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Algoritmi e Computer: Concetto di Algoritmo e Proprietà, Dispense di Elementi di Informatica

Il concetto di algoritmo e le sue proprietà, che sono necessarie per garantire che un computer possa portare a termine il suo compito. Vengono discusse le definizioni intuitive e formali di algoritmo, esempi di algoritmi in informatica, le proprietà di finitezza, definitezza, input, output e efficacia definite da Donald Knuth, e il processo di analisi, progetto, programmazione, testing e manutenzione di un algoritmo.

Tipologia: Dispense

2019/2020

Caricato il 16/11/2020

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CAPITOLO 2 – ALGORITMI E COMPUTER
Il concetto di Algoritmo: Nella nostra carrellata storica abbiamo visto che molti hanno tentato per secoli di
costruire delle macchine automatiche in grado di realizzare delle operazioni e di produrre dei risultati senza
l’intervento dell’uomo: da Pascal e Poleni a Babbage e poi Turing, Zuse fino ai grandi scienziati e
imprenditori moderni.
Fare delle operazioni in maniera automatica significa: realizzare degli algoritmi senza che sia dovuto
l’intervento dell’uomo. Poiché questo è l’unico scopo di una macchina automatica e poiché noi siamo
interessati a capire come funziona una tale macchina, sarà utile, prima di proseguire, cercare di
comprendere bene cosa sia un algoritmo.
Il dizionario Treccani lo definisce più o meno così:
“Termine, derivato dall’appellativo al-Khuwārizmī del matematico Muḥammad ibn Mūsa del 9° sec.,
originario di quello che è l’attuale Uzbekistan, che designa qualunque schema o procedimento sistematico
di calcolo. Con un algoritmo si tende a esprimere in termini matematicamente precisi il concetto di
procedura generale, di metodo sistematico valido per la soluzione di una certa classe di problemi”.
Se questa definizione non è abbastanza chiara, proviamo più semplicemente a dirlo così:
“un algoritmo è una sequenza finita di operazioni da svolgere per risolvere un dato problema”.
Ancora oggi non esiste una «definizione di algoritmo» che ne definisca pienamente il concetto in termini
formali ci si deve accontentare di definizioni più o meno intuitive come quella prima evidenziata.
Uno dei tentativi più riusciti è quello proposto da Turing con la sua «macchina» ed è proprio per questo
motivo che la Macchina di Turing è ancora oggi lo strumento più potente utilizzato per decidere se un dato
procedimento sia o meno calcolabile con una macchina automatica.
Detto questo, quello di «Algoritmo» è forse il più importante concetto dell’Informatica e noi, per comodità,
lo considereremo nella sua accezione più semplice che ribadiamo: “un algoritmo è una sequenza finita di
operazioni da svolgere per risolvere un dato problema”.
Anche senza bisogno che qualcuno ce lo spieghi, vediamo subito che per essere sicuri di poter fare
un’ottima pasta frolla abbiamo bisogno che:
1. Ci sia dato il materiale con cui lavorare (gli ingredienti)
2. Ci sia spiegato quale procedimento applicare attraverso un numero finito di istruzioni elementari (la
ricetta)
3. Tutto questo, alla fine, produce un risultato (la pasta frolla).
Utilizzando un linguaggio più affine all’informatica, abbiamo bisogno:
1. Di un input; 2. Di un algoritmo; 3. E noi, alla fine, dobbiamo produrre un output.
Classici esempi di algoritmi in informatica sono:
• L’algoritmo di Euclide per il calcolo del MCD di due numeri interi
• L’algoritmo per la ricerca delle soluzioni di una equazione di II grado
• L’algoritmo PageRank di Google, che stabilisce quale sito far apparire prima nei risultati di una ricerca
Ma anche i seguenti sono esempi di algoritmi:
• Le indicazioni stradali per raggiungere una data località • Le istruzioni per assemblare un mobile dell’IKEA.
I diagrammi di flusso:
In informatica il diagramma di flusso (in inglese flow chart) è un linguaggio di modellazione grafico per
rappresentare il flusso di controllo ed esecuzione di algoritmi; esso consente di descrivere in modo
schematico ovvero grafico:
• le operazioni da compiere, rappresentate mediante sagome convenzionali (rettangoli, rombi, esagoni,
parallelogrammi, rettangoli smussati...), ciascuna con un preciso significato logico e all'interno delle quali
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CAPITOLO 2 – ALGORITMI E COMPUTER

