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1. Che cos'è un linguaggio? Una linguaggio “naturale” è un linguaggio comune, come l'italiano, che può essere scritto o orale, e che si è evoluto in maniera naturale all’interno di una comunità. Da come li conosciamo, i linguaggi naturali hanno il vantaggio (e, contemporaneamente, lo svantaggio) di essere così tanto espressivi che specifiche istruzioni comunicate attraverso il loro uso possono sembrare ambigue. Consideriamo, per esempio, la frase “la vecchia porta la sbarra”. Questa frase significa che c'è una vecchia porta che blocca qualcuno o che c'è una signora anziana che trasporta una sbarra? Tuttavia, spesso, noi riusciamo a disambiguare il significato di una frase mediante l'uso di convenzioni sociali o analizzando il contesto in cui l'azione avviene, in modo da restringere il possibile significato di un pezzo di informazione. Mentre i linguaggi naturali non sono formali per definizione, molti studi in linguistica cercano di fornirne una formalizzazione mediante l'uso di strumenti matematici [Bernardi, 2002]. Una delle figure più importanti dietro alla formalizzazione del linguaggio naturale è Noam Chomsky (mostrato in Figura 1). Chomsky è uno dei più importanti accademici degli ultimi cento anni e uno dei padri della linguistica moderna, insieme a Ferdinand de Saussure, Lucien Tesnière, Luis Hjelmslev, Zellig Harris, Charles Fillmore, etc. Le sue ipotesi di ricerca principali sul linguaggio umano sono: (1) la sua struttura sintattica di base è rappresentabile mediante una teoria matematica e (2) tale struttura è determinata biologicamente in tutti gli umani — ovvero, è già presente in noi sin dalla nascita — e, come tale, è una caratteristica unica che si è evoluta nel tempo e che è condivisa soltanto dagli umani e non da altri animali. Questa sua visione del linguaggio umano è molto dibattuta, ma ha avuto il merito di fondare su basi rigorose la ricerca sulle relazioni tra competenza e produzione linguistica, sulle dinamiche e le interazioni tra capacità “innate” e sviluppo cognitivo e sociale delle abilità linguistiche. Ha anche permesso di chiarire in parte distinzioni come sintassi vs. semantica, lessico vs. discorso, tra rappresentazione logica e rappresentazioni mentali, etc. Tra la sua produzione accademica troviamo la classificazione delle grammatiche formali in una gerarchia di crescente potere espressivo, che rappresenta uno dei suoi più importanti contributi, considerando il suo impatto anche al di fuori della linguistica tradizionale - per esempio nel dominio dell'informatica teorica e nei linguaggi di programmazione, come vedremo in seguito. Una grammatica formale è uno strumento matematico usato per definire la sintassi di un linguaggio (sia lingue naturali come l'italiano, sia linguaggi artificiali) attraverso l'uso di un insieme finito di regole di produzione, che permettono di costruire una qualunque frase valida in quello specifico linguaggio. Una grammatica formale è composta da un insieme di regole di produzione di forma premessa ::= espressione (in notazione Backus-Naur, or BNF), dove la premessa e l'espressione possono contenere uno o più simboli delle seguenti tipologie: » simbolo terminale (specificato tra virgolette in BNF), che identifica tutti i simboli elementari del linguaggio in considerazione (come nomi, verbi, etc.); + simbolo non terminale (specificato tra parentesi angolari in BNF), che identifica tutti i simboli di una grammatica formale che possono essere sostituiti da una combinazione di simboli terminali e non terminali. Figura 1. Una fotografia di Chomsky scattata nel 2011. Foto di Andrew Rusk, sorgente: https://en.wikipedia.org/wiki/Noam_Chomsky#/media/File:Noam_Chomsky_Toronto_2011.jpg. In linea di principio, l'applicazione di una regola di produzione riguarda la sostituzione dei simboli nella premessa con quelli specificati nell'espressione finché non si raggiunge una sequenza che include soltanto simboli terminali. Per esempio, le regole di produzione , ::= "scrivo" e ::= "leggo" permette la creazione di tutte le frasi di due parole che hanno il pronome di prima persona singolare accompagnato da uno dei verbi possibili (ad esempio “Io scrivo”). In più, ogni grammatica formale deve specificare un simbolo di inizio, che deve essere non terminale. La gerarchia proposta da Chomsky mette a disposizione un modo per descrivere formalmente le relazioni che possono esistere tra diverse grammatiche in termini delle loro possibili strutture sintattiche che sono in grado di generare. In pratica, queste tipologie sono caratterizzate dal tipo di simboli che possono essere usati nella premessa e nell'espressione delle regole di produzione. Queste tipologie di grammatica sono elencate di seguito, dalla meno espressiva alla più espressiva [vengono usate le lettere dell'alfabeto greco per indicare una qualsivoglia possibile combinazione di simboli terminali e non terminali, incluso