Lezione 5. La macchina universale

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1 Lezione 5 Algoritmi Diagrammi di flusso La macchina universale Un elaboratore o computer è una macchina digitale, elettronica, automatica capace di effettuare trasformazioni o elaborazioni su i dati digitale= l informazione è rappresentata in forma discreta elettronica= la logica di manipolazione e la memorizzazione sono implementate con tecnologie di tipo elettronico automatica= è in grado di eseguire una successione di operazioni in modo autonomo 1

2 La macchina universale Le operazioni sono descritte sotto forma di un programma Il programma e i dati su cui deve operare sono registrate in un dispositivo di memoria Un dispositivo detto unità di controllo legge il programma e lo esegue su i dati Questo modo di operare è detto architettura di Von Neumann La macchina universale Il programma permette di risolvere un problema in funzione dei dati Se i dati possono cambiare e il programma risolve sempre il problema, allora si dice che il programma risolve una classe di problemi Es. l algoritmo per la somma di due numeri è indipendente dai due numeri 2

3 La macchina universale L elaboratore si dice universale perché può essere usato per risolvere qualsiasi problema la cui soluzione può essere descritta con un programma Per ogni classe di problema è necessario fornire un programma adeguato Analisi e programmazione Il procedimento di analisi e programmazione è l insieme di tutte quelle attività che servono per risolvere problemi utilizzando un elaboratore queste vanno dalla formulazione del problema alla predisposizione dell elaboratore 3

4 Analisi Lo scopo dell analisi è quello di definire un algoritmo Algoritmo=insieme finito di istruzioni che permettono la soluzione di una classe di problemi Programmazione Lo scopo della programmazione è quello di definire un programma Programma=descrizione di un algoritmo in forma comprensibile per un elaboratore Il programma è descritto facendo ricorso ad un linguaggio di programmazione 4

5 Algoritmo Il termine algoritmo deriva dal nome di un matematico arabo al-khuwarizmi (IX sec d.c.) Def: un algoritmo è una successione ordinata di istruzioni (o passi) che definiscono le operazioni da eseguire su dei dati per risolvere una classe di problemi Algoritmo Schema di esecuzione= ordine in cui vanno eseguite le istruzioni di un algoritmo operazioni in ingresso/uscita= i dati sono acquisiti dall esterno e sono comunicati nuovamente all esterno dopo l elaborazione 5

6 Esempio: Algoritmo A1 Calcolo delle radici di una equazione di 2 grado Data l equazione ax 2 +bx+c=0 Algoritmo 1. Inizio algoritmo 2. Acquisire i coefficienti a,b,c 3. Calcolare il valore? = b 2-4ac 4. Se? <0 non esistono radici, eseguire l istruzione 8 5. Se? =0 allora x 1 = x 2 = -b/2a 6. Se? >0 allora x 1 =(-b+?? )/2a, x 2 =(-b-?? )/2a 7. Comunicare all esterno i valori x 1 e x 2 8. Fine dell algoritmo Esempio: A2 Gioco dell 11 Ci sono 11 oggetti e due giocatori A e B. I giocatori a turno prendono fino a 3 oggetti. Perde chi prende l ultimo oggetto. Problema: quale è l algoritmo che permette al giocatore A di vincere? Algoritmo: 1. Inizio dell algoritmo 2. A preleva 2 oggetti 3. B preleva k oggetti 4. A preleva 4-k oggetti 5. Se gli oggetti non sono finiti, allora ritorna a istruzione 3 6. Fine dell algoritmo 6

7 Proprietà degli algoritmi Perché una sequenza di istruzioni sia un algoritmo devono essere soddisfatti i seguenti requisiti: Finitezza Generalità Non ambiguità Proprietà degli algoritmi Finitezza Il numero di istruzioni è finito Ogni istruzione è eseguita in un intervallo finito di tempo Ogni istruzione è eseguita un numero finito di volte 7

