sp-8. プログラムの設計法と種々のエラー

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January 26, 22

スライド概要

(Scheme プログラミング)
URL: https://www.kkaneko.jp/cc/scheme/index.html

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金子邦彦(かねこくにひこ) 福山大学・工学部・教授 ホームページ: https://www.kkaneko.jp/index.html 金子邦彦 YouTube チャンネル: https://youtube.com/user/kunihikokaneko

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各ページのテキスト
1.

sp-8. プログラムの設計法と 種々のエラー (Scheme プログラミング) URL: https://www.kkaneko.jp/cc/scheme/index.html 金子邦彦 1

2.

アウトライン 8-1 プログラム設計法 8-2 種々のエラー 8-3 パソコン演習 8-4 課題 2

3.

8-1 プログラム設計法 3

4.

リングの面積 • 第1回講義の「リングの面積」について, 「プログラム設計法(Design Recipe)」を示す • 内径と外径からリングの面積を求めるプログ ラム area-of-ring を書く • 円の面積を求めるプログラム area-of-disk を使用 • 名前: area-of-ring • パラメータ: outer(外径), inner(内径) 真ん中に穴のあいた 円の面積と考える r1 r2 4

5.

リングの面積のプログラム (define (area-of-disk r) (* 3.14 (* r r))) (define (area-of-ring outer inner) (- (area-of-disk outer) (area-of-disk inner))) area-of-disk の部分 area-of-ring の部分 5

6.

実行結果の例 プログラムを コンピュータに与えて いる部分 (area-of-ring 5) を実行し,50.24 を得ている 6

7.

プログラム設計法 • 何をすべきか,そして,行うべきこと の順番についての段階的な規定 • Design Recipe (デザインレシピ)と もいう 7

8.

プログラム設計法 プログラム開発に必要な活動 1. Contract: • 2. 問題の解析,関数の名前と入出力の定義 Purpose: • 3. プログラムの目的の理解.プログラムの振る舞いの設計 Example • 4. プログラムの振る舞いを「例」で記述. Definition • 5. プログラムの定義 Test • 検査を通じた誤り(エラー)の発見 8

9.

Contract • 問題の解析 • 問題が取り扱うデータの種類の記述 area-of-ring : number number -> number プログラム名 (意味を良く表す名前) プログラムの 入力と出力 プログラム化すると ;; area-of-ring : number number -> number (define (area-of-ring outer inner) ...) 9

10.

Purpose • プログラムの振る舞いに関する仕様の明確化 • プログラムの仕様,目的など to compute the area of a ring whose radius is outer and whose hole has a radius of inner プログラムが何をするか, 何を計算するかを書いた文章 プログラム化すると ;; area-of-ring : number number -> number ;; to compute the area of a ring whose radius is ;; outer and whose hole has a radius of inner (define (area-of-ring outer inner) ...) 10

11.

Purpose の効果 • プログラムが何をするものかのコメント.引数名を コメント中に盛り込むと,よりわかりやすい ;; area-of-ring : number number -> number ;; to compute the area of a ring whose radius is ;; outer and whose hole has a radius of inner (define (area-of-ring outer inner) ...) 11

12.

Example • 例題を使った,プログラムの振る舞いの例示 • 入出力関係を特徴づけるような「例」での記述 area-of-ring should produce 50.24 for the inputs 5 and 3 入力と期待される出力 (プログラムの理解の助けになる) プログラム化すると ;; area-of-ring : number number -> number ;; to compute the area of a ring whose radius is ;; outer and whose hole has a radius of inner ;; example: (area-of-ring 5 3) should produce 50.24 (define (area-of-ring outer inner) ...) 12

13.

Example の効用 特定の入力に対する出力の記述 1. 論理的なエラーの発見の手段. 2. プログラムを正確に理解するための 手段(関数の入力と出力の関係や, 計算過程など) 3. 後でプログラムを読み返すときのた めの「メモ」として 13

14.

