Fondamenti di Informatica A Introduzione al corso

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1 Fondamenti di Informatica A al corso Moreno Marzolla Dipartimento di Informatica Scienza e Ingegneria (DISI) Università di Bologna 2 Ringraziamenti prof. Hany Farid, Dartmouth College prof. Simone Martini, Università di Bologna 3

2 Fondamenti di Informatica A Orario Lunedì 10:00 13:00 GPT (teoria) Martedì 14:00 16:00 G1P (teoria) Mercoledì 13:00 15:30 (primo turno), 15:30 18:00 (secondo turno) VELA (laboratorio) Teoria Prime due settimane: no laboratorio, mercoledì 12:00-14:00 G1P Prestare attenzione ad eventuali variazioni d'orario 60 ore Laboratorio 30 ore (2 turni) 4 Libro di testo Facoltativo, ma fortemente consigliato per chi non segue le lezioni Uno a scelta tra: J. Glenn Brookshear, Informatica una panoramica generale, 11/ed., Pearson 2012, ISBN (o edizione più recente) D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, ai sistemi informatici, 5/ed., McGraw-Hill, 2014, ISBN (o edizione più recente) 5 I docenti Moreno Marzolla (moreno.marzolla@unibo.it) Sara Montagna (sara.montagna@unibo.it) Laboratorio linguaggio Java Web: Raffaele Cappelli (raffaele.cappelli@unibo.it) Teoria Web: Laboratorio linguaggio C Web: Michele Braccini (michele.braccini2@studio.unibo.it) Tutor, principalmente per il laboratorio 6

3 Orario del corso Prime due settimane: A partire dalla terza settimana (7 marzo): Lunedì GPT Martedì G1P Mercoledì G1P Lunedì GPT Martedì G1P Mercoledì 13:00 15:30 VELA (primo turno) Mercoledì 15:30 18:00 VELA (secondo turno) Attenzione a cambi di orario in giorni specifici Fare riferimento alla pagina del corso 7 Laboratori Suddivisione tra i due turni di laboratorio in base al cognome Primo laboratorio Matricole pari: primo turno Matricole dispari: secondo turno Ogni settimana i turni si scambiano Fate riferimento alla pagina del corso per sapere a chi tocca quale turno 8 A chi chiedere cosa Moreno Marzolla Sara Montagna Argomenti teorici svolti in aula Questioni di carattere generale sul corso Laboratorio Java Raffaele Cappelli Laboratorio C 9

4 Come chiedere E' sempre possibile (e incoraggiato!) fare domande durante le lezioni Domande brevi : via mail Domande non brevi : a ricevimento, o dopo le lezioni 10 Netiquette ossia, le buone maniere nell'era di Internet Usare esclusivamente l'indirizzo Indicare sempre l'oggetto (subject) del messaggio Firmare la mail con nome, cognome e matricola Specificare che il messaggio è relativo al corso FINFA Ad esempio, iniziare il subject con [FINF-A]... La posta elettronica è un mezzo di comunicazione asincrono Non sempre siamo in grado di rispondere immediatamente Non date per scontato che leggiamo la posta a mezzanotte Queste regole valgono anche per me nei vs confronti! 11 di mail che viola tutte le regole From: xxxx@yahoo.it Date: 20XX/XX/XX 23:47 Subject: Salve, volevo sapere se è disponibile domani per un ricevimento. 12

