taller de ingenierÍa industrial clase 7: algorítmica y programación ing. felipe torres

TALLER DE INGENIERÍA INDUSTRIALClase 7: Algorítmica y programación

Ing. Felipe Torres

Maquinas de cálculo (mecánicas)

En 1642 Pascal crea una máquina mecánica capaz de sumar llamada la Pascalina. Usaba engranajes de ruedas dentadas. Realizaba operaciones de hasta 8 dígitos.

En 1670, Leibniz mejora la máquina inventada por Blaise Pascal, al agregarle capacidades de multiplicación, división y raíz cúbica. En 1679 crea y presenta el modo aritmético binario,

basado en 0 y 1 Charles Babbage diseñó la Máquina de

Diferencias (1821) aunque no la concluyó (era muy grande). Evaluaba polinomios

Maquinas de cálculo (mecánicas)

Posteriormente Charles Babbage diseñó la Máquina Analítica (1834) pero que Dispositivo de entrada de la información: tarjetas

metálicas perforadas en miles de combinaciones.

Unidad de almacenaje: tablero que contenía ejes y piñones que podían registrar dígitos.

Procesador: dispositivo con cientos de ejes verticales y miles de piñones.

Unidad de control: dispositivo en forma de barril con filamentos y ejes (como cuerdas de piano).

Dispositivo de salida: plantillas diseñadas para ser utilizadas en una prensa de imprenta.

Máquinas de cálculo (Electromecánicas)

En 1890 H. Hollerith consiguió realizar con su Máquina Censadora el censo de EE.UU. Usaba tarjetas perforadas para introducir

los datos. H. Hollerith fundó junto a T. Watson una

compañía para rentabilizar su máquina de la que saldría posteriormente la empresa IBM.

Máquina Censadora

Máquinas de cálculo (Electromecánicas)

En 1937 H. Aiken inició la construcción de la MARK I. Se completó en 1944. Las operaciones internas se realizaban con

relés y los contadores aritméticos eran mecánicos. Usaba cinta perforada para su programación.

Se usó durante la Segunda Guerra Mundial.

Se inspiró en las ideas de Babbage

MARK I

Máquinas de cálculo (Electrónicas)

La ENIAC (Electric Numeric Integrator And Calculator) fue construida entre 1943 y 1945 por J. Mauchly y J. P. Eckert. Fue la primera computadora electrónica de

propósito general totalmente operativa. Trabajaba en sistema decimal. Tenía grandes dimensiones

y utilizaba válvulas de vacío e interruptores.

ENIAC

Máquinas de cálculo (Electrónicas)

En 1945, J. von Neumann, J. Mauchly y J. P. Eckert. constuyeron el EDVAC, otro ordenador de grandes dimensiones. La arquitectura de este ordenador costaba

de: Memoria principal Unidad de control Unidad aritmética Sistema de entrada y salida

Trabajaba en binarioV. Neumann y la EDVAC

Modelo de Von Newton

Todas las computadoras digitales se basan en ésta arquitectura, solo ha cambiado la tecnología utilizada para la construcción del hardware Bulbos » Transistores (1956) » Circuitos Integrados

(1964) » Microprocesadores (1974)

MEMORIA

UNIDAD DE ENTRADA

UNIDAD DE

SALIDA

UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO

Registros

Unidad de Control

Unidad Aritmética Lógica

Ej. Modelo Von Newton

RAM

Algoritmos

“Secuencia finita de operaciones básicas que permiten resolver un problema”.

Características de un algoritmo Preciso: Indicar el orden de realización de

cada paso Definido: Si se sigue un algoritmo dos

veces, se debe obtener el mismo resultado cada vez.

Finito: Debe terminar el algún momento

Ejemplo de un algoritmosencillo Algoritmo para hacer una tasa de té

InicioTomar la teteraLlenarla de aguaEncender el fuegoMientras no hierva el agua

EsperarIntroducir una bolsa de té en la teteraVaciar el té en la taza

fin

Otros ejemplos de algoritmos• Las instrucciones o serie de pasos que sigues

para grabar un número telefónico en tu celular.• Las instrucciones que te dan para resolver un

examen.• Los pasos que sigues para prender el carbón para

una carne asada• El procedimiento que sigues para inscribirte • EL procedimiento para obtener tu pasaporte • La receta que sigues para preparar un pastel• Los pasos para invitar a alguien al cine

