Для чего используют функции
Для чего используют функции
Исследование применения математических функций в повседневной жизни
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
В общеобразовательной школе с 7 класса начинается изучение предмета «Алгебра» и, по мнению многих учащихся, является одним из сложнейших школьных предметов. Многие учащиеся не понимают назначения алгебры в жизни, так как не понимают, где в жизни есть применение многих алгебраических понятий вообще.
Передо мной встал вопрос: найти применение такого алгебраического понятия как функция в повседневной жизни, и вообще нужна ли алгебра в жизни людей?
Проблема: Последнее время падает интерес к точным наукам у школьников, снижается интерес к изучению алгебры, геометрии, так как многие школьники не видят их связи в жизни. Я решила изучить этот вопрос.
Объект исследования: функции и их приложения
Тема: Функции в жизни.
Цель: Обобщить знания по функциям, изучаемым в 7 классе и исследовать области применения этих функций функции в повседневной жизни.
Чтобы дать подробный ответ на данный вопрос, я поставила перед собой ряд задач:
на основе изучения литературы и Интернет-ресурсов найти точки соприкосновения между функциями и практической действительностью;
обобщить знания о функциях, изучить области их применения.
Гипотеза: Области предмета изучаемые в школе имеют непосредственное применение в жизни.
Методы исследования: Теоретический метод, Изучение литературы, Математический метод, Статистический метод, Анкетирование.
Функция это не только математическое понятие, но и:
функция это работа, производимая органом, организмом; роль, значение чего-либо;
функция в математике это закон зависимости одной величины от другой;
функция этовозможность, опция, умение программы или прибора;
функцияэто обязанность, круг деятельности;
функцияперсонажа в литературном произведении;
функция это вид подпрограммы в информатике социальная функция.
Каждая область знаний: физика, химия, биология, социология, лингвистика имеет свои объекты изучения, устанавливает свойства и, что особенно важно, взаимосвязи этих объектов.
В различных науках и областях человеческой деятельности возникают количественные соотношения, и математика изучает их в виде свойств чисел.
Математика создает условия для развития умения применять теоретические знания для решения практических задач, ориентироваться в окружающей нас действительности. Нам кажется, что функциональные зависимости могут касаться самых разнообразных явлений природы и окружающей среды. Каждому человеку в его повседневной практической деятельности приходится применять практические приемы геометрических измерений и построений, читать информацию, представленную в виде таблиц, диаграмм, графиков. Без конкретных математических знаний затруднено понимание и восприятие научных знаний, разнообразной социальной, экономической, технологической информации.
Свободное владение техникой построения графиков часто помогает решать многие задачи, а порой является естественным средством их решения. Математика является языком различных областей науки и нашей жизни.
Экологические проблемы являются глобальными проблемами человечества, всех стран независимо от размеров территории, численности населения, уровня экономического развития.
С функцией мы встречаемся каждый день.
Поход в магазин. Стоимость покупки возрастает с ростом количества товаров.
Способы задания функции.
Самый распространенный способ, при котором функция задается формулой, устанавливающей, какие вычислительные операции надо произвести над х, чтобы найти у.
Примеру =kx+b; ; s=vt ; s=ab.
Меньше слов, больше дела;
Чем дальше в лес, тем больше дров;
При табличном способе задания функция задается в виде таблицы, в которой для каждого значения аргумента указывается соответствующее ему значение функции. Табличный способ общеизвестен (таблица квадратов и таблица кубов натуральных чисел и т. д.). Этот способ сразу даёт числовое значение функции. В этом его преимущество перед другими способами.
Функции. Зачем они нужны и как их писать, чтобы вас уважали программисты
Сложная важная статья для тех, кто хочет стать крутым программистом.
Хороший программист старается делать свои функции чистыми. Если знать, что это такое, можно сойти за своего, а заодно написать читаемый код.
Если вы не совсем понимаете, что такое функция и зачем она нужна — добро пожаловать в наш кат:
Что такое функция
Функция — это мини-программа внутри вашей основной программы, которая делает какую-то одну понятную вещь. Вы однажды описываете, что это за вещь, а потом ссылаетесь на это описание.
