Universidad Rafael Urdaneta Escuela de Ingeniería de Computación. MSc Jaime Soto. Problemas, algoritmos y programas

Transcripción

1 Universidad Rafael Urdaneta Escuela de Ingeniería de Computación Problemas, algoritmos y programas Paradigmas y Lenguajes de programación Desarrollo sistemático de aplicaciones Un modelo de computador MSc Jaime Soto

2 En qué consiste la programación? Es la planificación, proyección o ejecución de una tarea o proceso Para nosotros, describir lo que debe hacer la computadora para resolver un problema concreto utilizando un lenguaje de programación Qué es un programa? Secuencia de instrucciones que indica las acciones que han de ser ejecutadas por una computadora

3 Fases para la resolución de problemas con una computadora: 1. Análisis: comprender y definir el problema 2. Desarrollo de la solución (algoritmo): secuencia lógica de pasos para resolver el problema 3. Trascripción de la solución: a un lenguaje de programación 4. Prueba: seguir los pasos para verificar que la solución resuelve verdaderamente el problema.

4 Qué es un problema? Planteamiento de una situación cuya respuesta desconocida debe obtenerse a través de métodos científicos Tipos de problemas: Sin solución Determinado: Con una solución, o más de una en número fijo. Indeterminado: Con indefinido número de soluciones..

5 Establecimiento del problema Análisis: Consiste en conocer de manera exacta y precisa en qué consiste el problema Especificación: descripción precisa del problema Datos de partida Resultado Descripción: lenguaje natural lenguajes formales puede resultar impreciso lógica, matemáticas.

6 Ejemplo Problema: División euclídea Especificación: Datos Resultado 2 enteros, dividendo y divisor (D,d) d no nulo 2 enteros, cociente y resto (C,R) 0 R < d, tal que D = d * C + R

7 Etimología Alhuarizmí: sobrenombre del árabe Muhamed ibn Musa (al- Jwarizmi), matemático persa Definición de Algoritmo (I) Procedimiento paso a paso para resolver un problema en una cantidad finita de tiempo (II) Una secuencia de instrucciones paso a paso para realizar alguna tarea (normalmente un cálculo).

8 Características de los algoritmos Precisión: Orden de cada paso Operación que se realiza en cada paso Definición o determinismo: Finitud El algoritmo responderá de la misma forma en las mismas condiciones En el número de pasos En el tiempo de ejecución.

9 Características de los algoritmos La definición de un algoritmo debe describir tres partes: Entrada: datos necesarios Proceso: instrucciones Salida: resultados Entrada Proceso Salida Ejemplo: Suma N N N a b c, c a b.

10 Lenguajes algorítmicos Sirven para describir algoritmos Son más precisos que el lenguaje natural pero menos rígidos que un lenguaje de programación Son un paso intermedio en la descripción de algoritmos Ejemplos: pseudocódigo, diagramas de flujo.

11 Ejemplo de algoritmo en pseudocódigo: Suma lenta Suma lenta: consiste en ir pasando de a a b una unidad cada vez, de forma que cuando a=0, el resultado será el valor de b 1. Sean a, b N 2. Leer a y b b b+1 3. Mientras a 0 hacer 4. Escribir b a a-1.

12 Definición formal de algoritmo Es una cuádrupla que contiene los siguientes elementos: Conjunto de los estados que se pueden presentar en cada momento Identificación de estados iniciales Identificación de estados finales Función de transición entre estados.

13 Un estado está definido por cuatro elementos: Marca de la posición del algoritmo en la que se define el estado Valores de las variables que entran en juego Datos de entrada Resultados emitidos.

14 Ejemplo: Estados de cómputo del algoritmo sumalenta Posición Entrada Salida Valores de los datos 1 [2 3 ] [] [] [] [] [] [] [] [] [] [] [] [] [5] 0 5 a b

15 Aspectos de un algoritmo: Necesarios: Corrección: respecto a las especificaciones. Complejidad: recursos que un algoritmo necesita Deseables: Generalidad: es deseable que sirva para una clase de problemas lo más amplia posible Eficiencia: será más eficiente cuanto menos pasos necesite

16 Dado un determinado problema, pueden existir varios algoritmos que lo resuelvan Ejemplo: suma de dos números enteros No todos los problemas tienen solución algorítmica Ejemplo: problema de parada (consistente en encontrar un algoritmo que determine si otro algoritmo finaliza o no con unos determinados datos de entrada)

17 Qué es un programa? Conjunto de instrucciones precisas escritas en un lenguaje entendible por una computadora Qué es la programación? Es el proceso de construcción de programas. En general consta de las siguientes fases: Análisis del problema Solución conceptual del problema Escritura del algoritmo a un lenguaje de programación Comprobación de resultados

18 Ejemplo: Suma-lenta en Pascal PROGRAM SumaLenta (input,output); {Se suman dos enteros positivos, pasando unidades de uno a otro} VAR a,b:integer; BEGIN Readln(a,b); WHILE a <> 0 DO BEGIN a:=a-1; b:=b+1 END; {while} Writeln(b) END. {SumaLenta}

19 Definición de lenguaje de programación: Lenguaje artificial, diseñado para representar algoritmos de forma inteligible por el computador Los lenguajes de programación son más rigurosos que el lenguaje natural y además tienen una sintaxis y semántica más sencilla

20 Las características más relevantes son: Sintaxis Semántica Traducción y ejecución Errores y cómo subsanarlos

21 Especifica inequívocamente la forma de construir los programas en un determinado LP La especificación de la sintaxis se realiza mediante: Gramáticas BNF Diagramas sintácticos Número entero + - Entero sin signo

22 Asigna un significado a cada tipo de construcción de un LP Formas de especificación: Definiciones formales Ejemplos en los manuales Write( hola ); Write( hola ); Produce en pantalla: holahola Y no: hola hola