8 Proprietà degli algoritmi Generalità un algoritmo fornisce la soluzione ad una classe di problemi cioè: dato un insieme di definizione o dominio dato un insieme di arrivo o codominio l algoritmo può operare su tutti i dati appartenenti al dominio per fornire una soluzione all interno dei codominio Proprietà degli algoritmi Non ambiguità le istruzioni sono definite in modo univoco non ci sono paradossi, contraddizioni, ambiguità il risultato dell algoritmo è identico indipendentemente da chi lo sta eseguendo 8

9 Esempio Testiamo A1 per le proprietà di algoritmo: Finitezza: ci sono 8 istruzioni. Tutte sono eseguite al più una volta. Tutte impiegano un tempo finito per essere valutate o eseguite Generalità: in ingresso è ammissibile una qualsiasi tripla di numeri reali e l uscita è un numero reale. Non ambiguità: le istruzioni sono ben definite: operazioni aritmetiche univoche o confronti fra reali Descrizione degli algoritmi Gli algoritmi sono descritti con un linguaggio formale Un lignuaggio formale è costituito da strutture linguistiche che descrivono gli algoritmi in modo preciso e sintetico si differenzia dal linguaggio naturale che contiene ambiguità e ridondanze es. Lui ha battuto il capo Il servo della principessa con la gamba di legno... 9

10 Descrizione degli algoritmi Le proposizioni usate da un linguaggio formale descrivono due entità: le operazioni che devono essere eseguite (istruzioni) gli oggetti (dati) sui quali si devono eseguire le operazioni Costanti e variabili I dati possono essere costanti o variabili I dati costanti sono dati che rimangono inalterati durante l esecuzione dell algoritmo Es. in A2 è una costante il numero di oggetti preso dal primo giocatore. 10

11 Costanti e variabili I dati variabili o semplicemente variabili sono coppie <nome, valore> possono essere immaginati come scatole che hanno come etichetta il nome e come contenuto il valore Alle variabili deve essere assegnato esplicitamente un valore. Al momento di inizio di un algoritmo le variabili hanno un valore indeterminato. Es: in A1 sono variabili a,b,c, x 1 e x 2 Assegnazione L istruzione di assegnazione è quella particolare istruzione che permette di definire il valore attuale di una variabile. Il valore rimane inalterato fino a una nuova assegnazione alla variabile. Forma generale: nome? espressione L assegnazione viene eseguita nei seguenti passi: si valuta l espressione di destra si attribuisce il valore determinato alla variabile 11

12 Assegnazione Regola Ogni volta che una variabile appare a destra di dell istruzione di assegnazione?, è necessario che un valore sia già stato assegnato a quella variabile. Es: nel caso a? 2, b? 3, c? a+b, allora si ha c=5 nel caso x? 2, x? x+3, allora si ha x=5 Istruzioni Le istruzioni possono essere divise in 5 categorie istruzioni operative istruzioni di controllo istruzioni di salto istruzioni di inizio/fine esecuzione istruzioni di ingresso/uscita 12

13 Istruzioni operative Istruzioni che producono un risultato se eseguite Ne fanno parte le operazioni aritmetiche e le assegnazioni Istruzioni di controllo Istruzioni che controllano il verificarsi di condizioni specificate e che in base al risultato determinano quale istruzione eseguire Es. se allora altrimenti (if then else) 13

14 Istruzioni di salto Istruzioni che alterano il normale ordine di esecuzione delle istruzioni di un algoritmo, specificando esplicitamente quale sia la successiva istruzione da eseguire Si distinguono istruzioni di salto condizionato o incondizionato Per quelle condizionate il salto è subordinato al verificarsi di una condizione specificata, per quelle incondizionate il salto è eseguito ogni volta che l istruzione viene eseguita. Istruzioni di inizio/fine Indicano quale istruzione dell algoritmo debba essere eseguita inizialmente e quale determini la fine dell esecuzione 14

