プログラミング論I - 兵庫県立大学 工学部・大学院工学研究科 University

プログラミング論Ｉ
担当
小橋（情報システムコース）
講義担当者
• 小橋昌司
– 情報システムコース所属
– [email protected]
– http://www.eng.u-hyogo.ac.jp/eecs/kobashi/index-j.html
• 他担当科目
Brain
1
– プログラミング演習（１年後期）
– 電気系工学実験ＩＩ（３年生通年）
• 研究内容
Cerebral Aneurysm
これまでの研究成果
3
Brain Function
Lung Lobe
膵管
Liver
S
R
L
I
Artificial Hip Joint
Foot Bone
Artificial Knee Joint
– 医用画像処理
Meniscus(半月板)
L
P
A
兵庫県立大学
R
プログラミング論Ⅰ
2
2
講義の達成目標
• プログラミングの考え方（アルゴリズム）を理解
• アルゴリズムを実現するＣ言語文法の基礎
プログラミング論Ⅰ
3
講義の進め方
• プログラミング演習と連携して行います．
• 授業中にQuizを出します．
Quiz中は周囲の人との相談，教員，TAへの相談を
積極的に行ってください．
プログラミング論Ⅰ
4
オリエンテーション
• 授業スライド
– Ｗｅｂページに掲載するので，各自印刷して持参すること
http://www.eng.u-hyogo.ac.jp/eecs/kobashi/study/ProgrammingI
• テスト
– 理解度テスト
– 期末テスト
• 成績評価
– テストの点数(理解度テストおよび期末テスト)のみ
• 出席
– 授業開始10分までにパソコンにログインしておくこと
– 自動的に出席を取ります
プログラミング論Ⅰ
5
オフィスアワー
•
•
•
時間： 毎週水曜日３時限（１３：００から１４：３０）
場所 ６号館３階６３１３室
内容
– Ｃ言語が苦手な人へ
• 講義内容の補足説明
• 簡単な練習用Ｑ＆Ａ
• 試験対策
– Ｃ言語が得意な人へ
• より発展的な内容の説明
• 実プログラムの問題提示
• 実プログラミングのアドバイス
プログラミング論Ⅰ
6
プログラミングって？
• Wikiより
– 「コンピュータプログラムを作成すること」
– 「コンピュータプログラム」とは「コンピュータの分
野におけるプログラム（コンピュータプログラム、
英：computer programs、ソフトウェアプログラム
、英：software programs）とは、コンピュータに対
する命令（処理）を記述したものである [1] 。」
• JIS規格
– 問題を解決する方法およびその手順（アルゴリズ
ム）を，コンピュータが理解できる言語で記述する
7
プログラミング論Ⅰ
こと
何に使われる
• ゲーム開発，ソフトウェア開発
• Webアプリ，携帯アプリ(android, iOS, etc)
• 組込みプログラミング．マイコン電子機器に
内蔵されたMPU(microprocessor unit)用の
プログラミング．
• 電子回路（LSI）設計．
プログラミング論Ⅰ
非常に多くの場所で使われおり，
プログラミングが必要でない分野は
8
考えられない
組み込みプログラミング
PSoC
プログラミング論Ⅰ
9
電子回路設計
FPGAボード
プログラミング論Ⅰ
10
プログラミングに必要なもの
1. プログラミング言語
2. アルゴリズム
3. アルゴリズムを作成する基礎学力
プログラミング論Ⅰ
11
プログラミングに必要なこと
① プログラミング言語
•
•
•
•
•
C, C++
JAVA
VBA
Fortran
HDL(ハードウェア記述言語)など