Definition • Example まで終わったら,プログラム本体の記述に取 りかかる. • Contract において「…」としていた部分を実際に作成 ドーナツ型の面積は,外側の面積から 内側の面積を引いたもの プログラムの振る舞い プログラム化すると ;; area-of-ring : number number -> number ;; to compute the area of a ring whose radius is ;; outer and whose hole has a radius of inner ;; example: (area-of-ring 5 3) should produce 50.24 (define (area-of-ring outer inner) (- (area-of-disk outer) (area-of-disk inner))) ) 14

15.

Definition • 与えられた入力から,プログラムがどのように出 力を計算するのかを理解した後に行う • 記述していた「Example」を再度見て,特定の入 力に対する出力をどのように計算したかを理解す ること • 入出力関係が,数式で与えられていれば, 直ちにプログラムを書ける → • 言葉で問題が与えられていれば, → 注意深くプログラムを作る 15

16.

Test • テストを通したエラーの発見 • 少なくとも,「Example」で書いた 場合のテストは行う • この段階で,エラーの発見に努める 16

17.

Test では • 「Example」に対して,期待された出力を計算す るかを確かめる. • 間違った出力に対しては → 「Example」と「プログラムの中身そのも の」を確認 Example の間違い プログラムの中身の間違い 17

18.

プログラム設計法の例(まとめ) Contract: area-of-ring : number number -> number (define (area-of-ring outer inner) … ) Purpose: to compute the area of a ring whose radius is outer and whose hole has a radius of inner Example: (area-of-ring 5 3) should produce 50.24 Definition: (define (area-of-ring outer inner) (- (area-of-disk outer) (area-of-disk inner))) Tests: (area-of-ring 5 3) ;; expected value 50.24 参考 Web ページ http://www.htdp.org/2001-11-21/Book/node14.htm 18

19.

ここまでのまとめ 1. Contract • 問題の解析.問題が取り扱うデータの種類の記述 2. Purpose • プログラムの振る舞いに関する仕様の明確化 (プログラムの仕様,目的など) 3. Example • 例題を使った,プログラムの振る舞いの例示 4. Definition • プログラムの作成 5. Test • テストを通したエラーの発見 19

20.

8-2 種々のエラー 20

21.

種々のエラー • 構文エラー(Syntax Errors) DrSchemeが 見つける. • 言語Schemeの書式に合っていない場合 e.g. (10) , (10 + 20), (define (P x) (+ (x) 10)) • 実行エラー(Run-time Errors) • Schemeの書式に合っているプログラムの全てが,結果 を返すとは限らない. e.g. (/ 1 0), (define (f n) (+ (/ n 3) 2))に対する(f 5 8) • 論理的エラー(Logical Errors) • Schemeの書式に合っていて,答えも出すが,その答え が間違っている. e.g. (define (area-of-triangle b h) (+ b h)) 注意深く,規則正しく (define (wage h) (+ 12 h)) プログラムを設計するこ とで発見できる. 21

22.

分野の知識(Domain Knowledge) • プログラムを定義するには,プログラムをしよ うとする領域の知識(分野の知識)が必要. • e.g. 数学の知識,音楽,生物学,土木工学,芸術.. • その領域の言葉を理解することが求められる • 時には,その応用領域のデータを表現する言語を発 明しなければならない. • コンピュータ言語にとらわれない,しっかりと した基礎の理解が不可欠. 22

23.

8-3 パソコン演習 23

24.

パソコン演習の進め方 • 資料を見ながら,「例題」を行ってみる • 各自,「課題」に挑戦する • 自分のペースで先に進んで構いません 24

25.

DrScheme の使用 • DrScheme の起動 プログラム • → PLT Scheme → DrScheme 今日の演習では「Intermediate Student」 に設定 Language → Choose Language → Intermediate Student → Execute ボタン 25

26.

例題1.条件式 • 残高 amount から利率を求める関数 interest-rate を作る • 残高が $1000 以下ならば: 4% • 残高が $5000 以下ならば: 4.5% • 残高が $5000より多ければ: 5% • 残高を条件とする条件式を使う • cond 句が登場 26

27.