15 Istruzioni di ingresso/uscita Istruzioni che indicano una trasmissione di dati o messaggi fra l algoritmo e tutto ciò che è esterno all algoritmo si dicono di ingresso o lettura quando l algoritmo riceve dati dall esterno si dicono di uscita o scrittura quando i dati sono comunicati dall algoritmo all esterno Esempio Nell algoritmo A1 Le istruzioni 1,8 sono di inizio/fine Le istruzioni 2,7 sono di ingresso/uscita La istruzione 3 è operativa La istruzione 4 è di salto condizionato Le istruzioni 5,6 sono condizionali 15

16 Proposizioni Un proposizione è un costrutto linguistico del quale si può dire se è vero o falso Il valore di verità di una proposizione è l essere vera o falsa della proposizione Es: 3 è un numero pari è una proposizione incrementa x di 10 non è una proposizione Predicati E un predicato una proposizione che contiene delle variabili e in cui il valore delle variabili determina il valore di verità del predicato Es. la variabile età è minore di 30 16

17 Predicati La valutazione di un predicato avviene tramite i seguenti operatori relazionali = uguale,? diverso > maggiore,? maggiore o uguale < minore,? minore o uguale Predicati semplici e composti Un predicato che contiene un solo operatore relazionale è detto predicato semplice Gli operatori relazionali possono essere combinati con i seguenti operatori logici NOT AND OR Un predicato che contiene più operatori relazionali combinati tramite uno o più operatori logici è detto composto 17

18 Operatori logici NOT: dato un predicato p, NOT p è vero quando p è falso e viceversa AND: dati due predicati p e q, p AND q è vero solo quando entrambi p e q sono veri e falso altrimenti OR: dati due predicati p e q, p OR q è falso solo quando entrambi p e q sono falsi e vero altrimenti Vettori Le variabili considerate fino ad adesso sono dette variabili scalari Una variabile vettore (array) è una coppia <nome, insieme di valori> Può essere immaginata come una scatola che ha un nome e che è divisa in tanti comparti ognuno dei quali è numerato e può contenere un valore 18

19 Vettori Ogni valore è individuato dal nome della variabile seguito dal numero del comparto detto indice La notazione usata è: A[i] La dimensione di un vettore è il numero dei suoi elementi Vettori Gli indici vanno da 1 ad un numero massimo rappresentato dalla dimensione del vettore In fase di dichiarazione di una variabile vettore si specifica la sua dimensione che non è più modificabile successivamente 19

20 Matrice E l estensione del concetto di vettore. Una matrice è un insieme di valori che sono indicizzati facendo ricorso a due o più indici La notazione usata è: M[i,j] Per una matrice a 2 dimensioni l indice i è detto indice riga e j indice colonna Diagrammi a blocchi E un linguaggio formale di tipo grafico per rappresentare gli algoritmi Attraverso il diagramma a blocchi (o flow chart) si può indicare l ordine di esecuzione delle istruzioni. Un particolare simbolo grafico detto blocco elementare è associato ad ogni tipo di istruzione elementare I blocchi sono collegati tra loro tramite frecce che indicano il susseguirsi delle istruzioni 20

21 Diagramma a blocchi I blocchi elementari sono: begin blocco iniziale Leggi X blocco di lettura A blocco azione end Scrivi X falso C vero blocco finale blocco di scrittura blocco di controllo Diagramma a blocchi Un diagramma a blocchi descrive un algoritmo se: ha un blocco iniziale e uno finale è costituito da un numero finito di blocchi azione e/o blocchi lettura/scrittura e/o blocchi di controllo ciascun blocco elementare soddisfa le condizioni di validità 21