Например, вы пишете игру. Каждый раз, когда игрок попадает в цель, убивает врага, делает комбо, заканчивает уровень или падает в лаву, вам нужно добавить или убавить ему очков. Это делается двумя действиями: к старым очкам добавляются новые, на экран выводится новая сумма очков. Допустим, эти действия занимают 8 строк кода.
Допустим, в игре есть 100 ситуаций, когда нужно добавить или убавить очки — для каждого типа врага, преграды, уровня и т. д. Чтобы в каждой из ста ситуаций не писать одни и те же восемь строк кода, вы упаковываете эти восемь строк в функцию. И теперь в ста местах вы пишете одну строку: например, changeScore(10) — число очков повысится на 10.
Если теперь изменить, что происходит в функции changeScore(), то изменения отразятся как бы во всех ста местах, где эта функция вызывается.
Зачем нужны функции
Функции нужны, чтобы заметно упрощать и сокращать код, адаптировать его для разных платформ, делать более отказоустойчивым, легко отлаживать. И вообще порядок в функциях — порядок в голове.
Возьмём тот же пример с подсчётом очков. Что если при добавлении очков нужно не только выводить их на экран, но и записывать в файл? Просто добавляете в определении функции дополнительные команды, связанные с файлами, и они теперь будут исполняться каждый раз, когда функцию снова вызовут в основной программе. Не нужно ползать по всему коду, искать места с добавлением очков и дописывать там про файлы. Меньше ручного труда, меньше опечаток, меньше незакрытых скобок.
А что если нужно не только писать очки в файл, но и следить за рекордом? Пишем новую функцию getHighScore(), которая достаёт откуда-то рекорд по игре, и две другие — setHighScore() и celebrateHighScore() — одна будет перезаписывать рекорд, если мы его побили, а вторая — как-то поздравлять пользователя с рекордом.
Теперь при каждом срабатывании changeScore() будет вызывать все остальные функции. И сколько бы раз мы ни вызвали в коде changeScore(), она потянет за собой всё хозяйство автоматически.
Сила ещё в том, что при разборе этой функции нам неважно, как реализованы getHighScore(), setHighScore() и celebrateHighScore(). Они задаются где-то в другом месте кода и в данный момент нас не волнуют. Они могут брать данные с жёсткого диска, писать их в базу данных, издавать звуки и взламывать Пентагон — это будет расписано внутри самих функций в других местах текста.
А без функции пришлось бы писать огромную программу-валидатор прямо внутри кнопки. Это исполнимо, но код выглядел бы страшно громоздким. Что если у вас на странице три формы, и каждую нужно валидировать?
Хорошо написанные функции резко повышают читаемость кода. Мы можем читать чужую программу, увидеть там функцию getExamScore(username) и знать, что последняя каким-то образом выясняет результаты экзамена по такому-то юзернейму. Как она там устроена внутри, куда обращается и что использует — вам неважно. Для нас это как бы одна простая понятная команда.
Можно написать кучу вспомогательных функций, держать их в отдельном файле и подключать к проекту как библиотеку. Например, вы написали один раз все функции для обработки физики игры и потом подключаете эти функции во все свои игры. В одной — роботы, в другой — пираты, но в обеих одна и та же физика.
Функции — это бесконечная радость. На этом наш экскурс в функции закончен, переходим к чистоте.
Что такое чистые функции
Есть понятие чистых функций. Это значит, что если функции два раза дать на обработку одно и то же значение, она всегда выдаст один и тот же результат и в программе не изменит ничего, что не относится непосредственно к этой функции. То есть у чистой функции предсказуемый результат и нет побочных эффектов.
Один и тот же результат
Допустим, мы придумали функцию, которая считает площадь круга по его радиусу: getCircleArea(). Для наших целей мы берём число пи, равное 3,1415, и вписываем в функцию:
Теперь этой функции надо скормить число, и она выдаст площадь круга:
Разработчик может быть уверен, что эта функция всегда выдаст нужную для его задачи площадь круга и не будет зависеть от каких-либо других вещей в его программе. Эта функция с предсказуемым результатом.
