PP1 laboratorium

Funkcja to wydzielony fragment programu, który posiada unikatową nazwę, ma określone argumenty wejściowe oraz zwraca pojedynczą wartość. Możemy definiować własne funkcje, które mogą być następnie wielokrotnie użyte w programie, realizując kod zawarty w definicji funkcji z różnymi wartościami argumentów.

Przykład definicji funkcji z jednym argumentem:

float kwadrat(float x)
{
   return x * x;
}

Powyższy kod zawiera definicję funkcji o nazwie kwadrat, która przyjmuje jeden argument typu float o nazwie x. Nagłówek definicji zawiera również informację o typie wartości zwracanej - w tym wypadku jest to również float. Funkcja podnosi do kwadratu wartość daną w argumencie x. Instrukcja return przerywa działanie funkcji i zwraca wartość iloczynu x*x

Użycie tak zdefiniowanej funkcji wygląda w następujący sposób:

x = kwadrat(42);
printf("%f\n", kwadrat(x));
y = kwadrat(kwadrat(2));

Ważne: definicja funkcji musi pojawić się przed jej pierwszym użyciem, więc najlepszym miejscem na zdefiniowanie funkcji jest początek pliku (powyżej funkcji main()).

Funkcje mogą posiadać większą liczbę argumentów. Dla każdego argumentu należy określić typ i nazwę zmiennej:

void suma(int x, int y, int z)
{
  printf("%d\n", x + y + z);
}

Zwróć uwagę, że funkcja nie zawsze zwraca wartość (zobacz powyższy przykład, gdzie brakuje instrukcji return), wówczas w nagłówku definicji funkcji typ zwracany to void.

Poniżej znajduje się pełny przykład demonstrujący definicję funkcji o nazwie silnia, która służy do wyznaczania wartości silni z liczby całkowitej:

#include <stdio.h>
 
/* definicja funkcji */
 
int silnia(int n)
{
   int i=2;
   int s=1;
 
   while( i < n+1 )
   {
      s = s * i;
      i = i + 1;
   }
   return s;
}
 
int main()
{
   int liczba, s;
 
   printf("Podaj liczbe: ");
   scanf("%d", &liczba);
   s = silnia(liczba);
   printf("Silnia z %d wynosi %d\n",liczba,s);
 
   return 0; 
}

Źródło: silnia1.c

Zmienne deklarowane wewnątrz funkcji są zmiennymi lokalnymi, tzn. ich zakres życia jest ograniczone zasięgiem funkcji. Istnieje możliwość deklarowania zmiennych poza zasięgiem funkcji, wówczas są to zmienne globalne. Zmienne globalne są dostępne przez każdą funkcję, ich zakres życia rozciąga się na cały plik programu.

Przykład użycia zmiennych globalnych i lokalnych:

#include<stdio.h>
 
/* zmienna globalna */
 
int globalna;
 
void f(void)
{
   /* zmienna lokalna */
 
   int lokalna = 6;
 
   globalna++;  
   printf("wewnatrz funkcji: globalna = %d\tlokalna = %d\n",globalna,lokalna);
}
 
int main()
{
   /* zmienna lokalna */
 
   int lokalna;
 
   printf("globalna = %d\tlokalna = %d\n",globalna,lokalna);
   f();
   printf("globalna = %d\tlokalna = %d\n",globalna,lokalna); 
 
   return 0;
}

Źródło: globalna.c

Dobrą praktyką jest tworzenie funkcji w taki sposób, aby nie korzystały ze zmiennych globalnych. Taka funkcja realizuje wyizolowany fragment kodu (algorytym), którego działanie zależy wyłącznie od wartości argumentów funkcji a jej działanie nie wpływa na stan programu (nie zmienia wartości żadnych zmiennych spoza zakresu funkcji). Pozwala to utrzymać spójną strukturę kodu i ułatwia rozwój kodu, jego analizę i przyśpiesza wyszukiwanie błędów.
Kiedy działanie funkcji uzależnione jest od zmiennych globalnych, które mogą być modyfikowane w dowolnym miejscu programu, powoduje to znaczne utrudnienie interpretacji działania programu, gmatwa kod i utrudnia wyszukiwanie błędów.

Na zajęciach obowiązuje zakaz używania zmiennych globalnych !

Ćwiczenie: Największy wspólny dzielnik (NWD)

Zaimplementuj funkcję o nazwie nwd, która wyznaczy największy wspólny dzielnik za pomocą algorytmu Euklidesa.
Funkcja realizuje następującą specyfikację:
Argumenty funkcji: dwie liczby całkowite a i b
Wartość zwracana z funkcji: wartość całkowita będąca największym wspólnym dzielnikiem liczb a i b

Algorytm Euklidesa : dla danych liczb całkowitych dodatnich a i b wykonuj:

jeżeli a jest równe b to wartość a jest największym wspólnym dzielnikiem i zakończ algorytm
jeżeli a > b to zastąp a wartością a-b i wróć do punktu 1
jeżeli a < b to zastąp b wartością b-a i wróć do punktu 1

Napisz program, który korzystając z funkcji nwd wyznaczy największy wspólny dzielnik dwóch dowolnych liczb całkowitych podanych przez użytkownika.