23 El lenguaje de programación debe traducirse al lenguaje de la máquina Las formas de traducción son: Compilación: Todo el código fuente (en un archivo) se traduce al código ejecutable (y se guarda en otro archivo) El archivo ejecutable queda listo para su ejecución Programa Fuente Código fuente Compilación Programa Objeto Código ejecutable

24 Interpretación: Se traduce una instrucción de código fuente Se ejecuta dicha instrucción Se repiten estos dos pasos con todas las instrucciones del código fuente

25 Errores de compilación Surgen durante la traducción (compilación) del código fuente Son errores sintácticos, de tipo, etc Errores de ejecución Surgen al ejecutar el código Son operaciones ilegales (división por cero), de tipo lógico, etc

26 Los motores que impulsan el desarrollo de los lenguajes de programación son: Abstracción Encapsulación Modularidad Jerarquía

27 Abstracción Proceso mental por el que el ser humano extrae las características esenciales de algo, e ignora los detalles superfluos. Encapsulación Proceso por el que se ocultan los detalles de las características de una abstracción

28 Modularización Proceso de descomposición de un sistema en un conjunto de elementos poco acoplados (independientes) y cohesivos Jerarquía Proceso de estructuración por el que se organizan un conjunto de elementos en diferentes niveles atendiendo a unos criterios determinados

29 Leng. o código máquina Leng. Ensamblador Leng de alto nivel Tiempo Prog. Estructurada Prog. Modular Prog. Con TAD s (Tipos Abstractos de Datos) Prog. Orientada a Objetos

30 Se define como una colección de patrones conceptuales que moldean la forma de razonar sobre problemas, de formular algoritmos y de estructurar programas Paradigmas: Programación imperativa Programación funcional Programación lógica

31 Basada en comandos que actualizan variables que están en almacenamiento Permite cierto nivel de abstracción: variables, expresiones, instrucciones Para programar: declarar las variables necesarias Diseñar una secuencia (algoritmo) adecuada de instrucciones (asignaciones)

32 Ejemplo: Mayor de dos números en Pascal. PROGRAM mayordedosnumeros; VAR x,y, mayor; BEGIN Read (x,y); if x > y then mayor := x else mayor := y; Write (mayor); END.

33 Tiene su base en el concepto de función matemática: f: dominio rango Para programar: Se construyen funciones sencillas Se construyen funciones más complejas a partir de las sencillas Se evalúan las funciones sobre los datos de entrada

34 Ejemplo: Mayor de tres números en funcional Definición de funciones max2 y max3: max2(x,y) := if x > y then x else y max3(x,y,z) := max2(max2(x,y),z) NOTA: := en este caso significa se define como

35 Tiene su base en cálculo de predicados de primer orden: Para programar: Se definen hechos (o predicados básicos) Se diseñan implicaciones para definir predicados complejos Se determina la veracidad de los predicados para individuos concretos

36 Ejemplo: Parentescos madre(ana,luis) padre(josé,ana) abuelo(x,z):-padre(x,y),padre(y,z) abuelo(x,z):-padre(x,y),madre(y,z) Consultas:?- abuelo(josé,luis). SI?- abuelo(josé,ana). NO?- abuelo(x,luis) X=josé

37 Prog. Concurrente Prog. orientada a objetos Prog. Funcional (P.Declarativa) LISP Hope Haskel CLOS Prog. Lógica (P.Declarativa) Prolog Ciao-Prolog Prolog++ Prog. Imperativa C PASCAL Fortran COBOL Ada Pascal FC Ada-95 Dephi Java Smalltalk C++ Eiffel

38 Definición-1 (Bauer, 1969): el establecimiento y uso de principios robustos de la ingeniería a fin de obtener económicamente software que sea fiable y que funcione eficientemente sobre máquinas reales Definición-2 (IEEE, 1993): la aplicación de un enfoque sistemático, disciplinado y cuantificable hacia desarrollo, operación y mantenimiento de software

39 Planificación Análisis Diseño Codificación Validación Mantenimiento

40 Evaluación del interés del proyecto Valoración de los recursos técnicos y humanos Predicción del coste económico y del tiempo de ejecución Resultado: aprobar o descartar el proyecto

41 Establecimiento de las funciones que debe cumplir la aplicación Planificación del trabajo conjunto de los diferentes módulos Elaboración de un sistema de pruebas para detección de errores Resultado: especificaciones del funcionamiento general del software

42 Diseño de los bloques División en partes Asignación de tareas a equipos de trabajo Resultado: algoritmos escritos en lenguaje algorítmico

43 Escritura del algoritmo en un lenguaje de programación Resultado: algoritmos escritos en lenguaje algorítmico

44 Aplicación del sistema de pruebas a: los módulos las conexiones entre los módulos (prueba de integración) la aplicación completa (prueba de validación) Resultado: generación de la aplicación corregidos todos los errores detectados

45 Redacción de la documentación actualizada para usuario y programador Inicio de la explotación de la aplicación Detección y corrección de errores no detectados en las fases anteriores Resultado: explotación de la aplicación

46 Unidad Central de Proceso (UCP o CPU) Memoria Principal Dispositivos Periféricos BUS

47 Dispositivo de almacenamiento Instrucciones Datos de entrada Datos de salida Elementos: Dirección Información

48 Dispositivo de procesamiento Operaciones de control Operaciones artiméticas y lógicas Elementos: Unidad de control Unidad Arimético - Lógica

49 Dispositivos periféricos: Intercambio de información con el exterior De entrada: Teclado, ratón, scanner De salida: Pantalla, impresora, De estrada/salida: Disco duro, Pendrive, LAN, BUS: comunicación de los elementos internos