例題1.条件式 利率 0.05 0.045 0.04 0 1000 5000 残高 27

28.

入力と出力 1500 0.045 interest-rate 入力 出力 28

29.

条件式のプログラム ;; interest-rate: number -> number ;; to determine the interest rate ;; for the given amount (define (interest-rate amount) (cond amount ≦ 1000 のとき [(<= amount 1000) 0.040] [(<= amount 5000) 0.045] 1000 < amount ≦ 5000 のとき [(> amount 5000) 0.050])) 5000 < amount のとき 条件式 29

30.

関数 element3 について • リストの長さが2以下の時には,「エラーメッ セージ」が表示される 例) (element3 (list 1 2)) → エラーメッセージが表示される 30

31.

(element3 (list 1 2)) から 実行エラーに至る過程 (element3 (list 1 2)) 最初の式 = (first (rest (rest (list 1 2))) (first (rest (rest a-list))) に a-list = (list 1 2) が 代入される = (first (rest (list 2))) (rest (list 1 2)) → (list 2) = (first empty) (rest (list 1)) → empty コンピュータ内部での計算 → 「空リスト empty に対して first を実行できない」 という決まりがあるので,実行エラー 31

32.

実行エラーの例 • first, rest に関する実行エラー(runtime error) 空で無 いリス ト 空リス ト 数値 first OK 実行エ ラー 実行エ ラー rest OK 実行エ ラー 実行エ ラー 32

33.

実行エラーの例 DrScheme の実行画面 33

34.

よくある勘違い (define (list-length a-list) (cond [(= a-list empty) 0] [else (+ 1 (list-length (rest a-list)))])) 終了条件の判定: ・ 正しくは「(empty? a-list)」 ・ x がリストのとき、(= x empty) は実行エラー ・ 「=」は数値の比較には使えるが,リスト同士の比較に は使えない 34

35.

実行エラーの例 35

36.

プログラム作製のプロセス 36

37.

エラーメッセージ • 期待された入力以外の時には,警告のメッセージ を出したい.error関数を使う. (error SYMBOL STRING) (define (give-name name) (cond [(symbol? name) (format “Hello, ~s” name)] [else (error ‘give-name “symbol expected”)])) 37

38.

;; profit: number -> number ;; to compute the profit as the difference between ;; revenue and costs at some given ticket-price (define (profit ticket-price) profit 関数 (- (revenue ticket-price) (cost ticket-price))) ;; revenue: number number -> number ;; to compute the revenue, given ticket-price (define (revenue ticket-price) revenue 関数 (* (attendees ticket-price) ticket-price)) ;; cost: number -> number ;; to compute the cost, given ticket-price (define (cost ticket-price) cost 関数 (+ 180 (* 0.04 (attendees ticket-price)))) ;; attendees: number -> number ;; to compute the number of attendees, ;; given ticket-price (define (attendees ticket-price) attendees 関数 (+ 120 (* (/ 15 0.10) (- 5.00 ticket-price)))) 38

39.

プログラムの作成手順と問題の分析について 1. 関数の名前とパラメータを決める 2. 関数の機能を,文章で書く 3. 関数の中身を書く 39

40.

8-4 課題 40

41.

課題1 • 次のように関数 f が定義されている時,「(f 5 20)」 を DrScheme で実行すると,どうな るか,説明せよ。 (define (f n) (* n 20)) 41

42.

課題2 • 次の Scheme式のエラーの原因について,分 かりやすく説明しなさい • 次のScheme式を DrScheme を使って実行すると, 赤い文字で,エラーメッセージが表示される 1. (10 + 20) ・・・構文エラー 2. (define (f y) ・・・実行エラー (+ x 10))のとき,(f 5)を実行 3. (define (g x) ・・・構文エラー + x 10) 4. (define h(x) ・・・構文エラー (+ x 10)) 5. (define (f n) ・・・実行エラー (+ (/ n 3) 2))のとき,(f 5 8)を実行 6. (+ 5 (/ 1 0)) ・・・実行エラー 42