プログラミング論Ⅰ
12
本学でのプログラミング関連授業
～電子情報電気工学科情報システムコースの場合～
• １年生
– 前期： 情報科学
– 後期： プログラミング論I,
プログラミング演習
• ２年生
– 前期： プログラミング論II,
コンピュータ実習A
– 後期： コンピュータ実習B
• 大学院（修士・博士）
– 修士研究
– 博士研究
• その他
– プロコンサークル
• ３年生
– 前期： アルゴリズム，
コンピュータ実習C，
電気系工学実験C
– 後期： コンピュータ実習D，
電気系工学実験D
「問題を解く力」を養成する科目は，
数学，電気電子回路，電磁気，情
報理論，などすべての科目
• ４年生
– 卒業研究
プログラミング論Ⅰ
13
電気系工学実験CD(３年生)
～psocプログラミング～
• 指定されたコースをより短時間で走行する
自律走行ロボットカーを作成
• 規則
– psoc(組込みマイコン)を使う
– 予算（３，０００円以下）
– スタート後は接触，リモコン等の禁止，等
• 評価
– 走行時間
– 作成コンセプトの面白さ
（プレゼンテーションで評価）
プログラミング論Ⅰ
14
オリエンテーション・準備
プログラミング論Ⅰ
15
走行前の最終調整
プログラミング論Ⅰ
16
走行風景（動画）
プログラミング論Ⅰ
17
最優秀者の表彰式
プログラミング論Ⅰ
18
計算機実習（３年生）
• プログラミング言語（C，C++，JAVA等任意）
を使って，自由にアプリケーションを企画，作
成．
プログラミング論Ⅰ
学生の作成アプリの一例 （自炊のために，カメラで撮影した
画像から，本の部分のみを自動切り出しするソフト）
19
ACMプログラミングコンテスト
• 国内予選(2013年7月12日) (結果) 通過
!!
• アジア地区予選(2013年11月23-24日＠会津
大学)
• 世界大会(2014年6月3-4日＠インド)
プログラミング論Ⅰ
20
インターネット予選（学内）の風景
2013年国内予選問題の一部
• デモクラティア共和国の大統領は，以下のような複数段階の選挙により
選ばれる．
–
–
–
–
大統領選挙の候補者は2名である．
第1段階の選挙では，有権者は選挙区ごとに投票する．有権者の過半数の票を得た候補者がその選挙区の勝者と
なる．有権者が投票するのはこの第1段階だけである．
第k段階 (k > 1) の選挙区は，複数の第k − 1段階の選挙区を含む．一方，第k − 1段階の各選挙区は，ちょうど一
つの第k段階の選挙区に含まれる．そして，第k段階の選挙区の勝者は，この選挙区に含まれる第k − 1段階の選
挙区のうち過半数で勝った候補者である．
最終段階の選挙区は全国区であり一つしかない．ここでの勝者が大統領に選ばれる．
• この国の大統領選挙では，以下の仮定が成り立つ．
–
–
–
–
すべての有権者が，それぞれ一票を投じる．
第1段階の各選挙区の有権者数は奇数である．
第k段階 (k >1) の各選挙区に含まれる第k − 1段階の選挙区の数も奇数である．
したがって，すべての段階のすべての選挙区で，必ずどちらかの候補が勝つ (引き分けはない)．
• あなたの仕事は，なるべく少ない得票数で大統領選挙に勝つ方法を求め
るプログラムを作成することである． たとえば，最終段階の選挙区がちょ
うど三つの第1段階の選挙区を含んでおり，これらの第1段階の選挙区
の有権者数がそれぞれ123名，4567名，89名だったとする． この場合，
最初の選挙区で62票，3番目の選挙区で45票の計107票を獲得するの
21
プログラミング論Ⅰ
が，最も少ない得票数で勝つ方法になる．
研究
• 卒業研究
– ４年生の１年間で，指導教員の指導の下，学術
研究を実施し，その研究成果を年度末に口頭発