Другой пример. Мы пишем программу-таймер, которая должна издать звук, например, за 10 секунд до конца отведённого ей времени. Чтобы узнать, сколько осталось секунд, нам нужна функция: она выясняет количество секунд между двумя отметками времени. Мы даём ей два времени в каком-то формате, а функция сама неким образом высчитывает, сколько между ними секунд. Как именно она это считает, сейчас неважно. Важно, что она это делает одинаково. Это тоже функция с предсказуемым результатом:
А теперь пример похожей функции: она определяет время от текущего до какого-то другого времени. При исполнении эта функция запрашивает текущее время в компьютере, сравнивает с целевым и делает нужные вычисления. При запуске одной и той же функции с разницей в несколько секунд она даст разные результаты:
Это функция с непредсказуемым результатом. У неё есть непредсказуемая зависимость, которая может повлиять на работу программы — зависимость от текущего времени на компьютере. Что если во время исполнения у пользователя обнулились часы? Или он сменил часовой пояс? Или при запросе текущего времени происходит ошибка? Или его компьютер не поддерживает отдачу времени?
С точки зрения чистых функций, правильнее будет сначала отдельными функциями получить все внешние зависимости, проверить их и убедиться, что они подходят для нашей работы. И потом уже вызвать функцию с подсчётом интервалов. Что-то вроде такого:
Тогда в функции getCurrentTime() можно будет прописать всё хозяйство, связанное с получением нужного времени и его проверкой, а в getInterval() оставить только алгоритм, который считает разницу во времени.
Побочные эффекты
Современные языки программирования позволяют функциям работать не только внутри себя, но и влиять на окружение. Например, функция может вывести что-то на экран, записать на диск, изменить какую-то глобальную переменную. Взломать Пентагон, опять же. Всё это называется побочными эффектами. Хорошие программисты смотрят на них крайне настороженно.
Мы пишем таск-менеджер. В памяти программы хранятся задачи, у каждой из которых есть приоритет: высокий, средний и низкий. Все задачи свалены в кучу в памяти, а нам надо вывести только те, что с высоким приоритетом.
Можно написать функцию, которая считывает все задачи из памяти, находит нужные и возвращает. При этом на задачи в памяти это не влияет: они как были свалены в кучу, так и остались. Это функция без побочных эффектов.
А можно написать функцию, которая считывает задачи, находит нужные, стирает их из исходного места и записывает в какое-то новое — например, в отдельный массив приоритетных задач. Получается, будто она физически вытянула нужные задачи из исходного массива. Побочный эффект этой функции — изменение исходного массива задач в памяти.
Программисты настороженно относятся к мутациям, потому что за ними сложно следить. Что если из-за какой-то ошибки функции выполнятся в неправильном порядке и уничтожат важные для программы данные? Или функция выполнится непредсказуемо много раз? Или она застрянет в цикле и из-за мутаций разорвёт память? Или мутация произойдёт не с тем куском программы, который мы изначально хотели?
Вот типичная ошибка, связанная с мутацией. Мы пишем игру, нужно поменять сумму игровых очков. За это отвечает функция changeScore(), которая записывает результат в глобальную переменную playerScore — то есть мутирует эту переменную. Мы случайно, по невнимательности, вызвали эту функцию в двух местах вместо одного, и баллы увеличиваются вдвое. Это баг.
Другая типичная ошибка. Программист написал функцию, которая удаляет из таблицы последнюю строку, потому что был почему-то уверен: строка будет пустой и никому не нужной. Случайно эта функция вызывается в бесконечном цикле и стирает все строки, от последней к первой. Данные уничтожаются. А вот если бы функция не удаляла строку из таблицы, а делала новую таблицу без последней строки, данные бы не пострадали.
Без мутирующих функций, конечно, мы не обойдёмся — нужно и выводить на экран, и писать в файл, и работать с глобальными переменными. Сложно представить программу, в которой вообще не будет мутирующих функций. Но программисты предпочитают выделять такие функции отдельно, тестировать их особо тщательно, и внимательно следить за тем, как они работают. Грубо говоря, если функция вносит изменения в большой важный файл, она должна как минимум проверить корректность входящих данных и сохранить резервную копию этого файла.