5 di mail che viola tutte le regole Indirizzo non istituzionale Assume che la mail venga letta a mezzanotte From: xxxx@yahoo.it Date: 20XX/XX/XX 23:47 Subject: Salve, volevo sapere se è disponibile domani per un ricevimento. Manca oggetto Manca la firma e l'indicazione del corso cui si riferisce 13 Modalità d'esame Prova scritta sul programma svolto nell'ultimo anno accademico in cui si è svolto il corso Composta da domande ( a crocette e a risposta aperta) ed esercizi di programmazione in Java e C Una unica prova: l'esame si supera o si fallisce per intero Voti pubblicati su AlmaEsami Chi intende rifiutare il voto deve comunicarlo al docente entro la scadenza riportata nella mail di notifica; in tal caso verrà verbalizzato Ritirato Chi intende accettare il voto non deve fare nulla Non si tengono voti in sospeso: chi intende migliorare il voto deve rifiutare e ripresentarsi 14 Modalità d'esame Per gli iscritti ad anni precedenti che hanno superato la prova pratica ma non la prova teorica Si puo' svolgere solo la parte teorica (sul nuovo programma del corso) fino alla sessione di gen/feb 2017 compresa Dopo tale data tutti i voti in sospeso (inclusi i voti finali non ancora verbalizzati) saranno persi Per gli iscritti ad anni precedenti che non hanno superato la prova pratica Esame con le nuove modalità e il nuovo programma Per chi deve sostenere il vecchio esame da 6 CFU Contattare il docente per definire un programma ridotto, comunque basato su quanto svolto a lezione nell'anno accademico più recente 15

6 Modalità d'esame Per partecipare allo scritto è obbligatorio iscriversi tramite AlmaEsami Come da regolamento di Ateneo, verranno organizzati 6 appelli d'esame all'anno La lista chiude 5-6 giorni prima dell'esame per darci il tempo di predisporre gli aspetti logistici (aule, turni,...) Chi non si iscrive non viene ammesso 3 nella sessione estiva (giugno/luglio) 1 nella sessione autunnale (settembre) 2 nella sessione invernale (gennaio/febbraio) Non ci saranno altri appelli. 16 Per superare l'esame... Spannometricamente 9 CFU = 9 25 = 225 ore di impegno totale 90 ore in aula, il resto (135 ore) di studio individuale 135 ore = 16 giorni full time... solo per rendersi conto dell'impegno, SCONSIGLIO di affrontare qualunque materia chiudendosi in casa per 16 giorni! Come superare l'esame Seguire le lezioni Approfondire sul libro oppure su altro materiale che verrà indicato dal docente Chiedere in caso di dubbi (e venire a ricevimento) Esercizi, esercizi, esercizi!! Sia sulla parte teorica che (soprattutto) di programmazione L'informatica non è uno sport da praticare come spettatori 17 Questo corso Cosa imparerete Principi generali Metodi Fondamenti di programmazione Cosa non imparerete Come si installa X Come si usa Y Riparare un PC Scrivere una app 18

7 Cosa è l'informatica? Lo studio sistematico degli algoritmi che descrivono e trasformano l'informazione: la loro teoria, analisi, progetto, efficienza, realizzazione e applicazione [Association for Computing Machinery (ACM)] La scienza della rappresentazione ed elaborazione [automatica] dell'informazione Parole chiave INFORMazione Elaborazione automatica 19 Informatica Tutti i problemi sono risolubili meccanicamente? Esistono problemi troppo difficili per essere risolti meccanicamente? Fondamenti teorici dell'informatica Algoritmi Informatica Linguaggi di programmazione Costruzione di calcolatori efficienti Studio dei paradigmi di programmazione Sviluppo di algoritmi efficienti per risolvere problemi Studio dei limiti teorici della risoluzione meccanica di problemi Hardware 20 Perché studiare informatica? Il Therac-25 Dispositivo computerizzato per la radioterapia di pazienti affetti da cancro Terza generazione (Therac-6, Therac-20) I modelli precedenti disponevano di controlli hardware per impedire il sovradosaggio I controlli hardware sono stati rimpiazzati da controlli software per ridurre i costi Nel funzionamento nominale eroga 6000 rad complessive in 3 settimane di utilizzo A causa di grossolani errori di programmazione, ha erogato fino a rad in una singola sessione Tra giugno 1985 e gennaio 1987 sei pazienti sono morti o seriamente feriti da dosi eccessive di radiazioni mepage/misc/leveson/index.htm 21