表し，卒業論文を提出する
• 大学院研究
– 修士２年間で，・・・以下同文
– 積極的に国内外学会で発表
プログラミング論Ⅰ
学生の発表風景
22
WCCI@バルセロナ,2010
研究の例
～卒業研究，修士論文の題目より抜粋～
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
断層画像データからの３次元モデル再構
築
オートマトンモデルによる非同期論理素
子回路の構築
ホップフィールドニューラルネットワークに
よる想起
外来患者待ち時間予測システム
強化学習を用いた戦略決定
サポートベクタマシンを用いたにおい識
別
ファジィ理論による歩行レベル推定法
超音波装置を用いた筋肉厚さ測定
ファジィ医用画像処理
ぜんそく発作数の地域別要因分析と予測
計算機シミュレーションによるラマン分光
法
プログラミング論Ⅰ
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PSoCを用いた生体情報モニタリングシス
テム
身体活動モニタリングシステムの低消費
電力化
無線LANを用いた屋内位置推定
自立移動ロボットの自己推定と障害物回
避
３次元断層顕微鏡による局面画像再生
ホログラフィック顕微鏡を用いた生体試料
観察
Web検索での網羅度を用いた未閲覧情
報の表示
看護ケアテキスト評価支援
方程式誤差法による音源方向推定
パンの画像識別
情報システムコースの多くの研究テーマ
はプログラミングが基本技術
23
第1回
プログラムとフローチャート
Ａｇｅｎｄａ
• アルゴリズムとは
• フローチャート
– 部品
– 記述方法
プログラミング論Ⅰ
25
アルゴリズムとは
•
JIS規格：「問題を解くためのものであって、
明確に定義され、順序付けられた有限個の
規則からなる集合」
プログラミング論Ⅰ
26
Quiz 1-1: アルゴリズム
• ［問題］ 金額７３円を，この金額を５０円硬貨
，１０円硬貨，５円硬貨，１円硬貨で出すとき，
それぞれの枚数を求めよ．ただし，全体の硬
貨枚数を最小になるように，各硬貨の枚数を
求めなければならない．
プログラミング論Ⅰ
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Answer 1-1: アルゴリズム
•
•
•
•
５０円玉
１０円玉
５円玉
１円玉
プログラミング論Ⅰ
１枚
２枚
０枚
３枚
28
Answer 1-1: アルゴリズム
1. ７３÷５０＝１ 余り ２３
2. ２３÷１０＝２ 余り ３
3. ３÷ ５＝０ 余り ３
4. ３÷ １＝３ 余り ０
プログラミング論Ⅰ
５０円硬貨
１０円硬貨
５円硬貨
１円硬貨
１枚
２枚
０枚
３枚
29
Quiz 1-2: アルゴリズム
• ［問題］ 金額Y円を，この金額を５０円硬貨，
１０円硬貨，５円硬貨，１円硬貨で出すとき，
それぞれの枚数を求めよ．ただし，全体の硬
貨枚数を最小になるように，各硬貨の枚数を
求めなければならない．
プログラミング論Ⅰ
30
Answer 1-2: アルゴリズム
1.
2.
3.
4.
Y÷５０＝Ｃ５０ 余り X
Ｘ÷１０＝Ｃ１０ 余り Ｘ
Ｘ÷ ５＝Ｃ５ 余り Ｘ
X
プログラミング論Ⅰ
５０円硬貨
１０円硬貨
５円硬貨
１円硬貨
Ｃ５０枚
Ｃ１０枚
Ｃ５枚
Ｃ１枚
31
Answer 1-2: アルゴリズム
1.
Y÷５０＝Ｃ５０ 余り X
５０円硬貨 Ｃ５０枚
1.
2.
Y÷５０の商Ｃ５０を求める
１の余りをＸに代入する
2.
Ｘ÷１０＝Ｃ１０ 余り Ｘ
１０円硬貨 Ｃ１０枚
3.
4.
Ｘ÷１０の商Ｃ１０を求める
３の余りをＸに代入する
3.
Ｘ÷ ５＝Ｃ５ 余り C1
５円硬貨 Ｃ５枚
5.
6.
