SKKN Sử dụng quy hoạch động đề nâng cao năng lực giải quyết một số vấn đề về dãy con bằng ngôn ngữ lập trình c++

I. PHẦN MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong quá trình giảng dạy phát triển năng lực cho học sinh khá giỏi thường gặp rất nhiều bài toán về dãy con. Đây là dạng bài tập khó thường xuất hiện trong các đề thi học sinh giỏi môn Tin học. Rất nhiều học sinh khi gặp dạng bài tập dạng này thì khó tìm được cách giải tối ưu nên điểm không cao. Nguyên nhân có thể nhiều nhưng trong đó có hai nguyên nhân cơ bản là: chương trình cho kết quả output sai hoặc chương trình cho kết quả output đúng với các bộ input có dữ liệu nhỏ nhưng với những bộ input có dữ liệu lớn thì chương trình chạy quá thời gian quy định là 1giây/1test (mặc dù kết quả output vẫn đúng).
Trên thực tế đã có một số tài liệu đề cập đến các bài tập về dãy con, nhưng các tài liệu này mới chỉ đưa ra thuật toán và chương trình giải một số bài tập cụ thể làm ví dụ minh họa cho một kỹ thuật lập trình nào đó khi nghiên cứu mà chưa khái quát dạng, chưa phân tích sâu cách tư duy, cách lựa chọn và cài đặt chương trình tối ưu. Các chương trình mà một số tài liệu đưa ra rất khó hiểu và phức tạp không phù hợp năng lực học sinh Trường THPT Lê Viết Thuật. Khi nghiên cứu các tài liệu này, không chỉ học sinh mà ngay cả giáo chưa có kinh nghiệm cũng rất khó khăn?
Từ những lý do trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: ‘‘Sử dụng quy hoạch động đề nâng cao năng lực giải quyết một số vấn đề về dãy con bằng ngôn ngữ lập trình C++’’.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Với mong muốn sử dụng quy hoạch động nâng cao năng lực giải quyết một số vấn đề về dãy con và hiểu biết sâu sắc hơn cách giải các bài tập dạng này, chúng tôi đã dày công nghiên cứu, phân dạng các bài tập dãy con, trăn trở để tìm ra nhiều cách làm khác nhau, đánh giá độ phức tạp, đo thời gian thực hiện chương trình, để so sánh tìm ra chương trình tối ưu nhất và dễ hiểu nhất trong các chương trình đã đưa ra. Từ đó nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi môn Tin học.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Sáng kiến kinh nghiệm có đối tượng nghiên cứu là
– Một số bài toán về dãy con liên tiếp
– Một số bài toán về dãy con không liên tiếp
Được nghiên cứu ở nhiều cách làm, xét trên nhiều phương diện (trong đó nhấn mạnh phương pháp quy hoạch động) như: độ phức tạp, kết quả output, thời gian thực hiện chương trình.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Để trình bày sáng kiến kinh nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng phối kết hợp nhiều phương pháp như: nghiên cứu tài liệu, thuyết trình, quan sát, điều tra cơ bản, thực nghiệm so sánh, phân tích kết quả thực nghiệm, … phù hợp với môn học thuộc lĩnh vực Tin học, Toán học.
Trong từng phần chúng tôi sắp xếp và trình bày các bài tập từ dễ đến khó, đồng thời thông qua từng bài tập chúng tôi cố gắng phân tích nhằm đưa ra một số định hướng lời giải bài toán để rèn luyện cho học sinh có kinh nghiệm, kỹ năng vận dụng một số bài toán tương tự nhau, hướng tới sự phát triển năng lực cho học sinh.
II . NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý luận
Nếu học sinh biết vận dụng phương pháp quy hoạch động vào việc giải quyết các bài toán về dãy con nói riêng và các bài tập lập trình nói chung thì chất lượng học sinh giỏi sẽ được nâng cao.
2.2. Thực trạng trước khi nghiên cứu
Các năm học trước chúng tôi cũng đã trực tiếp giảng dạy cho đội tuyển học sinh giỏi các cấp về chuyên đề dãy con, tuy nhiên việc dạy chuyên đề này chủ yếu dựa trên những kiến thức cơ bản của sách giáo khoa, tài liệu tham khảo chưa chú trọng nhiều đến việc nghiên cứu kiến thức Toán học để vận dụng giải quyết các bài toán.