il simbolo terminale vuoto, solitamente rappresentato con e]: 2.1 linguaggi di programmazione C'è un particolare aspetto di ogni computer (sia esso umano o macchina) che non è stato ancora affrontato direttamente, ovvero: quale meccanismo possiamo usare per chiedere a un computer di eseguire una particolare attività? La modalità per affrontare questo problema è estremamente connessa con il particolare canale comunicativo che vogliamo adottare. Se consideriamo un computer umano, possiamo usare un linguaggio naturale (ad esempio l'italiano) o i diagrammi di flusso per istruirlo sui passi algoritmici che deve compiere. Invece, per comunicare efficacemente con un computer elettronico si usano i linguaggi di programmazione. Un linguaggio di programmazione è un linguaggio formale che obbliga l'uso di specifiche regole sintattiche sviluppate in modo tale da evitare possibili istruzioni ambigue - solitamente restringendo l'espressività del linguaggio - cosicché tutte le “frasi” componibili possano trasmettere un solo possibile significato. | linguaggi di programmazione sono solitamente basati su grammatiche libere dal contesto, in conformità con la classificazione Chomskiana fornita nella sezione precedente - e possono distinguersi per un basso o elevato livello di astrazione dal linguaggio propriamente in uso da un elaboratore elettronico per eseguire le operazioni. In particolare, possiamo raggruppare i linguaggi di programmazione in tre macro insiemi: * il linguaggio macchina è un insieme di istruzioni che possono essere eseguite direttamente dalla CPU (central processing unit, o processore) di un computer elettronico. Per esempio, il codice seguente è un codice binario eseguibile (composto da una sequenza di 0 e 1) che definisce una funzione (ovvero, uno strumento che prende qualche input e produce un qualche output, e che di fatto implementa un algoritmo in un certo linguaggio di programmazione) per calcolare l'n-esimo numero di Fibonacci: 1000101101010100001001000000100010000011111110100000000007110711100000110101110000000000000000000000000000000000011000011" * i linguaggi di programmazione a basso livello sono linguaggi che forniscono un livello di astrazione sopra il linguaggio macchina, e che permettono di scrivere programmi in modo che siano un pochino più intellegibili dagli umani. Il più famoso linguaggio di questo tipo è l'Assembly. Anche se introduce simboli più comprensibili, di solito una linea di codice in Assembly rappresenta una specifica istruzione in linguaggio macchina. Per esempio, la funzione per calcolare l'n-esimo numero di Fibonacci introdotta precedentemente può essere definita in Assembly come segue: fib: mov edx, [esp+8] cmp edx, 0 ja @f mov eax, 0 ret @E: cmp edx, 2 ja @f mov eax, 1 ret @e: push ebx mov ebx, 1 mov ecx, 1 @@: lea eax, [ebx+ecx] cmp edx, 3 jbe @f mov ebx, ecx Mov ecx, eax dec edx jmp @b @@: pop ebx ret Grace Brewster Murray Hopper (mostrata in Figura 2) è tra i più grandi pionieri dei linguaggi di programmazione. È stata un'informatica e il primo programmatore dell'Harvard Mark I, che era un computer elettromeccanico general-purpose usato durante la seconda guerra mondiale e interamente ispirato alla macchina analitica di Babbage. Grace Hopper era fermamente convinta della necessità di avere linguaggi di programmazioni che fossero indipendenti dalle macchine su cui erano utilizzati, che l'ha portata allo sviluppo del COBOL, uno dei primi linguaggi di programmazione ad alto livello che è tuttora usato per alcune applicazioni industriali. COBOL (common business-oriented language) è un linguaggio di programmazione sviluppato per uso industriale che utilizza largamente termini propri alla lingua inglese per descrivere le varie istruzioni dei programmi. L'idea di adottare, per la prima volta, comandi in lingua inglese ha reso il linguaggio un po' più verboso ma anche molto più leggibile e chiaro. Per fare un esempio, nei linguaggi di programmazione odierni se vogliamo definire la condizione di un costrutto condizionale (ovvero, l'equivalente di un un oggetto grafico decisionale nei diagrammi di flusso), ad esempio controllare se il valore assegnato ad una certa variabile x è maggiore di quello assegnato alla variabile y, si usano i simboli matematici per le uguaglianze, come x > y. In COBOL, la stessa condizione è esprimibile dall'istruzione x IS GREATER THAN y. atto di Grace Hopper: Foto di sorgente: mipedia.org/viki/File:Commodor per SN. (covered) jpg. Dopo la seconda guerra mondiale, sono stati creati diversi linguaggi di programmazione, con caratteristiche specifiche a seconda dei principi di sviluppo e dell'uso che se ne doveva fare - ad esempio, dipendentemente dai problemi computazionali per cui venivano usati. Mentre tutti questi linguaggi, in principio, permettono lo sviluppo di soluzioni per un qualsiasi problema computazionale, alcuni di questi sono più appropriati per determinati domini rispetto ad altri. Per