Introduction à Maple/Procédures

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Introduction

Toutes les opérations que nous avons réalisé jusqu'ici concernaient des opérations élémentaires (pas nécessairement simples). Pour exécuter trente fois ces opérations, nous pourrions les écrire trente fois à la suite. Cela est toutefois assez pénible et improductif : Maple dispose de quelques capacités de programmation, que nous abordons dans ce chapitre.

Les procédures (proc)

Utiliser les procédures

Une « procédure » est une opération (potentiellement très longue et complexe), repérée par son nom. Par exemple : MoudreCafe. On peut demander à Maple d'exécuter cette opération, sans avoir à se soucier de son contenu précis. Une procédure peut également nécessiter une ou plusieurs informations de départ (les arguments) pour se faire : la température T, le volume V du café dans notre exemple.

Pour l’utiliser, on pourra écrire :

MoudreCafe(T, V) ;

Enfin, une procédure peut se comporter comme une fonction : elle peut retourner une (ou plusieurs) valeur(s) lorsqu'elle est appelée. La différence tient surtout au fait qu'une procédure permet de faire beaucoup plus de choses qu'une fonction. En contrepartie, il ne faut pas espérer dériver, tracer… une procédure.

Définir une procédure

Une procédure Maple se découpe en trois parties : l'entête, le corps et le retour.

• L'entête (MaProcedure := proc(a, b, c)) fournit les informations utiles pour utiliser la procédure : son nom (MaProcedure) et ses arguments (ici, a, b et c).
• Le corps (x := a + b + c) indique au logiciel les actions à réaliser.
• Enfin, la fin de la procédure retourne éventuellement un résultat spécifique. Une procédure Maple se termine toujours par end proc ou end.

Voici l'exemple complet :

MaProcedure := proc(a,b,c)
    x := a+b+c;
end proc;

Cette procédure prend trois arguments et retourne la somme des trois. En effet, une procédure retourne par défaut le dernier calcul effectué ou la dernière évaluation faite. Ici, l'affectation à la variable x sera retournée. Par exemple :

MaProcedure(1,2,3); retourne 6 ;

MaProcedure(x,x,x); retourne 3x.

Si on ne veut pas que la procédure retourne une valeur (par exemple si elle agit sur des variables globales ou qu'elle affiche déjà une suite de chiffres à l'aide de la fonction print()), on mettra en fin de programme NULL; ce qui aura pour effet d'évaluer cette variable intrinsèque à Maple et comme son nom l'indique, "rien" ne sera retourné par la procédure.

La commande return(x) permet aussi de faire retourner un résultat (ici x), mais son utilisation est particulière, car elle interrompt le programme. On ne l'utilise donc qu'en cas de sortie particulière, inattendue, d'une procédure. Dans l'exemple cité plus haut, il n’est pas nécessaire d’utiliser la fonction return().

Exemple :

retourner := proc(x);
   for i from 1 to x do
     return(i);
   od;
end proc;

Cette procédure inutile, ne retourne que la valeur 1 car c’est lors de la première itération de la boucle for, c'est-à-dire quand i possède la valeur 1, que le programme va retourner i et s'interrompre. Aucune autre itération ne sera effectuée, quelle que soit la valeur de x (pourvu tout de même qu'elle soit supérieure ou égale à 1).

Les variables

On peut utiliser des variables dans les procédures Maple (elles sont dites « locales », ce sont par exemple les variables muettes des for). Il n’est pas nécessaire de les indiquer mais c’est fortement conseillé de le faire en début de code pour plus de clarté en utilisant le mot-clé local. Exemple :

MaProcedure := proc(a,b,c)
    local x;
    …

On peut également utiliser des variables accessibles depuis l'extérieur des procédures (dites « globales »), bien que cela soit moins courant. On utilise alors le mot-clé global.

Les conditions (if… then… else)

Nous voudrions pouvoir exécuter une certaine opération si un nombre x est positif, et une autre opération s'il est négatif. Comment faire ? La réponse : utiliser des conditions. Voici la syntaxe Maple qui convient :

if ''condition'' then
    ''code si condition vraie''
fi;

La condition doit être une expression booléenne (vraie ou fausse), par exemple :

x > 3
(x > 3) and (x < 1)
x = 12

Si on essaie d’utiliser une expression ouverte (par exemple, x + 3) Maple retourne une erreur. Notre code s'exécute ici uniquement si la condition est vraie. Si elle est fausse, rien n'est fait. Un petit raffinement :

if ''condition'' then
    ''code si condition vraie''
else
    ''code si condition fausse''
fi;

En anglais, if… then… else… signifie littéralement si… alors… sinon….

Exemple :

Majeur := proc(age)
if age >= 18 then
    "oui";
else
    "non";
fi;
end proc;

Ici, "oui" et "non" sont des chaines de caractères qui sont évaluées, donc retournées lors de la sortie de la procédure (car aucune autre valeur n'est évaluée par la suite).