22 Diagramma a blocchi Condizioni di validità ciascun blocco azione, lettura/scrittura ha una sola freccia entrante e una sola freccia uscente ciascun blocco di controllo ha una sola freccia entrante e due uscenti ciascuna freccia entra in un blocco o si innesta su una altra freccia ciascun blocco è raggiungibile dal blocco iniziale il blocco finale è raggiungibile da qualsiasi altro blocco Esercizio Scrivere un algoritmo e rappresentarlo tramite un diagramma a blocchi per i seguenti problemi: attraversare la strada preparare una torta calcolare l area del triangolo determinare le radici di una eq. di 2 grado somma di due numeri 22

23 Analisi strutturata Analisi volta alla stesura di descrizioni di algoritmi tramite diagrammi a blocchi di tipo strutturato Un diagramma a blocchi strutturato è più facilemente comprensibile e modificabile In un diagramma strutturato non apparità mai una istruzione di salto incondizionato Analisi strutturata Teorema di Bohm-Jacopini Ogni diagramma a blocchi non strutturato è sempre trasformabile in un diagramma a blocchi strutturato ad esso equivalente dove due diagrammi sono equivalenti se partendo dagli stessi dati iniziali producono gli stessi risultati 23

24 Analisi strutturata Una descrizione è di tipo strutturato se i blocchi sono collegati tramite i seguenti schemi di flusso strutturato: schema di sequenza schema di selezione schema di iterazione Analisi strutturata Schema di sequenza due o più schemi di flusso sono eseguiti in successione Nota: lo schema di sequenza è strutturato se e solo se lo sono i blocchi S1 e S2 begin S1 S2 end 24

25 Analisi strutturata Schema di selezione esiste un blocco di controllo che permette di scegliere quale schema di flusso begin begin debba essere eseguito tra due schemi, in funzione del valore di verità del controllo falso C vero S1 falso S2 C vero S1 end end Analisi strutturata Schema di iterazione (ciclo o loop) modo per descrivere azioni che devono essere ripetute in modo conciso begin begin falso C end S vero S C end vero falso 25

26 Analisi strutturata Nota: I due schemi non sono equivalenti: in un caso lo schema S è eseguito almeno una volta e nell altro potrebbe non essere mai eseguito La condizione vero/falso per il controllo possono essere invertite: si parla di iterazione per vero quando S è eseguito finchè la condizione su C è vera e iterazione per falso nell altro caso Analisi strutturata Note sullo schema di iterazione: quando è necessario eseguire lo stesso insieme di operazioni più volte si adotta un particolare schema di iterazione: è costituito da una sequenza di azioni di assegnazione dette istruzioni di inizializzazione una iterazione (ripetizione) di una sequenza di azioni (iterazione) per un numero specificato di volte 26

27 Analisi strutturata inizializzazione inizializzazione iterazione falso Condizione di fine ciclo vero Condizione di fine ciclo falso vero iterazione Analisi strutturata Condizione di fine ciclo: viene controllata dopo l esecuzione di ogni blocco di iterazione può essere con controllo in coda al ciclo o in testa 27

28 Analisi strutturata Un ciclo è detto enumerativo quando è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito si usa la tecnica del contatore per controllarne l esecuzione: si usa cioè una variabile detta contatore del ciclo che viene incrementata (o decrementata) fino a raggiungere un valore prefessato Analisi strutturata Un ciclo e indefinito quando non è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito Questo accade quando la condizione di fine ciclo dipende dal valore di una o più variabili che o dipendono dall interazione con l esterno o vengono modificate all interno dell iterazione in modo complesso 28

29 Esercizi Ricerca di un elemento in un vettore Determinare il massimo numero in un vettore Media di un vettore (Ordinare un vettore)* Soluzione: Trova begin i? 0 i? i+1 vero V[i]=k falso falso i=100 vero successo insuccesso end 29

30 Soluzione: Max begin i? 1 max? V[i] i? i+1 falso V[i]>max vero max? V[i] falso i=100 end vero Soluzione: Media begin input V[K] i? 0 i? i+1 m? V[i] falso i=k vero m? m/k output m end 30