Ｘ÷ ５の商Ｃ５を求める
５の余りをＣ１に代入する
すべての計算手順を明らかにする
値はすべて変数に代入する
プログラミング論Ⅰ
32
C言語プログラミング
アルゴリズム
C言語
1.
2.
3.
4.
5.
6.
#include <stdio.h>
int main()
{
Y÷５０の商Ｃ５０を求める
１の余りをＸに代入する
Ｘ÷１０の商Ｃ１０を求める
３の余りをＸに代入する
Ｘ÷ ５の商Ｃ５を求める
５の余りをＣ１に代入する
プログラミング論Ⅰ
int X, Y, C1, C5, C10, C50;
Y=73;
C50 = Y / 50;
X = Y % 50;
C10 = X / 10;
X = C10 % 10;
C5 = X / 5;
C1 = X % 5;
printf(“%d, %d, %d, %d¥n”,
C50, C10, C5, C1);
return 0;
}
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アルゴリズムを記述する方法
• フローチャート
• NSチャート
• PAD
プログラミング論Ⅰ
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アルゴリズムの例
• 問題「3値(a,b,c)の最大値(max)を求める」
• 自然言語による記述（これが重要）
1.maxにaを代入
2.bの値がmaxより大きいとき、maxにbを代入
3.ｃの値がmaxより大きいとき、maxにｃを代入
プログラミング論Ⅰ
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フローチャートの例
• 問題「3値(a,b,c)の最大値
(max)を求める」
開始
max=a
• 自然言語による記述
1. maxにaを代入
2. bの値がmaxより大きい
とき、maxにbを代入
3. ｃの値がmaxより大きい
とき、maxにｃを代入
b>max
yes
max=b
No
c>max
No
yes
max=c
終了
プログラミング論Ⅰ
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主な部品１
• 端子（開始、終了など）
• 入出力（データ）
データ
端子
• 処理（数値計算など）
• 手作業入力
処理
手作業入力
• 判断（２つ以上の条件分岐）
判断
JIS規格より抜粋
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主な部品２
• ループ端
• 結合子（他の場所へつ
なげる）
ループ端（開始）
ループ端（終了）
• 表示（画面への表示など） • 流れ線
プログラミング論Ⅰ
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主な書き方１
• 上から下へ流れる
開始
処理１
処理２
終了
プログラミング論Ⅰ
39
Quiz 1-3: アルゴリズム
• 以下を行うフローチャートを示せ．
• 金額Y円を，この金額を５０円硬貨，１０円硬
貨，５円硬貨，１円硬貨で出すとき，それぞれ
の枚数を求めよ．ただし，全体の硬貨枚数を
最小になるように，各硬貨の枚数を求めなけ
ればならない．
– ただし，X÷Yの商Zは， Z = X / Y
X÷Yの余りZは， Z = X % Y
で求められるとする
プログラミング論Ⅰ
40
Answer 1-3: アルゴリズム
開始
1.
2.
Y÷５０の商Ｃ５０を求める
１の余りをＸに代入する
3.
4.
Ｘ÷１０の商Ｃ１０を求める
３の余りをＸに代入する
5.
6.
Ｘ÷ ５の商Ｃ５を求める
５の余りをＣ１に代入する
C50 = Y / 50
1
X = Y % 50
2
C10 = X / 10
3
X = X % 10
4
C5= X / 5
5
C1 = X % 5
6
終了
プログラミング論Ⅰ
41
主な書き方２
• 分岐がある場合
開始
判断
no
yes
処理１
処理２
終了
プログラミング論Ⅰ
42
主な書き方３
開始
• 複数分岐
判断
1
処理１
2
処理２
それ以外
処理３
処理４
終了
プログラミング論Ⅰ
43
主な書き方４
• 繰り返し
開始
ループ端
条件
処理１
ループ端（終了）
プログラミング論Ⅰ
終了
44
Quiz 1-4: フローチャート記述
• 1から10までの整数の合計(sum)を計算する
アルゴリズムを自然言語による記述で示せ．
プログラミング論Ⅰ
45
Answer 1-4: フローチャート記述
• 自然言語による記述
1.