esempio, il COBOL, come già anticipato, è stato sviluppato per la creazione di applicazioni industriali, mentre il FORTRAN è stato sviluppato per gestire al meglio la computazione di dati scientifici. Mentre un'analisi accurata di tutti i linguaggi di programmazione è fuori degli obiettivi del corso, in Figura 3 sono mostrati i principali linguaggi di programmazione dal 1954 al 2017. -R +: fila cs PI 5 E SL cs Figura 3. Una timeline grafica che riassume i principali linguaggi di programmazione creati dal 1954 al 2017. Mentre le linee delineano le relazioni di parentela tra un linguaggio e un altro, i colori usati sono stati scelti per garantire una più efficace leggibilità e non hanno alcun significato particolare. La sequenza di istruzioni specificate per risolvere il problema computazionale proposto di fatto implementano uno specifico algoritmo. Utilizzando i diagrammi di flusso, introdotti nel capitolo precedente, è possibile specificare lo stesso insieme di istruzioni usando un linguaggio più formale, come mostrato in Figura 5. - ct) Figura 5. Un diagramma di flusso che rappresenta la sequenza di istruzioni indicate in Figura 4 per permettere al coniglio di mangiare tutte le carote. In questo caso, azioni simili successive sono raggruppate nel medesimo blocco di processo (ad esempio “fai due passi avanti” invece che “vai avanti” e “vai avanti”). Mano a mano che si va avanti nel gioco, il numero di azioni che si devono far compiere al coniglio diventa più elevato. Per esempio, in Figura 6 la sequenza di azioni da compiere non è visualizzata interamente nella finestra di gioco. Figura 6. Uno scenario più complesso di quello mostrato in Figura 4. In particolare, la sequenza di operazioni che permettono al coniglio di mangiare tutte le carote presenti sul percorso è estremamente più estesa, seppur abbastanza ripetitiva. In modo da semplificare la specificazione di queste lunghe sequenze di azioni, il gioco propone costrutti addizionali mano a mano che si va avanti nei vari livelli di difficoltà. In particolare, in Figura 7, viene mostrata come eseguire una sequenza di azioni, per risolvere il problema computazionale, mediante l'utilizzo di un nuovo oggetto grafico (o costrutto) che permette di raggruppare sequenze ripetitive di azioni e di eseguirle un numero definito di volte, ovviando al problema di indicarle tutte per esteso come fatto in Figura 6. Figura 7. L'utilizzo di un nuovo oggetto grafico, indicato dalla freccia circolare arancione, che permette di eseguire una particolare sequenza di operazioni in esso contenute (ovvero “vai avanti”, “vai avanti”, “gira a destra”) tante volte quanto è indicato dal numero che lo accompagna, in questo caso 4. Anche questo algoritmo prettamente grafico può essere rappresentato mediante l'utilizzo di un diagramma di flusso, come mostrato in Figura 8. In questo caso, la ripetizione è realizzata attraverso l'utilizzo di un oggetto grafico decisionale che controlla se la sequenza di azioni “fai due passi avanti” e “gira a destra” è stata eseguita il numero necessario di volte (4) per risolvere il problema computazionale, e così concludere l'algoritmo. Figura 8. Il diagramma di flusso che descrive i passi necessari per descrivere la sequenza di operazioni, con ciclo iterativo, descritta in Figura 7. Oltre alla possibilità di creare graficamente un algoritmo, Blocky mette anche a disposizione una sorta di traduttore che permette di descrivere i vari passi dell'algoritmo implementato in uno tra cinque diversi linguaggi di programmazione. Per esempio, il Listato 1 mostra la traduzione in Python delle istruzioni presentate in Figura 10. istruzioni = list() iterazione = 0 while iterazione < 4: iterazione = iterazione + 1 istruzioni.append("avanti") istruzioni.append("avanti") istruzioni.append("gira a destra") Listato 1. L'implementazione in Python dell'algoritmo descritto in Blocky mostrato in Figura 10. Python è un linguaggio di programmazione ad alto livello general-purpose, ed è correntemente uno dei linguaggi più usati per il Web e per attività di analisi automatiche di dati e del linguaggio naturale. Tra i vari vantaggi, Python è uno dei linguaggi più semplici con cui iniziare a studiare come programmare e creare applicazioni. Seppur in questo corso non verranno approfonditi i principi della programmazione in Python, sul Web ci sono a disposizione tantissime risorse gratuite (principalmente in inglese) che permettono uno studio approfondito del linguaggio, in particolare: * Il libro introduttivo Dive into Python 3 [Pilgrim, 2009]; * La documentazione ufficiale del linguaggio; e Una piattaforma online per giocare con Python 3 senza installare alcun software sul proprio computer; e Un corso interattivo per imparare Python da zero; « Un altro libro interamente dedicato alla risoluzione di problemi e algoritmi sviluppati in Python [Miller and Ranum, 2017]; * Unlibro digitale che contiene un'introduzione a Python per le Scienze Umane. 
