CATEDRA 0. Departamento académico de ingeniería de minas y civil METODOS NUMERICOS ING.CRISTIANCASTROP.

Transcripción

1 CATEDRA 0 2 Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Civil Departamento académico de ingeniería de minas y civil METODOS NUMERICOS Ingeniería Civil ING.CRISTIANCASTROP. Capitulo I Herramientas de Cálculo l ING.CRISTIANCASTROP.

2 Herramientas de Cálculo Equipo Computadora Calculadora Herramientas de Cálculo Software Desarrollo de programas Software matemático Hoja de cálculo Calculadora graficadora

3 Herramientas de Cálculo Módulos de un Algoritmo Algoritmo Datos de entrada Módulo 1 Procesamiento de los datos Módulo 2 Impresión de resultados Módulo 3 Módulo 1: representa la operación que permite el ingreso de los datos del problema Módulo 2: representa la operación o conjunto de operaciones secuenciales, cuyo objetivo es obtener la solución del problema Módulo 3 : representa una operación o conjunto de operaciones que permite comunicar al exterior el o los resultados obtenidos Herramientas de Cálculo Algoritmo Conjunto finito de instrucciones bien definidas para lograr alguna tarea (objetivo), que dado un estado inicial, terminará en un estado final una vez alcanzado un criterio. Ejemplo 1: Torre de Hanoi Cuántos pasos para n discos? El objetivo o es mover oe todos los discos de su posición poscó inicial ca a o tra guía, obedeciendo las reglas: Sólo se puede mover un disco a la vez Ningún disco se puede poner sobre un disco menor

4 Herramientas de Cálculo Algoritmo Ejemplo 2: Algoritmo de Euclides Dados dos enteros positivos m y n, encontrar su máximo común divisori Paso 1: Dividir m por n y dejar que r sea el remanente (tendremos 0<= r<n) Paso 2: Si r=0, el algoritmo termina, n es la respuesta Paso 3: Fijar m n, n r, ir a Paso1 Puedes demostrar que el algoritmo resuelve lo que ofrece? Herramientas de Cálculo Características de un Algoritmo Donald E. Knuth Fundamental Algorithms Vol. 1, 2nd edition Finito Definido con Precisión Entradas Salidas Efectividad + Sumar - Menos * Multiplicación / División ± Mas o menos = Equivalente a > Mayor que < Menor que >= Mayor o igual que <= Menor o igual que <> Diferente de Si No True False

5 Herramientas de Cálculo Compilación Common Language Runtime Código fuente Assembly C++, C#, VB o cualquier otro lenguaje Compilación (Strong name opcional) DLL o EXE Herramientas de Cálculo NIVELES DE LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Alto Nivel Lenguajes declarativos (4ª. Generación) Lenguajes de alto nivel (Compilados o interpretados) Bajo Nivel Lenguajes ensambladores Lenguajes máquina

6 Capitulo I a ING. CRISTIAN CASTRO P. Historia ALGOL 60 Simula Smalltalk FORTRAN Pascal Ada PL/I C COBOL LISP Prolog ML 90 Miranda

7 Historia PL/I(66) Eiffel (86) Ada(95) Cobol(58) Ada(83) ENS SAMBLA ADOR Fortran(54) Algol(60) Simula(67) Pascal(70) C(72) Smalltalk(80) C++(89) Java(96) Basic(66) PERSPECTIVA HISTÓRICA DE VARIOS LENGUAJES Área de aplicación Científica Procedimiento de datos Propósito General Inteligencia artificial Origen lingüístico FORTRAN I FORTRAN II FORTRAN IV ANS FORTRAN IV ANS FORTRAN 77 Algebra Algol 58 Algol 60 FORTRAN Pascal ANS BASIC UCSD Pascal ANS APL ANS Pascal Inglés COBOL 58 COBOL 68 BASIC ANS PL/I PL/I ANS PL/I Lambda LISP (G) calculo PROLOG LISP 1,5 Procesamiento de texto Programación de sistemas Algoritmo de Markov Maquina de Von Neumann SNOBOL Ensamblador y Lenguajes maquina SNOBOL 3 SNOBOL 4 C Ada ICON ANS Ada Modula Modula-2

8 PERSPECTIVA HISTÓRICA DE VARIOS LENGUAJES Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución Un lenguaje es la forma que utilizan dos entidades llamadas emisor y receptor para comunicarse. Un lenguaje de programación es la forma en que un ser humano le indica a una computadora lo que debe de hacer. Los lenguajes de programación son necesarios dado que el lenguaje que entendemos los humanos y las máquinas es totalmente distinto. Las computadoras entienden un lenguaje máquina de 0 y 1