Chính vì vậy nên các em chủ yếu chỉ biết giải quyết các bài toán mà thầy, cô đã dạy mà không hiểu bản chất thật của bài toán, khi gặp các bài toán cùng dạng nhưng có khác chút ít thì gặp phải rất nhiều khó khăn.
Kết quả của thực trạng: Trên cơ sở nhiều năm được phân công dạy khối lớp 11, trường THPT Lê Viết Thuật, chúng tôi đã lưu lại kết quả học tập và sự tiến bộ của học sinh ở mỗi năm học ở một số lớp để có sự đối chiếu và rút kinh nghiệm.
– Bảng số liệu kết quả đạt được khi chưa thực hiện đề tài: năm học 2019 – 2020
STT Lớp Sĩ số Giỏi Khá Trung bình Không đạt yêu cầu
1 11T1 35 3% 29% 57% 11%
2 11A1 40 13% 63% 25%
3 11A2 38 6% 50% 44%
– Khi thực nghiệm qua các đối tượng học sinh đã nêu trên, đa số các em còn lúng túng trước những bài toán lập trình cơ bản. Phần lớn các em còn chưa hứng thú với các bài toán lập trình đặc biệt là với ngôn ngữ pascal.
Vì vậy trong quá trình giảng dạy chúng tôi đúc rút ra một số kinh nghiệm để giúp các học sinh tiếp cận nội dung này dễ dàng hơn, tạo nhiều đam mê cho học sinh. Để rèn năng lực và kỹ năng lập trình cho học sinh khá, giỏi môn Tin học, có rất nhiều cách mà giáo viên có thể áp dụng đối với các đối tượng học sinh khác nhau. Thông thường khi cho một bài toán tin học có dạng tương tự hoặc dạng mở rộng từ một bài toán cơ bản nào đó trong sách giáo khoa, hoặc một bài toán cơ bản nào đó mà các em biết thì các em có thể xây dựng và có hứng thú để xây dựng thuật toán cho bài toán đặt ra. Vì vậy giáo viên có thể chọn các bài tập cơ bản từ đó mở rộng và phát triển để rèn luyện kỹ năng lập trình cho học sinh. Dĩ nhiên cách làm này không mới với giáo viên nhưng cách chọn các bài toán cơ bản như thế nào để học sinh có thể vận dụng và gây được hưng thú cho học sinh đó lại là điều đáng quan tâm. Và chúng tôi đã hoàn toàn thay thế ngôn ngữ lập trình pascal bằng ngôn ngứ lập trình C++ và ngôn ngữ lập trình Python để tạo thuận lợi cho các em trong việc cài đặt chương trình.
2.3. Các biện pháp sử dụng để giải quyết vấn đề
2.3.1. Cơ sở lý thuyết
Khi nào thì chúng ta cần đến quy hoạch động? Đó là một câu hỏi rất khó trả lời. Không có một công thức nào cho các bài toán như vậy.
Tuy nhiên, có một số tính chất của bài toán mà bạn có thể nghĩ đến quy hoạch động. Dưới đây là hai tính chất nổi bật nhất trong số chúng:
Bài toán có các bài toán con gối nhau
Bài toán có cấu trúc con tối ưu
Thường thì một bài toán có đủ cả hai tính chất này, chúng ta có thể dùng quy hoạch động được. Một câu hỏi rất thú vị là không dùng quy hoạch động có được không? Câu trả lời là có, nhưng nếu bạn đi thi code thì kết quả không cao.
a. Dãy con liên tiếp
Dãy con liên tiếp là dãy gồm các phần tử liên tiếp thuộc một dãy cho trước.
Ví dụ: Cho dãy A gồm 4 số nguyên {5,3,4,-4}. Dãy số {4}; {3,4}; {5,3,4}; {5,3,4,-4}; … được gọi là các dãy con liên tiếp của dãy A.
b. Dãy con không liên tiếp
Dãy con có thể chọn không liên tiếp là dãy thu được sau khi xóa một số phần tử (có thể không xóa phần tử nào) của một dãy cho trước và giữ nguyên thứ tự các phần tử còn lại trong dãy.