Il concetto di Algoritmo: Nella nostra carrellata storica abbiamo visto che molti hanno tentato per secoli di costruire delle macchine automatiche in grado di realizzare delle operazioni e di produrre dei risultati senza l’intervento dell’uomo: da Pascal e Poleni a Babbage e poi Turing, Zuse fino ai grandi scienziati e imprenditori moderni. Fare delle operazioni in maniera automatica significa: realizzare degli algoritmi senza che sia dovuto l’intervento dell’uomo. Poiché questo è l’unico scopo di una macchina automatica e poiché noi siamo interessati a capire come funziona una tale macchina, sarà utile, prima di proseguire, cercare di comprendere bene cosa sia un algoritmo. Il dizionario Treccani lo definisce più o meno così: “Termine, derivato dall’appellativo al-Khuwārizmī del matematico Muḥammad ibn Mūsa del 9° sec., originario di quello che è l’attuale Uzbekistan, che designa qualunque schema o procedimento sistematico di calcolo. Con un algoritmo si tende a esprimere in termini matematicamente precisi il concetto di procedura generale, di metodo sistematico valido per la soluzione di una certa classe di problemi”. Se questa definizione non è abbastanza chiara, proviamo più semplicemente a dirlo così: “un algoritmo è una sequenza finita di operazioni da svolgere per risolvere un dato problema”. Ancora oggi non esiste una «definizione di algoritmo» che ne definisca pienamente il concetto in termini formali ci si deve accontentare di definizioni più o meno intuitive come quella prima evidenziata. Uno dei tentativi più riusciti è quello proposto da Turing con la sua «macchina» ed è proprio per questo motivo che la Macchina di Turing è ancora oggi lo strumento più potente utilizzato per decidere se un dato procedimento sia o meno calcolabile con una macchina automatica. Detto questo, quello di «Algoritmo» è forse il più importante concetto dell’Informatica e noi, per comodità, lo considereremo nella sua accezione più semplice che ribadiamo: “un algoritmo è una sequenza finita di operazioni da svolgere per risolvere un dato problema”. Anche senza bisogno che qualcuno ce lo spieghi, vediamo subito che per essere sicuri di poter fare un’ottima pasta frolla abbiamo bisogno che:

  1. Ci sia dato il materiale con cui lavorare (gli ingredienti)
  2. Ci sia spiegato quale procedimento applicare attraverso un numero finito di istruzioni elementari (la ricetta)
  3. Tutto questo, alla fine, produce un risultato (la pasta frolla). Utilizzando un linguaggio più affine all’informatica, abbiamo bisogno:
  4. Di un input; 2. Di un algoritmo; 3. E noi, alla fine, dobbiamo produrre un output. Classici esempi di algoritmi in informatica sono:
  • L’algoritmo di Euclide per il calcolo del MCD di due numeri interi
  • L’algoritmo per la ricerca delle soluzioni di una equazione di II grado
  • L’algoritmo PageRank di Google, che stabilisce quale sito far apparire prima nei risultati di una ricerca Ma anche i seguenti sono esempi di algoritmi:
  • Le indicazioni stradali per raggiungere una data località • Le istruzioni per assemblare un mobile dell’IKEA. I diagrammi di flusso: In informatica il diagramma di flusso (in inglese flow chart) è un linguaggio di modellazione grafico per rappresentare il flusso di controllo ed esecuzione di algoritmi; esso consente di descrivere in modo schematico ovvero grafico:
  • le operazioni da compiere, rappresentate mediante sagome convenzionali (rettangoli, rombi, esagoni, parallelogrammi, rettangoli smussati...), ciascuna con un preciso significato logico e all'interno delle quali