8 Perché studiare informatica? Ariane 5 Perché studiare informatica? Lo scandalo Wolkswagen sulle emissioni Informatica e computer Computer Science is no more about computers than astronomy is about telescopes, biology is about microscopes or chemistry is about beakers and test tubes. Michael R. Fellows and Ian Parberry Computing Research News, vol. 5, n. 1,

9 Cosa è un computer? "Human computers - Dryden" by NACA (NASA) - Dryden Flight Research Center Photo Collection Licensed under Public Domain via Commons 25 Cosa è un computer? Un computer è un dispositivo programmabile in grado di svolgere in modo automatico una sequenza di operazioni aritmetiche o logiche In altre parole, è uno strumento per la rappresentazione, memorizzazione ed elaborazione di informazioni 26 Conoscenza Dichiarativa Consiste nella descrizione di fatti o proprietà La radice quadrata di x è il numero non negativo y tale che y2 = x Imperativa L'informatica si occupa di questo Consiste nella descrizione di regole o procedure che consentono di ottenere determinati risultati Trova una stima G della radice quadrata di x Ripeti Se G2 x allora il risultato è G; stop altrimenti G (G + x/g) / 2 27

10 Conoscenza Imperativa Come possiamo descrivere la conoscenza imperativa? Fixed program computer Dispositivi specializzati per risolvere un tipo specifico di problema Stored program computer Dispositivi che ricevono in ingresso una sequenza di istruzioni che descrivono i passi da eseguire per risolvere un certo problema Possono risolvere problemi diversi, ricevendo sequenze di istruzioni specializzate per il problema da risolvere Esistono molti linguaggi di programmazione che possono essere usati per descrivere le istruzioni da eseguire 28 Conoscenza imperativa e algoritmi Un algoritmo è un procedimento per risolvere un problema mediante una sequenza finita di passi elementari Descritto in modo preciso allo scopo di automatizzarne l'esecuzione Il termine deriva dal nome del matematico persiano Muhḥammad ibn Mūsā al-khwārizmī ( نب دمحمحمد بن )نب دمحموسى الخوارزنب دمحمی Autore di un primo fondamentale trattato di algebra Un cratere lunare porta il suo nome Muhḥammad ibn Mūsā al-khwārizmī (c. 780 c. 850) (francobollo sovietico commemorativo; Fonte: Wikipedia) 29 Gli algoritmi sono ovunque! 30

11 Gli algoritmi sono ovunque! Le proteine assumono una ben precisa struttura tridimensionale a causa dell'interazione degli aminoacidi che le compongono Si ritiene che certe malattie neurodegenerative siano causate dall'accumulo di proteine che si ripiegano in maniera scorretta 31 Algoritmo vs Programma Un algoritmo è una sequenza finita di passi elementari per risolvere un problema dato Solitamente espresso in modo informale, ad es., in linguaggio naturale oppure mediante diagrammi Un programma è l'implementazione di un algoritmo mediante un linguaggio di programmazione Espresso formalmente nel linguaggio adottato 32 I passi per risolvere un problema Problema Analisi Diagramma a blocchi Pseudocodice Descrizione testuale Algoritmo Implementazione Programma Linguaggio di programmazione (C, Java, Matlab, Python,...) Esecuzione Risultati 33

12 Valutare un algoritmo Correttezza Completezza L'algoritmo fornisce sempre un risultato, quando ne esiste uno? Efficienza Se l'algoritmo fornisce un risultato, è sempre quello corretto? Quanto tempo richiede per calcolare il risultato? Nel caso migliore? Nel caso peggiore? Realizzabilità L'algoritmo è descritto in modo non ambiguo? Siamo in grado di implementarlo? 34 Ricerca sull'elenco del telefono Input: un cognome e nome qualsiasi Output: numero di telefono dell'abbonato 35 Inizio Parti dal primo abbonato sull'elenco Ricerca del numero di telefono consultando l'elenco Input: cognome e nome di un individuo qualsiasi Output: numero di telefono No Passa all'abbonato successivo Il nome è quello cercato? Sì Stampa num. di telefono 36

