений могло быть указано в конструкции «ПОВТОРИ… РАЗ»?

Решение:

Будем считать, что Чертёжник находится в начале координат. После выполнения команды сместиться на (—1, 4) Чертёжник окажется в точке с координатами (—1, 4). После выполнения цикла Чертёжник переместится, по оси икс Чертёжник сместится на — 1+n (-1+x) — 23 и по игреку на 4+n (-2+y) — 12, где n, x, y — неизвестные. В результате последнего перемещения Чертёжник должен переместиться в начало координат, то есть:

— 1+n (-1+x) — 23=0 и 4+n (-2+y) — 12=0

В первом и втором уравнении перенесем цифры в правую часть и получим 1+23=24 и 12—8=8. Остается только найти наибольший общий делитель чисел 24 и 8. Это число 8.

Ответ: 8.

Пример 5.4

Исполнитель Робот существует в лабиринте — поле, представленном в виде квадрата 6х6. Робот имеет две команды: влево и вниз, вверх, вниз, которые перемещают его на клетку влево или вниз соответственно. При попытке выхода за границы лабиринта или столкновения со стеной Робот разрушается.

Цикл

ПОКА условие

последовательность команд

КОНЕЦ ПОКА

выполняется, пока условие истинно.

В конструкции

ЕСЛИ условие

ТО команда1

ИНАЧЕ команда2

КОНЕЦ ЕСЛИ

выполняется команда1 (если условие истинно) или команда2 (если условие ложно).

Сколько клеток лабиринта соответствуют требованию, что, начав движение в ней и выполнив предложенную программу, РОБОТ уцелеет и закончит работу в клетке начала движения?

НАЧАЛО

ПОКА <снизу свободно>

вниз

КОНЕЦ ПОКА

ПОКА <слева свободно>

влево

КОНЕЦ ПОКА

ПОКА <сверху свободно>

вверх

КОНЕЦ ПОКА

ПОКА <справа свободно>

вправо

КОНЕЦ ПОКА

КОНЕЦ

Решение:

1) Заметим, что в общем случае Робот идет сначала до стены вниз, затем влево, потом вверх и заканчивает маршрут движением вверх, до стены.

Один из главных приёмов в решении этой задачи — проверять клетки группами, а не по одной.

Проверим почти все клетки Робота на предмет того, подходит ли алгоритм:

— A6 — маршрут вниз-вверх — подходит;

— F6 — маршрут влево-вправо — подходит;

— D5 — маршрут вниз-влево, вверх, вправо — подходит;

— E5 — маршрут вниз-влево, вверх, вправо (остановка в D5) — не подходит;

— B4 — маршрут вниз-вверх-вправо (остановка в D4) — не подходит;

— C4 — не двигается, стоит на одном месте — подходит;

— C2 — не двигается, стоит на одном месте — подходит;

— F5 — маршрут вниз-вверх — подходит;

— F4 — вниз-вверх (остановка F5) — не подходит;

— F3 — вниз-вверх (остановка F5) — не подходит;

— F2 — вниз-вверх (остановка F5) — не подходит;

— F1 — вверх (остановка F5) — не подходит;

— A2 — вверх (остановка в А6) — не подходит;

— A1 — не двигается — подходит;

— E1 — влево-вверх-вправо (остановка в D4) — не подходит.

Задача, конечно, нудная, т.к. проверять нужно все клетки, в которых вы сомневаетесь. Понятно, что клетки пустые, где нет стенок, в них Робот начать и остановиться не сможет, поэтому эти клетки можно не проверять. Иногда такие задачи дают на экзамене, и лучше вычеркивать клетки в приложении «Ножницы». Здесь нужна высокая степень концентрации.

Ответ: 7.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 5.5

На вход алгоритма подаётся натуральное число N. Алгоритм строит по нему новое число R следующим образом:

1) Строится двоичная запись числа N.

2) К этой записи дописываются справа ещё два разряда по следующему правилу: если N чётное, в конец числа (справа) дописывается сначала ноль, а затем единица. В противном случае, если N нечётное, справа дописывается сначала единица, а затем ноль.

Например, двоичная запись 100 числа 4 будет преобразована в 10001₂, а двоичная запись 111 числа 7 будет преобразована в 11110₂.

Полученная таким образом запись (в ней на два разряда больше, чем в записи исходного числа N) является двоичной записью числа R — результата работы данного алгоритма.

Укажите минимальное число R, которое больше 102 и может являться результатом работы данного алгоритма. В ответе это число запишите в десятичной системе счисления.

Задача 5.6

Исполнитель Чертёжник перемещается на координатной плоскости, оставляя след в виде линии. Чертёжник может выполнять команду сместиться на (a, b), где a, b — целые числа. Эта команда перемещает Чертёжника из точки с координатами (x, y) в точку с координатами (x + a, y + b). Например, если Чертёжник находится в точке с координатами (4, 2), то команда сместиться на (2, — 3) переместит Чертёжника в точку (6, — 1).

Цикл

ПОВТОРИ число РАЗ

последовательность команд

КОНЕЦ ПОВТОРИ

означает, что последовательность команд будет выполнена указанное число раз (число должно быть натуральным). Чертёжнику был дан для исполнения следующий алгоритм (количество повторений и смещения в первой из повторяемых команд неизвестны):

НАЧАЛО

сместиться на (4, 6)

ПОВТОРИ… РАЗ

сместиться на (…,…)

сместиться на (-1, — 2)

КОНЕЦ ПОВТОРИ

сместиться на (20, 30)

КОНЕЦ

После выполнения этого алгоритма Чертёжник возвращается в исходную точку. Какое наибольшее число повторений могло быть указано в конструкции «ПОВТОРИ… РАЗ»?

Задача 5.7

Система команд исполнителя РОБОТ, «живущего» в прямоугольном лабиринте на клетчатой плоскости, включает в себя 4 команды-приказа и 4 команды проверки условия.

Команды-приказы: вверх, вниз, влево, вправо

При выполнении любой из этих команд РОБОТ перемещается на одну клетку соответственно: вверх ↑, вниз ↓, влево ←, вправо →.

Если РОБОТ начнёт движение в сторону находящейся рядом с ним стены, то он разрушится, и программа прервётся.

Другие 4 команды проверяют истинность условия отсутствия стены у каждой стороны той клетки, где находится РОБОТ:

Конец ознакомительного фрагмента.