Ce programme répond de la manière suivante :

Majeur(32); réponse : oui

Majeur(24); réponse : oui

Majeur(18); réponse : oui

Majeur(17); réponse : non

Les boucles

Boucles déterminées (for)

Il est parfois nécessaire de répéter des instructions un nombre déterminé de fois. On peut pour cela utiliser l'instruction for, de la manière suivante :

for ''variable'' from ''debut'' to ''fin'' do
''code à répéter''
od;

Écrire le code ci-dessus revient exactement à écrire la chose suivante:

variable = début;
''code à répéter''
variable = début + 1;
''code à répéter''
variable = début +2;
''code à répéter''
…
variable = fin;
''code à répéter''

Utiliser for permet donc de condenser les choses. Voici un exemple clarifiant les choses :

x := NULL;
for i from 1 to 10 do
 x := x, i;
od;
[x];

Étudions ce code ligne par ligne :

• on crée une liste vide, nommée x
• on ajoute « 1 » à la liste;
• on ajoute « 2 » à la liste;
• …
• on ajoute « 10 » à la liste;
• on retourne la liste.

Remarquez que i prend toutes les valeurs entre 1 et 10. Le programme ci-dessus retourne donc [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Exercice rapide : adapter le code précédent pour afficher la liste des 1000 premiers entiers non nuls.

L'instruction for ne peut être utilisée que lorsqu'on connait a priori le nombre de répétitions.

Remarque : on peut avoir besoin que l'indice aille de 2 en 2, ou de 3 en 3. Il suffit de rajouter cette option dans la déclaration de la boucle : for k from 1 to 10 by 2 do en remplaçant 2 par le pas souhaité.

Boucles indéterminées (do while)

Lorsqu'on ne sait pas, a priori, combien de fois nous souhaitons répéter les instructions, il est quand même possible de s'en sortir. Il faut cependant savoir quand arrêter, sans quoi le programme restera bloqué, exécutant les mêmes instructions ad vitam æternam. On fixe donc une condition, par exemple « x < 5 ». Tant que cette condition est vérifiée, la boucle s'exécute.

Il est possible que la condition reste toujours vraie et alors le programme boucle indéfiniment.

On utilise, pour de telles boucles indéterminées, la structure do while … od, de la manière suivante :

while (condition) do
    ''code à répéter''
    ''code qui modifie l'état de la condition''
od;

Voici un exemple d’utilisation :

x := 5;
while (x>2) do
    y := x+12;
    x := x-1;
od;

Remarquez que, dans ce cas précis, on aurait pu faire exactement la même chose avec for… Utiliser while dans ce cas n'est vraiment pas utile, mais c’est un exemple.

L'utilisation de while do … od est souvent évitable. On peut également l’utiliser pour optimiser un peu le code, mais dans la majorité des cas simples, il est rarement nécessaire ou utile.

Exercice rapide : reprendre l'exemple de la section précédente avec un while do au lieu du for.

Programmation récursive

Une procédure Maple peut tout à fait s'appeler elle-même, pour résoudre des problèmes de manière récursive. En particulier, les algorithmes de tri les plus efficaces utilisent cette méthode. Pour illustrer cela, nous allons écrire un algorithme qui calcule la (très classique) factorielle d'un entier n.

Partons des résultats suivants :

• $n!=n\times (n-1)!$ lorsque n est strictement positif ;
• $0!=1$

Pour calculer la factorielle de n, nous calculons la factorielle de n-1. Pour celle-ci, il nous faut (n-2)! etc. Voici le code associé :

factorielle := proc(n)
  if n = 0 then
    1;
  else
    (n * factorielle(n-1))
  fi;
end;

Lorsqu'on exécute factorielle(6), Maple affiche le bon résultat : 720.

Ce type d’utilisation de la récursivité d'une fonction permet de voir quel algorithme a engendré l'appel de cette procédure, cependant ce genre d'opération est gourmand en ressources pour Maple, car à chaque nouvel appel de la procédure factorielle, il doit garder en mémoire le résultat précédent de la procédure qui n’est pas finie, pour finalement fermer toutes les procédures lorsqu’il est arrivé à la fin de la récursivité. Cette méthode est donc à utiliser judicieusement ou à défaut, on peut utiliser les boucles for et while vues précédemment.

Remarque : on peut cependant améliorer l'efficacité de la récursivité en demandant à Maple de se souvenir des valeurs précédemment calculées en ajoutant option remember dans l'entête de la procédure.

Résumé

Au cours de ce chapitre, nous avons appris à réaliser les opérations suivantes :

• définir une procédure avec proc ;
• définir des variables locales avec local ;
• tester des conditions, avec if … then … else … fi ;
• former des boucles avec for ou while ;
• réaliser des procédures récursives.

Ces points sont au cœur de l’utilisation pratique de Maple : en effet, les capacités de calcul sont bien souvent employées dans de telles procédures. Dans le chapitre prochain, nous verrons comment étendre les capacités de Maple, en prenant en compte les bibliothèques de fonctions.