13 Inizio Parti dal primo abbonato sull'elenco Ricerca del numero di telefono consultando l'elenco Input: cognome e nome di un individuo qualsiasi Output: numero di telefono, oppure non trovato Sì Sei arrivato alla fine? No No non trovato Sì Il nome è quello cercato? Passa all'abbonato successivo Stampa num. di telefono 37 Inizio Parti dal primo abbonato sull'elenco Corretto? Completo? Efficiente? Quante pagine dell'elenco devo esaminare nel caso migliore? Quante pagine dell'elenco devo esaminare nel caso peggiore? Sei arrivato alla fine? No No Passa all'abbonato successivo Il nome è quello cercato? Sì non trovato Sì Stampa num. di telefono 38 Ricerca binaria 1.Dividi la pila di pagine in due parti uguali composte da circa metà delle pagine ciascuna 2.Scarta la metà che sicuramente non contiene il nome che stai cercando 3.Se la parte che rimane è costituita da una singola pagina, cerca il nome su quella pagina 4.Se la parte che rimane è più di una pagina, vai al passo 1 39

14 cerchiamo Marzolla Viesti Soru Rossi Nicoletti Ligure Franchini Derossi Albano Zulian Tancredi Serafini Pasquini Marotta Gaiardo Fortunati Cadorna cerchiamo Marzolla Ligure Franchini Derossi Albano Viesti Soru Rossi Nicoletti Marotta Gaiardo Fortunati Cadorna Zulian Tancredi Serafini Pasquini Prima divisione 41 cerchiamo Marzolla Ligure Franchini Derossi Albano Marotta Gaiardo Fortunati Cadorna

15 cerchiamo Marzolla Derossi Albano Ligure Franchini Fortunati Cadorna Marotta Gaiardo Seconda divisione 43 cerchiamo Marzolla Ligure Franchini Marotta Gaiardo cerchiamo Marzolla Franchini Ligure Gaiardo Marotta Terza divisione 45

16 cerchiamo Marzolla Ligure Marotta cerchiamo Marzolla Ligure Non trovato Marotta Analisi della ricerca binaria Corretto? Quale proprietà dell'elenco telefonico è fondamentale per garantire la correttezza dell'algoritmo? Completo? Efficiente? Quante divisioni devo fare nel caso migliore? Quante divisioni devo fare nel caso peggiore? 48

17 I limiti dell'informatica Fino ad ora abbiamo considerato una definizione intuitiva di algoritmo Ma, precisamente, che significa calcolare? E' possibile calcolare il valore di qualsiasi funzione, oppure esistono funzioni il cui valore non è calcolabile? 49 Alan Mathison Turing Nato il 23 giugno 1912 OBE (Order of the British Empire), FRS (Fellow of the Royal Society) Morto il 7 giugno 1954 per avvelenamento da cianuro 50 Alan Mathison Turing Criptanalisi Macchine per il calcolo Gioco dell'imitazione Morfogenesi 51

18 Criptanalisi Il gioco dell'imitazione Tenta di dare una risposta pragmatica alla domanda cos'è l'intelligenza? Un interrogante è collegato mediante un terminale con due stanze: in una di esse si trova una persona, nell'altra un computer Ponendo domande tramite il terminale, l'interrogante deve decidere chi è l'essere umano e chi la macchina 54

19 55 Cosa significa calcolare? = Macchina di Turing Dispositivo astratto che contiene tutti gli elementi essenziali per calcolare una qualsiasi funzione Un supporto su cui scrivere: un nastro infinito, diviso in caselle Un insieme finito di simboli che possono comparire sul nastro Un dispositivo di lettura/scrittura Un insieme finito di stati in cui la macchina si può trovare in ogni istante Una tavola di istruzioni finita, che dice alla macchina cosa fare in base al simbolo che si trova in quel momento sotto la testina di lettura/scrittura 57