Как этим пользоваться
Когда будете писать свою следующую функцию, задайтесь вопросами:
И если логика программы позволяет, постарайтесь сделать так, чтобы функция ни от чего не зависела и ни на что за своими пределами не влияла. Тогда код будет более читаемым, а коллеги-программисты сразу увидят, что перед ними вдумчивый разработчик.
Урок №14. Почему функции — полезны, и как их эффективно использовать?
Обновл. 19 Сен 2020 |
Теперь, когда мы уже знаем, что такое функции и зачем они нужны, давайте более подробно рассмотрим, почему они так полезны.
Зачем использовать функции?
Начинающие программисты часто спрашивают: «А можно ли обходиться без функций и весь код помещать непосредственно в функцию main()?». Если вашего кода всего 10-20 строк, то можно. Если же серьезно, то функции предназначены для упрощения кода, а не для его усложнения. Они имеют ряд преимуществ, которые делают их чрезвычайно полезными в нетривиальных программах.
Структура. Как только программы увеличиваются в размере/сложности, сохранять весь код внутри main() становится трудно. Функция — это как мини-программа, которую мы можем записать отдельно от головной программы, не заморачиваясь при этом об остальных частях кода. Это позволяет разбивать сложные задачи на более мелкие и простые, что кардинально снижает общую сложность программы.
Повторное использование. После объявления функции, её можно вызывать много раз. Это позволяет избежать дублирования кода и сводит к минимуму вероятность возникновения ошибок при копировании/вставке кода. Функции также могут использоваться и в других программах, уменьшая объем кода, который нужно писать с нуля каждый раз.
Тестирование. Поскольку функции убирают лишний код, то и тестировать его становится проще. А так как функция — это самостоятельная единица, то нам достаточно протестировать её один раз, чтобы убедиться в её работоспособности, а затем мы можем её повторно использовать много раз без необходимости проводить тестирование (до тех пор, пока не внесем изменения в эту функцию).
Модернизация. Когда нужно внести изменения в программу или расширить её функционал, то функции являются отличным вариантом. С их помощью можно внести изменения в одном месте, чтобы они работали везде.
Абстракция. Для того, чтобы использовать функцию, нам нужно знать её имя, данные ввода, данные вывода и где эта функция находится. Нам не нужно знать, как она работает. Это очень полезно для написания кода, понятного другим (например, Стандартная библиотека С++ и всё, что в ней находится, созданы по этому принципу).
Каждый раз, при вызове std::cin или std::cout для ввода или вывода данных, мы используем функцию из Стандартной библиотеки C++, которая соответствует всем вышеперечисленным концепциям.
Эффективное использование функций
Одной из наиболее распространенных проблем, с которой сталкиваются новички, является понимание того, где, когда и как эффективно использовать функции. Вот несколько основных рекомендаций при написании функций:
Рекомендация №1: Код, который появляется более одного раза в программе, лучше переписать в виде функции. Например, если мы получаем данные от пользователя несколько раз одним и тем же способом, то это отличный вариант для написания отдельной функции.
Рекомендация №2: Код, который используется для сортировки чего-либо, лучше записать в виде отдельной функции. Например, если у нас есть список вещей, которые нужно отсортировать — пишем функцию сортировки, куда передаем несортированный список и откуда получаем отсортированный.
Рекомендация №3: Функция должна выполнять одно (и только одно) задание.
Рекомендация №4: Когда функция становится слишком большой, сложной или непонятной — её следует разбить на несколько подфункций. Это называется рефакторингом кода.
При изучении языка C++ вам предстоит написать много программ, которые будут включать следующие три подзадания:
Получение данных от пользователя.
Для простых программ (менее, чем 30 строк кода) частично или все эти три подзадания можно записать в функции main(). Для более сложных программ (или просто для практики) каждое из этих трех подзаданий является хорошим вариантом, чтобы написать отдельные функции.
Новички часто комбинируют обработку ввода и вывод результата в одной функции. Тем не менее, это нарушает правило «одного задания». Функция, которая обрабатывает значение, должна возвращать его в caller, а дальше уже пускай caller сам решает, что ему с ним делать.