Ví dụ: Cho dãy B gồm 6 số nguyên {3,5,-8,7,24,4}. Dãy số {3}; {3,5}; {-8,7}; {7,24,4}; {3,1,2,-6,9}; … được gọi là các dãy con có thể chọn không liên tiếp của dãy A.
c. Mô hình về dãy con
Cho dãy a1,a2,..an. Hãy tìm một dãy con tăng có nhiều phần tử nhất của dãy.
Đặc trưng:
i) Các phần tử trong dãy kết quả chỉ xuất hiện 1 lần. Vì vậy phương pháp làm là ta sẽ dùng vòng For duyệt qua các phần tử trong dãy.
ii) Thứ tự của các phần tử được chọn phải được giữ nguyên so với dãy ban đầu. Đặc trưng này có thể mất đi trong một số bài toán khác tùy vào yêu cầu cụ thể.
2.3.2. Độ phức tạp của thuật toán
Giả sử ta có hai thuật toán P1 và P2 với thời gian thực hiện tương ứng là T1(n) = 100n2  (với tỷ suất tăng là n2) và T2(n) = 5n3 (với tỷ suất tăng là n3). Khi n > 20 thì T1 < T2. Sở dĩ như vậy là do tỷ suất tăng của T1 nhỏ hơn tỷ suất tăng của T2. Như vậy một cách hợp lý là ta xét tỷ suất tăng của hàm thời gian thực hiện chương trình thay vì xét chính bản thân thời gian thực hiện. Cho một hàm T(n), T(n) gọi là có độ phức tạp f(n) nếu tồn  tại  các  hằng C, N0 sao cho T(n) ≤ Cf(n) với mọi n ≥ N0 (tức là T(n) có tỷ suất tăng là f(n)) và kí hiệu  T(n) là O(f(n)) (đọc là “ô của f(n)”).
Các hàm thể hiện độ phức tạp có các dạng thường gặp sau: log2n, n, nlog2n, n2, n3, 2n, n!,  nn. Trong cách viết, ta thường dùng logn thay thế cho log2n cho gọn.
Khi ta nói đến độ phức tạp của thuật toán là ta nói đến hiệu quả thời gian thực hiện chương trình nên có thể xem việc xác định thời gian thực hiện chương trình chính là xác định độ phức tạp của thuật toán.
2.3.3. Phương pháp lựa chọn và cài đặt chương trình tối ưu khi giải một số dạng bài tập về dãy con
Đối với mỗi dạng bài tập về dãy con chúng tôi đưa ra một bài toán cơ bản, từ mỗi bài toán cơ bản, trình bày từ 1 hoặc 2 cách giải (cả cách làm của học sinh và cách làm của giáo viên định hướng cho học sinh làm). Với phương châm “ mưa dầm thấm lâu” chúng tôi không hướng dẫn học sinh cách làm tối ưu ngay mà khi phát vấn một dạng bài tập mới mà chúng tôi yêu cầu học sinh làm theo các trình tự sau:
Bước 1: Xác định bài toán
Bước 2: Suy nghĩ tìm ra thuật toán, viết chương trình, tính độ phức tạp (Có thể nhiều cách).
Bước 3: Trao đổi cách làm của mình với bạn để tìm cái hay cái dở.
Bước 4: Sử dụng phần mềm Themis-chấm bài tự động để chấm cách làm của mình (với 10 bộ test hoặc nhiều hơn mà giáo viên đã xây dựng sẵn, mỗi bộ test cấu hình là 1 điểm, thời gian chạy không quá 1 giây).
Bước 5: Nhận xét sự tối ưu của thuật toán.
Bước 6: Giáo viên định hướng cách làm tối ưu hơn (nếu có).
Bước 7: Sử dụng phần mềm Themis để chấm tất cả các cách đã viết chương trình.
Bước 8: Dựa vào kết quả, lựa chọn chương trình có độ phức tạp nhỏ nhất, thời gian thực hiện mỗi test nhỏ nhất và chương trình ngắn gọn dễ hiểu nhất.