20 Macchina di Turing Un insieme finito di stati in cui la macchina può trovarsi Un nastro infinito diviso in celle Un alfabeto finito (insieme di simboli che possono comparire sulle celle del nastro) q0 è lo stato iniziale, in cui la macchina si trova quando viene fatta partire halt è lo stato finale: se la macchina raggiunge tale stato, si ferma. Nota: gli stati possono avere nomi arbitrari; q0 e halt sono solo una nostra convenzione che useremo qui L'alfabeto include un simbolo spazio (blank) che compare su tutte le (infinite) celle non inizializzate del nastro. Un insieme finito di celle puo' contenere inizialmente simboli diversi da blank, e rappresentano l'input iniziale della macchina di Turing Una funzione di transizione che determina il comportamento della macchina 58 Funzione di transizione Una lista di regole che indicano, per ogni possibile simbolo X che si trovi al momento sotto la testina e per ogni possibile stato P della macchina: quale simbolo Y scrivere al posto di X (è possibile riscrivere nuovamente X); quale è il nuovo stato Q della macchina (è possibile che lo stato rimanga sempre P); se la testina deve essere spostata a destra oppure a sinistra di una casella; Inizialmente la macchina si trova nello stato iniziale, e la testina è posizionata su una data cella del nastro (che di solito dipende dal problema da risolvere) 59 q0 Testina di lettura/scrittura con indicato lo stato corrente Contenuto iniziale del nastro Alfabeto: {1, blank} Stati: {q0, halt} Stato corrente Simbolo corrente Nuovo Simbolo q0 1 1 q0 right q0 blank 1 halt right Nuovo Stato Spostamento 60

21 q Calcolare il complemento a uno di un numero espresso in base 2 In pratica, cambiare gli '1' con '0' e viceversa Inizialmente sul nastro viene scritta la cifra binaria Al termine il nastro deve contenere il risultato al posto degli input Esercizio: come definiamo la funzione di transizione? 61 q Calcolare la somma di due numeri in base = Inizialmente sul nastro vengono scritti i due numeri da sommare, separati da un blank Al termine il nastro deve contenere il risultato al posto degli input Esercizio: come definiamo la funzione di transizione? 62 LEGO Turing Machine 63

22 Funzioni calcolabili e Turing-Completezza Tesi di Church-Turing: le funzioni calcolabili sono tutte e sole le funzioni calcolabili da una qualche macchina di Turing Qualsiasi formalismo mediante il quale sia possibile simulare una macchina di Turing si dice TuringCompleto Tutti i moderni linguaggi di programmazione sono Turingcompleti Questo significa che nessuno di loro è più potente degli altri, nel senso che non esistono funzioni che possono essere codificate in un linguaggio ma non negli altri 64 Funzioni non calcolabili: Halting Problem Esistono funzioni che NON sono calcolabili (Halting Problem) Scrivere una funzione Termina(P, I) che accetta in input (1) la descrizione di un programma P, e (2) l'input I da passare a P. La funzione Termina(P, I) deve restituire TRUE se e solo se il programma P applicato all'input I termina, FALSE altrimenti 65 Funzioni non calcolabili: Tassellatura di Wang Dato un insieme di piastrelle di Wang, decidere se esse possono ricoprire il piano : le piastrelle seguenti possono ricoprire il piano (in modo non periodico) E' stato dimostrato che è impossibile definire un algoritmo per decidere se un insieme dato di piastrelle può ricoprire il piano 66

23 e poi dicono che l'informatica teorica non serve Michael F. Cohen, Jonathan Shade, Stefan Hiller, and Oliver Deussen Wang Tiles for image and texture generation. In ACM SIGGRAPH 2003 Papers (SIGGRAPH '03). ACM, New York, NY, USA, DOI 68 Idee chiave Cos'è l'informatica Il concetto di algoritmo Algoritmo vs programma Macchina di Turing Funzioni non calcolabili 69