Przykład działania programu

Podaj dwie liczby calkowite:
20
15
nwd=5

Podaj dwie liczby calkowite:
144
233
nwd=1

Podaj dwie liczby calkowite:
4673826832
47382974392
nwd=8

Funkcje, które wołają same siebie nazywamy funkcjami rekurencyjnymi.

Przykład funkcji rekurencyjnej:

int rsilnia(int n)
{
   if(n <= 1) return 1;
   return n*rsilnia(n-1);
}

Źródło: silnia2.c

Każdy algorytm wykorzystujący funkcję rekurencyjną, można wyrazić w postaci iteracyjnej.

int silnia(int n)
{
   int i, s=1;
   for(i=1; i < n+1 ; i++) s*= i;
   return s;
}

Ćwiczenie: NWD rekurencyjnie

Zaimplementuj funkcję o nazwie nwd2, która wyznaczy największy wspólny dzielnik za pomocą algorytmu Euklidesa w sposób rekurencyjny. Specyfikacja funkcji oraz działanie programu powinny byc identyczne jak w poprzednim ćwiczeniu, jedyną różnicą jest zastosowanie rekurencji.
Algorytm Euklidesa w formie rekurencyjnej przybiera postać:

jeżeli a jest równe b to wartość a jest największym wspólnym dzielnikiem i zakończ algorytm
jeżeli a > b to oblicz NWD(a-b, b)
jeżeli a < b to oblicz NWD(a, b-a)

Ćwiczenie: Potęga

Zaimplementuj funkcję o nazwie potega, która dla danych dwóch liczb x i y wyznacza wartość potęgi x^y. Nie używaj w tym celu funkcji z biblioteki matematycznej. Zakładamy, że wykładnik potęgowania y jest liczba całkowitą. Funkcja realizuje następującą specyfikację:
Argumenty funkcji: liczba rzeczywista x oraz liczba całkowita y
Wartość zwracana z funkcji: wartość rzeczywista x podniesiona do potęgi y

Napisz program, który wczyta dwie liczby x i y a następnie korzystając z funkcji potega wyznaczy wynik x^y oraz wypisze wynik na ekranie.

Spróbuj przystosować funkcję tak aby działała poprawnie również dla wartości y<0.
Czy możliwa jest realizacja rekurencyjna funkcji potega ?

Przykład działania programu

Podaj dwie liczby:
2
2
2.000000 do potegi 2 wynosi 4.000000

Podaj dwie liczby:
2
10
2.000000 do potegi 10 wynosi 1024

Podaj dwie liczby:
2
-5
2.000000 do potegi -5 wynosi 0.031250

Podaj dwie liczby:
4.2
10
4.2 do potegi 10 wynosi 1708019.8

Ćwiczenie: Ciąg Fibonacciego

Zaimplementuj funkcję o nazwie fibonacci, która dla podanej liczby całkowitej n zwraca wartość n-tego elementu ciągu Fibonacciego, który wyznaczamy ze wzoru: $$ F_{n}:=\left\{\begin{array}{ll} 0 & \text { dla } n=0 \\ 1 & \text { dla } n=1 \\ F_{n-1}+F_{n-2} & \text { dla } n>1 \end{array}\right. $$

Funkcja realizuje następującą specyfikację:
Argumenty funkcji: liczba całkowita n
Wartość zwracana z funkcji: wartość elementu n ciągu Fibonacciego. W przypadku, gdy argument n<0 to wynikiem jest 0.

Napisz program o nazwie fibonacci.c, który wykorzysta funkcję fibonacci do wyznaczenia kolejnych elementów ciągu Fibonacciego. Dla wprowadzonej przez użytkownika liczby całkowitej k program wypisuje na ekranie wszystkie kolejne elementy ciągu Fibonacciego F₀, F₁, F₂, … , F_k.

Przykład

k=10
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55

Zaimplementuj funkcję o nazwie czy_pierwsza, która sprawdza, czy podana liczba jest liczbą pierwszą.

Funkcja powinna byc zaimplementowana zgodnie z poniższą specyfikacją:
Argument funkcji:: liczba całkowita n
Wartość zwracana: wartość całkowita 1 jeżeli argument n jest liczbą pierwszą. W przeciwnym wypadku funkcja zwraca wartość 0.

Napisz program, który wykorzysta funkcję czy_pierwsza do wyznaczenia sekwencji wszystkich liczb pierwszych z zakresu od 1 do N, gdzie wartość N podaje użytkownik na początku działania programu

Przykład

N = 10
Liczby pierwsze z zakresu od 1 do 10
1 
2 
3 
5 
7

Rozwiązanie (plik źródłowy) umieść w Moodle pod adresem https://moodle.umk.pl/WFAIIS/mod/assign/view.php?id=6254

Funkcje

Przykład: definicja funkcji i jej użycie

Zmienne globalne i lokalne

Ćwiczenie: Największy wspólny dzielnik (NWD)

Rekurencja

Ćwiczenie: NWD rekurencyjnie

Ćwiczenie: Potęga

Ćwiczenie: Ciąg Fibonacciego

Zadanie: Liczby pierwsze