2.
3.
4.
5.
6.
プログラミング論Ⅰ
sumに0を代入
iに1を代入する
iが10より大きいとき終了する
sumにsumとiの和を代入する
iにiと1の和を代入する
3に戻る
46
Quiz 1-5: フローチャート記述
• Quiz1-4（以下）のフローチャートをループを
用いずに示せ．
• 1から10までの整数の合計(sum)を計算する
アルゴリズムを自然言語による記述で示せ．
プログラミング論Ⅰ
47
Answer 1-5: フローチャート記述
自然言語による記述
1. sumに0を代入
2. iに1を代入する
3. iが10より大きいと
き終了する
4. sumにsumとiの
和を代入する
5. iにiと1の和を代入
する
6. 3に戻る
開始
sum=0
i=1
no
i ≤10
yes
sum=sum+i
i=i+1
プログラミング論Ⅰ
終了
48
Quiz 1-6: フローチャート記述
• Quiz1-4（以下）のフローチャートをループを
用いて示せ．
• 1から10までの整数の合計(sum)を計算する
アルゴリズムを自然言語による記述で示せ．
プログラミング論Ⅰ
49
Answer 1-6: フローチャート記述
開始
自然言語による記述
1. sumに0を代入
2. iに1を代入する
3. iが10より大きいと
き終了する
4. sumにsumとiの
和を代入する
5. iにiと1の和を代入
する
6. 3に戻る
sum=0
i=1
ループ1
i ≤10
sum=sum+i
自然言語による記述
1. sumに0を代入
2. iに1を代入する
3. iが10以下の時
ループ１を繰り返す
4. sumにsumとiの和
を代入する
5. iにiと1の和を代入
する
i=i+1
ループ1
プログラミング論Ⅰ
終了
50
Ｃ言語プログラムの構造
#include <stdio.h>
main()
{
printf("hello world¥n");
return 0;
}
プログラミング論Ⅰ
必ず覚える
注意
１．括弧（）
２．セミコロン（；）
← 実行文
この箇所に任意の
プログラムを記述する
51
変数
• アルゴリズムでは，値を必ず変数に代入する
• Ｃ言語における変数について
– 変数は使用前に必ず定義が必要
– 値の違い（整数，小数など）により定義方法が異
なる
プログラミング論Ⅰ
52
変数の定義
• 整数(integer)の場合
int a;
char a;
文の最後
• 小数(float)の場合
float a;
文の最後
変数の種類
変数の種類
変数名
変数名
違い：格納可能な値の範囲が異なる
int は －231 から ＋231－1
0 から 255
charは
プログラミング論Ⅰ
53
変数への代入
• 変数の定義
int a, b;
複数の変数を一度に定義できる
変数を ， で区切る
• 数値の代入
a = 5;
各命令の最後は必ず ；
• 数値の計算
b = a / 5;
プログラミング論Ⅰ
割り算は / と記述
54
Quiz 3-1: 初めてのプログラミング
• ３つの変数x, y, zを定義し，xに5を代入，yに
１０を代入し，ｚにｘとｙの和を代入するプログ
ラムを作成せよ．
プログラミング論Ⅰ
55
Answer 3-1: 初めてのプログラミング
• ３つの変数x, y, zを定
義し，xに5を代入，yに
１０を代入し，ｚにｘとｙ
の和を代入するプログ
ラムを作成せよ．
プログラミング論Ⅰ
#include <stdio.h>
main()
{
int x, y, z;
x = 5;
y = 10;
z = x + y;
return 0;
}
56
プログラミング演習受講者への
アナウンス
• クラス分けとWebサイトのURLについては掲
示
• Webサイトで公開している資料については熟
読してきていることを前提に実習を行う
• 不明な点があれば実習の際に質問の時間を
設けるのでその際に質問を受け付ける
プログラミング論Ⅰ
57