un'indicazione testuale descrive tipicamente l'attività da svolgere

  • la sequenza nella quale devono essere compiute, rappresentate con frecce di collegamento (flusso). Per questa loro connotazione topologica i diagrammi di flusso possono essere ricondotti alla classe più ampia dei diagrammi a blocchi, che a loro volta rientrano nell'ancora più vasta categoria delle mappe concettuali, utilizzate soprattutto per la descrizione e la rappresentazione delle informazioni e della conoscenza. Proprietà degli algoritmi: Abbiamo visto che quello di algoritmo non è un concetto strettamente informatico. In Informatica tuttavia, per essere definito tale, un algoritmo deve rispettare alcune proprietà, definite negli anni ‘60 da Donald Knuth (Stanford University):
  • Finitezza: Un algoritmo deve terminare dopo un numero finito di passi
  • Definitezza: Ogni passo deve essere rigorosamente definito; le azioni da svolgere devono essere rigorose e non ambigue (operazioni elementari)
  • Input: …deve avere un numero finito di dati/oggetti in entrata
  • Output: …deve produrre un risultato univoco
  • Efficacia: Tutte le operazioni da svolgere debbono avvenire in un tempo finito ragionevole Queste proprietà servono a garantire il fatto che un computer sia in grado di portare a termine il suo compito. Dall’algoritmo al programma: Prima che una macchina come il computer possa realizzare un dato compito, è necessario che sia concepito e definito un algoritmo o una serie di algoritmi in grado di realizzare quello stesso compito («analisi»). In seguito quello stesso algoritmo dovrà essere rappresentato in una forma che sia compatibile con il nostro computer; viene fatto un «progetto» per trascrivere l’algoritmo utilizzando un linguaggio che la macchina sia in grado di comprendere. Questa rappresentazione dell’algoritmo si chiama «programma» e l’intero processo di sviluppo del programma, la sua codifica in forma comprensibile alla macchina e l’inserimento in memoria, viene detto «programmazione». Il programma viene verificato in una fase di «testing» in cui le funzionalità del programma vengono valutate (rispetto alle specifiche) ed il programma viene utilizzato da persone diverse per individuarne eventuali malfunzionamenti. Infine si ha l’attività di «manutenzione» per ulteriori correzioni, adattamenti a diverse piattaforme, evoluzioni etc. In linea teorica, una volta che viene scoperto un nuovo algoritmo che realizza un dato compito (per esempio l’algoritmo di Euclide per trovare il Massimo Comun Divisore di due numeri interi, l’algoritmo per comprimere la musica in mp3 o le immagini in jpg), questo viene dato per acquisito e non viene richiesto di comprenderne il funzionamento. In questo senso l’algoritmo rappresenta un «mattone fondamentale» che non viene ulteriormente messo in discussione. Soprattutto nell’informatica moderna, questo concetto è ampiamente utilizzato e un grandissimo numero di questi «mattoni» si trovano nel Web ad uso e consumo dei programmatori e degli appassionati di tutto il mondo. Algoritmi e società: Oggi l’informatica si è affermata come la scienza degli algoritmi. L'ambito di questa scienza è molto ampio, attingendo e interagendo con diverse discipline come la matematica, l’ingegneria, la psicologia, la biologia, l’economia aziendale, le scienze ambientali, la linguistica etc... Questo implica che i ricercatori in diversi rami dell'informatica possono avere delle idee anche molto

BIT e BYTE Abbiamo già visto che i computer hanno bisogno di un proprio linguaggio per poter comunicare tra loro e con gli esseri umani. Così come gli uomini utilizzano dei simboli elementari nel proprio linguaggio (fonemi per linguaggio verbale; caratteri per linguaggio scritto), anche il computer utilizza delle proprie entità elementari che noi codifichiamo in: 0 e 1 BIT (Binary digIT). Tutta l’informatica è costruita su questi due simboli. Perché vengono utilizzati solo i due simboli 0 e 1? La ragione è già detta e facilmente intuibile: dal punto di vista tecnologico è molto facile rilevare il passaggio o meno di una corrente all’interno di un conduttore. Sarebbe altresì molto difficile e dispendioso costruire dei circuiti in grado di distinguere tra dieci segnali diversi (0…9). Quella binaria invece è una «informazione di stato» molto semplice che può assumere soltanto due valori: vero/falso; acceso/spento; si/no. In pratica:

  • La corrente c’è => 1; • La corrente non c’è => 0 Attraverso diverse combinazioni di 1 e 0 può essere rappresentato, in un computer, l’intero «Universo delle Informazioni». Il BIT è l’elemento fondamentale di informazione ma normalmente viene aggregato in un insieme che costituisce esso stesso un elemento importante in informatica. Questo è il BYTE Il BYTE è costituito da una sequenza di 8 BIT. Poiché ad un BYTE può essere associato uno dei nostri caratteri, esso talvolta viene anche detto «carattere». Il BYTE è anche l’entità elementare utilizzata nella memorizzazione. Un altro termine importante da conoscere e che spesso viene utilizzato come riferimento è «WORD» che è dato da 2 BYTE e LONGWORD (4 BYTE). Con WORD si rappresentano per esempio i piccoli interi, con LONGWORD gli interi e i numeri reali, e così via. I multipli del BIT e del BYTE È importante a questo punto fare una breve panoramica su quelli che sono i «multipli» del BIT/BYTE che ci servono per rappresentare, per esempio, la capacità di memoria o la velocità di un dispositivo di archiviazione.
  • KILO k ≈ un migliaio Kb (Kilobit) – KB (Kilobyte)
  • MEGA M ≈ un milione Mb (Megabit) – MB (Megabyte)
  • GIGA G ≈ un miliardo Gb (Gigabit) – GB (Gigabyte)
  • TERA T ≈ mille miliardi Tb (Terabit) – TB (Terabyte) È importante sottolineare che i valori dati (come potenze di 2) valgono quando si parla di supporti di memorizzazione, non nel caso ci si riferisca a questi valori per misurare la velocità di trasmissione. Per esempio, quando vi interconnettete a Internet e vi viene segnalato che state scaricando un file alla velocità di 300Kb/s, sappiate che in questo caso 300K vale 300.000 e non 307.200 (300X1024).
  • La velocità media di connessione per gli utenti di Internet in tutto il mondo, non solo tra questi 50 paesi, ma tutti i paesi, è di 1,8 Mbit / s.
  • In media, questo è un dato davvero molto buono, ma come possiamo vedere dal grafico, gli estremi sono molto ampi. BIT e BYTE Architettura del Computer Vediamo ora quali sono i «blocchi» fondamentali che costituiscono il computer, sia esso un «Personal Computer» un «Main Frame» oppure un «Super Computer». Ogni computer del mondo,

indipendentemente dalle sue prestazioni o dal suo costo, può essere ricondotto ad un modello unitario: uno schema di «blocchi funzionali» che lo descrive in termini generici. Il modello di von Neumann è di notevole importanza in quanto descrive l'architettura hardware su cui è basata la maggior parte dei moderni computer programmabili. Fu sviluppato negli anni ‘40 dal matematico ungherese John von Neumann nell’ambito del progetto EDVAC*. Da una parte abbiamo l’uomo, dall’altra abbiamo il computer. Due linguaggi completamente diversi. Serve qualcosa che consenta di trasferire l’informazione da una parte all’altra. Questa prima componente è una «unità di ingresso al mondo dei BIT» È un mediatore linguistico capace di acquisire informazioni dall’Utente ovvero dal mondo esterno e di trasferirle al Computer. In modo del tutto simmetrico abbiamo necessità di trasferire informazione dal mondo del Computer al mondo Esterno: al mondo degli Esseri Umani. Dati che sono codificati in forma di BIT all’interno della memoria del computer, debbono essere trasferiti a noi in una forma che sia per noi comprensibile. «unità di uscita dal mondo dei BIT» CPU: La Central Processing Unit (CPU) o Unità di Elaborazione in italiano risiede all’interno del computer. È il suo cuore e ha la funzione di: «elaborare i dati ricevuti in ingresso, secondo gli ordini impartiti dal programma» Ma questo può essere fatto solo con l’ausilio di un’altra unità, ossia la «Unità di Memoria» nella quale risiedono sia i dati da elaborare, sia i programmi da eseguire. Memoria: L’Unità di Memoria, come detto, ha la funzione di contenere sia i dati da elaborare, sia il programma delle istruzioni da eseguire. In prima approssimazione possiamo distinguere due tipi fondamentali di memoria:

  • La Memoria centrale RAM (Random Access Memory);
  • La Memoria di Massa (Hard Disk). La prima è una memoria «volatile» che ha la funzione di supportare le attività di elaborazione (alta velocità, bassa capacità); La seconda è «permanente» e serve a memorizzare i dati e i programmi che debbono poter essere utilizzati anche in più sessioni di utilizzazione del computer.