9 Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución El lenguaje máquina es diferente entre las familias de microprocesadores Los lenguajes de programación se clasifican de acuerdo a su objetivo en: de propósito general y propósito específico. Los lenguajes de propósito general sirven para resolver casi cualquier problema. Ejemplos: C/C++, Java, Pascal, Ada, etc Los lenguajes de propósito específico son de dominio más específico. Ejemplo: SQL (Base de Datos), GAMS (Modelamiento), etc. Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución El lenguaje máquina es diferente entre las familias de microprocesadores Los lenguajes de programación también se pueden clasificar de acuerdo a su nivel de abstracción en bajo nivel y alto nivel. El nivel de abstracción se da desde el punto de vista humano; es decir, el de alto nivel está más cercano al lenguaje natural. Otra forma de clasificar los lenguajes de programación es en base al paradigma utilizado para programar.

10 Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución Los lenguajes de bajo nivel son los que están más cercano al lenguaje máquina, permiten el desarrollo más eficiente de aplicaciones, pero la programación es más complicada. Ejemplo: lenguaje ensamblador x86, ensamblador PPC, ensamblador 68x, etc. Los lenguajes de alto nivel son muy parecidos a lenguajes naturales como el inglés. Permiten un rápido desarrollo e implantación de algoritmos. Ejemplo: C++, Java, BASIC, Fortran, COBOL, etc. Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución Cómo es posible que dos entidades con diferentes lenguajes (humanos y computadoras) puedan comunicarse entre si? Se puede realizar por medio de un traductor. Lo cual da otra clasificación de lenguajes de programación. Por la forma en que se realiza la programación,los lenguajes se clasifican en: Lenguajes compilados (compilador) Lenguajes interpretados (intérprete).

11 Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución Los lenguajes interpretados se procesa el código fuente y se traduce línea por línea. Ejemplo de lenguajes interpretados está la línea comandos (shell) de un sistema operativo, BASIC, entre otros. En los lenguajes compilados la traducción se realiza leyendo todo el código fuente. Ejemplo: Pascal, Delphi, C/C++, etc. Existen diversos paradigmas como procedimental o estructurado (C, Pascal, etc.), orientado a objetos (Java,C++, SmallTalk, etc.). Clasificación de los lenguajes de programación y su evolución Los lenguajes interpretados se procesa el código fuente y se traduce línea por línea. Otros paradigmas de programación son el funcional como LISP, la programación lógica con PROLOG, programación orientada a aspectos, etc. Los lenguajes de programación también tienen otros fines Los lenguajes de programación también tienen otros fines como configurar programas.

12 Son herramientas que nos permiten crear programas y software. Entre ellos tenemos Fortran, C, Delphi, Qbasic, Visual Basic, Pascal, Java, etc.. Una computadora funciona bajo control de un programa el cual debe estar almacenado en la unidad de memoria; tales como el disco duro. Los lenguajes de programación facilitan la tarea de programación, ya que disponen de formas adecuadas que permiten ser leídas y escritas por personas. Los lenguajes de programación se representan en forma simbólica y en manera de un texto los códigos que podrán ser leídos por una persona tales como: 1 celulares 2 cajeros Automáticos 3losmp3 4Calculadoras

13 Hay lenguajes de programación que utilizan compilador QUE ES UN COMPILADOR..? Un compilador es un programa que, a su vez, traduce un programa escrito en un lenguaje de programación a otro lenguaje de programación La razón principal para querer usar un compilador es traducir un programa de un lenguaje de alto nivel, aotro lenguaje de nivel inferior. Los lenguajes de programación se determinan según el nivel Nivel Bajo Nivel Medio Nivel Alto

14 -Lenguajes de Bajo nivel La palabra "bajo" no implica que el lenguaje seainferior a un lenguaje de alto nivel; se refiere a la reducida abstracción entre el lenguaje y el hardware. Ejemplo PLC PLC ( Control Logico programable) Son todos los procesos Industriales Tales como el control de la maquinaria, plantas de fabricación Lenguaje ensamblador Es totalmente dependiente de la arquitectura de la computadora. Utiliza instrucciones i cortas llamadas mnemónicos. Las cuales se sustituyen al momento de ensamblar. La mayoría de los lenguajes de alto nivel genera como código intermedio instrucciones en ensamblador. Por ejemplo el código máquina j p g q (0xb061) es representado en ensamblador x86 como MOV al, 061h

15 Lenguajes de Nivel medio Hay lenguajes de programación que son considerados por algunos expertos como lenguajes de nivel medio. al tener ciertas características que los acercan a los lenguajes de bajo nivel. Ejemplo D.O.S Disk Operating System Lenguajes de alto nivel Los lenguajes de alto nivel son normalmente fáciles de aprender porque están formados por elementos de lenguajes naturales, como el inglés. En BASIC, el lenguaje de alto nivel más conocido, los comandos como "IF CONTADOR O = 10 THEN STOP" pueden utilizarse para pedir a la computadora que pare si CONTADOR es igual a 10. Por desgracia para muchas personas esta forma de trabajar es un poco frustrante, dado que a pesar de que las computadoras parecen comprender un lenguaje natural, lo hacen en realidad de forma rígida y sistemática.