Bước 9: Lập trình giải các bài tập tương tương với cách đã lựa chọn.

2.4 Các bài toán về dãy con liên tiếp
Các dãy con không chung nhau bất kỳ phần tử nào của dãy ban đầu nghĩa là những phần tử của dãy ban đầu đã thuộc dãy con thỏa mãn này thì không thuộc các dãy con thỏa mãn khác.
Ví dụ: Dãy A gồm 7 phần tử {2, 5, -9, -6, 0, -7, -5}. Dãy con {-9, -6}; {-7, -5} là các dãy con liên tiếp không chung nhau bất kỳ phần tử nào của dãy A.
Lưu ý: Dạng bài tập này áp dụng cho cả trường hợp một phần tử đầu của dãy này trùng với một phần tử cuối của dãy kia.
Bài tập 1: (Bài toán cơ bản)
Cho một dãy A gồm N số nguyên (hoặc số thực) {a1, a2,…, aN}. Dãy con ai, ai+1,…, aj (1≤i≤j≤N) là dãy được tạo từ các phần tử liên tiếp của dãy A bắt đầu từ phần tử i và kết thúc ở phần tử j. Hãy tìm độ dài dãy con, số lượng dãy con, liệt kê chỉ số các dãy con, liệt kê giá trị các phần tử dãy con thõa mãn một điều kiện nào đó. (Độ dài dãy con là số lượng phần tử dãy con)
Để giải dạng bài tập này ta có thể sử dụng nhiều thuật toán như: thuật toán vét cạn các dãy con hoặc duyệt qua các phần tử của dãy hoặc sử dụng phương pháp quy hoạch động. Đối với dạng bài tập này chúng tôi định hướng cho học sinh lựa chọn thuật toán duyệt qua các phần tử của dãy hoặc quy hoạch động.
Mô hình thuật toán:
Cách 1. Sử dụng phương pháp duyệt qua các phần tử của dãy:
– Duyệt qua tất cả các phần tử của dãy nếu:
+ Thỏa mãn điều kiện, tăng độ dài thêm 1, ngược lại:
Nếu dãy con đang xét cần lưu thì: lưu lại độ dài, chỉ số đầu của dãy, xác định lại độ dài, chỉ số đầu của dãy mới.
Nếu dãy con đang xét không cần lưu thì: lưu lại độ dài, chỉ số đầu của dãy mới.
Cách 2. Sử dụng phương pháp quy hoạch động.
– Gọi L[i] là độ dài dãy con thỏa mãn điều kiện có phần tử cuối là a[i], i=1..n
– Gán giá trị độ dài dãy con trong trường hợp đơn giản: L[0]=0; L[1]=1.
– Tính L[i] nhờ các giá trị bài toán con đã tính từ trước như L[i-1], L[i-2],…
– Kết quả bài toán là sự tổng hợp kết quả từ các bài toán con L[i] (i=1,2,…,n). Từ đó ta có bài tập 1.2 như sau:
Bài tập 1.2: Cho một dãy A gồm N số nguyên {a1, a2,…, aN}. Dãy con ai, ai+1,…, aj(1≤i≤j≤N) là dãy được tạo từ các phần tử liên tiếp của dãy A bắt đầu từ phần tử i và kết thúc ở phần tử j.
Yêu cầu: Hãy tìm độ dài và liệt kê giá trị mỗi phần tử của dãy con dài nhất tạo thành cấp số cộng có công sai d.
Dữ liệu vào: File văn bản dayconcsc.inp gồm:
– Dòng đầu ghi giá trị N, d (2≤N≤108; 0≤d≤500 ).
– Dòng sau gồm N số nguyên{a1, a2,…, aN} (-106≤ai≤106) mỗi số cách nhau một dấu cách.
Dữ liệu ra: File văn bản dayconcsc.out gồm
– Dòng đầu ghi độ dài dãy con dài nhất
– Dòng tiếp theo ghi giá trị các phần tử dãy con.
(Chú ý: Nếu không có dãy con nào thỏa mãn thì ghi 0)