16 Capitulo I Comparación a de Lenguajes Comparación de Lenguajes Cuáles son los criterios usados? ING. CRISTIAN CASTRO P. Tres criterios usados comúnmente cuando se evalúan los lenguajes de programación son: Cuán fácil se pueden leer y entender programas (readability) Cuán fácil se pueden escribir programas (writability) Cuán confiables son los programas (reliability) Recuerde: no existe un lenguaje de programación que se pueda clasificar como el mejor de todos. Si existiera, todo el mundo lo usaría.

17 Comparación de Lenguajes Readability Este criterio se refiere a la facilidad con la cual se pueden leer y entender programas en el lenguaje de programación que se evalúa. Obviamente, la legibilidad de un lenguaje debe ser juzgada de acuerdo al tipo de problemas para los cuales el lenguaje esta diseñado. Características que contribuyen a la legilibilidad de un lenguaje son: simplicidad, ortogonalidad, estructuras de control disponibles, ibl facilidades d para definir iestructuras t y tipos de datos, y consideraciones de sintaxis. Comparación de Lenguajes Readability: simplicidad Aquellos lenguajes que tienen una gran cantidad de componentes básicos son más difíciles de aprender que los de una menor cantidad de componentes. Lo más común es que el programador que se enfrenta a un lenguaje complejo sólo aprenda una porción del lenguaje e ignore el resto. Qué pasa el programador cuando se encuentra con un programa que usa alguna característica ti del lenguaje que no se conoce?

18 Comparación de Lenguajes Readability: simplicidad Otra preocupación con respecto a la simplicidad es cuando un lenguaje proveevarios métodos para hacer lo mismo. Por ejemplo, en C++: n=n+1; n+=1; n++; ++n; Si piensa que lo anterior no es confuso, considere: a[++n] *= b++ % (--c / d); Comparación de Lenguajes Readability: simplicidad Otro problema potencial es la capacidad que tienen algunos lenguajes, tales como C++, de permitir que un programador sobrecargue operadores. Un operador sobrecargado es aquel que tiene varios significados. Por ejemplo + en C++. La sobrecarga de operadores (operator overloading) es problemática cuando permite que el programador redefina un operador para un uso no intuitivo. Por ejemplo, sobrecargar * en vez de + para la operación de suma de matrices.

19 Comparación de Lenguajes Readability: Ortogonalidad Este concepto significa que se pueden combinar varios elementos de un lenguaje en todas las combinaciones posibles y cada combinación es significativa. No hay ortogonalidad cuando hay combinaciones inválidas. Un ejemplo: Un lenguaje tiene tipos de datos para enteros, reales, caracteres y booleanos. Además posee arreglos y apuntadores. Para que sea ortogonal, este debe permitir crear arreglos y apuntadores para cualquier tipo de datos, y debe permitir crear arreglos de apuntadores y apuntadores a arreglos. Comparación de Lenguajes Readability: Ortogonalidad C++ tiene algunos problemas de ortogonalidad. Por ejemplo: Un value-returning function puede recibir un récord y devolver directamente un récord. Sin embargo, aunque una función puede recibir un arreglo, no puede devolver directamente un arreglo. Se pueden crear void functions y apuntadores a void, peronose pueden crear variables de tipo void. Los parámetros son pasados automáticamente por valor, pero los arreglos son pasados automáticamente por referencia. El problema de la falta de ortogonalidad: hay excepciones a las reglas que el programador debe conocer.

20 Comparación de Lenguajes Readability: Estructuras de control Normalmente los lenguajes imperativos proveen las siguientes estructuras de control: Decisiones: If, Case Ciclos: While, Repeat/Until, For Algunos lenguajes proveen demasiadas estructuras de control. Por ejemplo, Visual Basic provee los siguientes ciclos: while/wend, do while/loop, do/loop until, do until/loop y do/loop while Otro lenguajes proveen muy pocas. Por ejemplo, Fortran 77 no contenía While y esto fuerza al programador a usar una combinación de If y Goto. Comparación de Lenguajes Readability: Estructuras de control Otra estructura de control que proveen muchos lenguajes pero no todos, es la recursión. Una función es recursiva si puede invocarse a sí misma. La recursión puede ser utilizada como una alternativa a los ciclos. Los lenguajes modernos tienden a incluir recursión, pero no así los lenguajes más antigüos. Los lenguajes funcionales llevan la simplicidad en los cicl os al extremo: no hay While, Repeat/Until ni For, sólo hay recursión.

21 Comparación de Lenguajes Readability: Estructuras ytipos de datos La presencia de tipos de datos y de facilidades para crear tipos y estructuras de datos es una ayuda significativa para leer y entender programas. En C, por ejemplo, no existe el tipo de datos bool de C++ y los booleanos se simulan usando 0 para Falso y otro valor (normalmente 1) para Cierto. Esto puede ser un problema. Otroejemplo: Basic y Fortran no proveían lacapacidad de crear records y esto quiere decir que los diferentes campos se debían declarar como variables independientes. di Comparación de Lenguajes Readability: Estructuras y tipos de datos En este aspecto se entiende que los lenguajes orientados a objetos son los más adecuados d ya que el concepto de clase permite implementar un tipo de dato abstracto (ADT) y el concepto de objeto permite crear variables de la clase definida. Una vez que se crea la clase esta puede ser usada para: Declarar objetos y arreglos (colecciones) de objetos Como la clase de algún atributo de otro objeto (composición) Como la base para crear clases derivadas (herencia) Como parámetro o valor devuelto en cualquier función.

22 Comparación de Lenguajes Readability: Consideraciones de sintaxis La sintaxis, que define la forma en que se pueden escribir instrucciones válidas, tiene un impacto significativo en la legilibilidad de los programas. Algunas consideraciones de sintaxis son: Identificadores la mayoría de lenguajes permiten identificadores descriptivos. Sin embargo, en Basic los identificadores sólo podían tener dos caracteres. En Fortran, la primera letra del identificador de una variable erausada para indicar su tipo de datos (I a N para enteros, cualquier otra letra para reales) y, por lo tanto, las declaraciones no incluían el tipo de datos. Comparación de Lenguajes Readability: Consideraciones de sintaxis Otras consideraciones: Símbolos para los operadores aunque los símbolos para operaciones aritméticas son estándar, el símbolo para asignación y el de comparación de igualdad varía (Basic usa = para ambos, Pascal usa := para asignar y = para comparar, C/C++ usa = para asignar y == para comparar). Palabras especiales la presencia o ausencia de éstas puede ser determinante. Por ejemplo, en C++ se usan { y } para indicar el comienzo yel fín de una estructura t de control pero no se indica de cuál estructura. Sería conveniente poseer end if, end while, etc. Pascal tiene el mismo problema porque utiliza begin y end sin indicar cuál estructura.

23 Comparación de Lenguajes Readability: Consideraciones de sintaxis Otras consideraciones: Comentarios aunque todos los lenguajes proveen capacidad para comentarios, en algunos el comentario debe comenzar en una columna específica y se extiende hasta el final de la línea (Cobol), en otros el comentario puede comenzar en cualquier columna (Pascal, Basic). Algunos lenguajes como C++ proveen para comentarios de una línea y de múltiples líneas. Formatos de columna fija o formato libre en algunos lenguajes (Cobol, Fortran 77), es requerido que ciertos elementos de sintaxis comiencen en columnas específicas. Otros lenguajes (Pascal, C, Java) tienen formato libre. Comparación de Lenguajes Writability Es la medida de cuán fácil se pueden escribir los programas para un dominio específico (problem domain) en un lenguaje. Entre los factores que influencian el writability están algunos de los mencionados anteriormente tales como: simpicidad, ortogonalidad, apoyo a la abstracción (creación desubprogramas y de tipos de datos). Otro factor a considerar es el de expresividad.

24 Comparación de Lenguajes Writability: expresividad La expresividad en un lenguaje se refiere a la facilidad de lograr mucho con poco código que sea entendible. Ejemplos: El ciclo For, aunque es innecesario si se dispone de While, aumenta la expresividad id d del lenguaje. La notación variable++ es más corta y más conveniente que variable = variable + 1. Poder asignar un arreglo a otro usando un solo enunciado de asignación es más conveniente que usando un ciclo For. Comparación de Lenguajes Reliability Laconfiabilidadserefierealacapacidaddeescribir programas que se desempeñen adecuadamente bajo cualquier circunstancia. Dos factores que influyen en la confiabilidad de un programa son el chequeo de tipos de datos y el manejo de excepciones. El chequeo de tipos de datos, por ejemplo, impide que se invoque una función que necesita recibir un número entero utilizando un string como argumento.

25 Comparación de Lenguajes Reliability: Manejo de excepciones El manejo de excepciones permite que un programa intercepte errores o condiciones inesperadas en tiempo de ejecución, tome acciones correctivas y continúe su ejecución o termine adecuadamente. Lenguajes modernos como Ada, C++, Java y Visual Basic.Net proveen la capacidad de manejo de excepciones. Otros lenguajes como C, Cobol y Fortran no proveen esta capacidad y requieren que el programador pase mucho trabajo chequeando estas condiciones inesperadas. Muchas Gracias