Algoritmos

Ejemplo de algoritmo de multiplicación por mediación y duplicación, método de Peasant Mediaciones Duplicaciones

18 24

9 48 (+)

4 96

2 192

1 384 (+)

• a=18 y b= 24

• 24 18 = 48 9 = 48 (8+1) = 48 8 + 48

= 96 4 + 48 = 192 2 + 48 = 384 1 + 48

= 384 + 48 = 432

b) Ejemploa) Algoritmo en C

int mult (int a, int b) {

int resultado = 0;

while (a>1) {

if (a%2 != 0) {

resultado = resultado + b,

a=a-1;

] else {

b = b*2;

a = a/2;

]

}

resultado = resultado + b;

return resultado;

}

Complejidad

Capacidad de procesamiento es un recurso escaso Escoger siempre el algoritmo mas

eficiente. Complejidad del algoritmo:

Mayor numero de pasos posibles en cualquier instancia

Número esperado de pasos de acuerdo a una distribución de probabilidades

Complejidad

Ej. Búsqueda de un arreglo de números ordenados

1 5 7 11 22 23 34 35 38 42 43 44

Búsqueda secuencial X=42Paso 1: ¿ 42 = 1 ? (no, siguiente)Paso 2: ¿ 42 = 5 ? (no, siguiente)Paso 3: ¿ 42 = 7 ? (no, siguiente)…Paso 9: ¿ 42 = 38 ? (no, siguiente)Paso 10: ¿ 42 = 42 ? (SI, encontrado!)

Comparaciones = 10

1 5 7 11 22 23 34 35 38 42 43 44

Búsqueda binaria X=42Paso 1: ¿ 42 >=< 23 ? (mayor, búsqueda binaria entre celdas C6 y C12)Paso 2: ¿ 42 >=< 38 ? (mayor, búsqueda binaria entre celdas C9 y C12) Paso 3: ¿ 42 >=< 43 ? (menor, búsqueda binaria entre celdas C9 y C11)Paso 4: ¿ 42 >=< 42 ? (igual, encontrado!)

Comparaciones = 4

CeldasC1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11C12

Complejidad, notación big-oh Notación big-oh es una medida

asintótica para medir el desempeño de los algoritmos Algoritmo corre en O(f(n)) si el tiempo

requerido para encontrar solución en el peor caso es “c x f(n)” donde c es el tiempo de ejecución de cada paso y n el numero de elementos.O(f(n)) NombreO(1) constanteO(log n) logarítmicaO(n) linealO(n log n) n log nO(nm) polinomialO(2n) ó O(n!) exponencial

Complejidad asintótica de los algoritmos

Ejemplo, Tiempo de ejecución de cada paso 10-9 seg, algoritmo que requiere n! pasos. f(n)=n! ; c= 10-9

Caso cuando n=10f(10)=3.6x106; se ejecuta en 3.6 ms

Caso cuando n=20f(20)=2.4x1018; se ejecuta en 77 años!

Complejidad, notación big-oh

Complejidad exponencial

Los problemas con algoritmos de tiempo exponencial no tienen solución práctica exacta Tiempo limitado Se utilizan algoritmos heurísticos eficientes

Ej. Problema del Agente Viajero: Encontrar la ruta mas corta para visitar exactamente una vez cada cuidad en una lista dada y regresar a la partida El único algoritmo exacto se basa en la

enumeración exhaustiva de todas las soluciones factibles, es decir un algoritmo de tiempo exponencial

Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano

0459016095E

4505013585D

905008565C

16013585080B

958565800A

EDCBA

b) Matriz de distancias entre las ciudades

A

B

D

C

E

a) Topología (ciudades)

A

B

D

C

E

c) Primer paso

A

B

D

C

E

d) Segundo paso

Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano (cont)

A

B

D

C

E

e) Tercer paso

A

B

D

C

E

f) Cuarto paso

A

B

D

C

E

g) Quinto paso

Problema del Agente ViajeroHeurística de inserción del vecino mas lejano

A

B

D

C

E

a) Topología (ciudades)

A

B

D

C

E

c) Segundo paso

A

B

D

C

E

b) Primer paso

d) Tercer paso

A

B

D

C

E

e) Cuarto paso

A

B

D

C

E

Se inicia seleccionando las dos ciudades mas alejadas entre si y formando un circuito con la ciudad cuya menor distancia a cualquiera de ellas es máxima.Luego se incorpora al circuito la cuidad cuya distancia mínima a cualquier otra ciudad del circuito sea máxima.

Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano

Este algoritmo selección en cada paso la arista con menor longitud, que no construya un circuito y se detiene cuando se han incorporado todos los nodos al arbol.

A

B

D

C

E

b) Primer paso c) Segundo paso

A

B

D

C

E

d) Tercer paso

A

B

D

C

E

A

B

D

C

E

e) Cuarto paso

A

B

D

C

E

a) Topologíal (ciudades)

Programación

Hardware, son los componentes físicos que constituyen una computadora

Software, son los programas que flexibilizan y hacen accesible el uso de las computadoras Software de sistema (Ej. Windows)

Programas que se encargan delcontrol y administración de los recursos de cómputo

Software de aplicación (Ej. Excel) Permiten a la computadora realizar

actividades específicas deprocesamiento de la información

Programas vs Programación

Programa: es la unión de una secuencia de instrucciones que una computadora puede interpretar y ejecutar y una (o varias) estructuras de datos que almacena la información independiente de las instrucciones que dicha secuencia de instrucciones maneja.

Programación : Describir lo que debe hacer la computadora para resolver 1 problema concreto utilizando 1 determinado lenguaje de programación

Lenguajes de programación

La clasificación de lenguajes de acuerdo a su generación (1ra gen., 2da gen., etc.) tiene sentido ya que: Mientras más alta sea la generación, mayor es el nivel de

abstración y menor es la dependencia de la arquitectura de la máquina.

Un programa debería ser escrito más fácilmente en un lenguaje de mayor generación que en uno de menor generación.

Clasificación de los lenguajes: Primera – lenguaje de máquina Segunda – lenguaje de ensamblaje Tercera – lenguaje procedimentales (tales como Basic, Cobol o

C) y orientados a objetos (tales como C++ y Java) Cuarta – lenguajes funcionales y declarativos (tales como Lisp,

Prolog, SQL y VRML) Quinta – lenguajes naturales (tales como el Español o el Inglés)

Lenguajes de Programación

Lenguajes máquina

Son directamente

inteligibles por la

computadora (0 y 1)

Lenguajes de alto nivel

Sus instrucciones son muy fáciles de

recordar pero necesitan

traducirse a lenguaje máquina por medio de un

compilador o intérprete.

Lenguajes de bajo nivel

Sus instrucciones

son mas sencillas de

recordar, pero necesitan ser traducidas al

lenguaje máquina.Ensamblador C++

VisualBasic

Fortran

Pascal

Ejemplo de instrucciones: suma y resta

Lenguaje de alto nivel

Lenguaje de bajo nivel

(Ensamblador)

Lenguaje máquina

+ ADD 100101

_ SUB 010011

Lenguaje de máquina (Binario)c7 3c 2a 3c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 5c 3c 28 5c 2a 2b 2a 00 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 64 48 65 6c 6c 6f 2c 20 57 6f 72 6c 64 21 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

Lenguajes de programación

Ejemplos del programa “Hola Mundo”Lenguaje de alto nivel (C++)#include <stdio.h>main(); {printf("hola Mundo");}

Lenguaje ensamblador (Assembler)STACK SEGMENT STACK

DW 64 DUP (?)

STACK ENDS

DATA SEGMENT

SALUDO DB "Hola mundo!!",13,10,"$"

DATA ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE, DS:DATA, SS:STACK

INICIO:

MOV AX,DATA

MOV DS,AX

MOV DX,OFFSET SALUDO

MOV AH,09H

INT 21H

MOV AH,4CH

INT 21H

CODE ENDS

END INICIO Fuente: http://www.roesler-ac.de/wolfram/hello.htm

Clasificación de acuerdo al paradigma de programación

Los paradigmas de programación son enfoques alternativos para construir programas.

Tradicionalmente, los paradigmas más importantes son los siguientes: Procedural Orientado a objetos Funcional Declarativo

Paradigma procedural

Los programas consisten de rutinas que contienen instrucciones que son ejecutadas mayormente en secuencia.

Las estructuras de control, tales como decisiones y ciclos, y las llamadas a subprogramas (rutinas) son usadas para alterar la secuencia.

Debido a esto último, la programación imperativa también se conoce como estructurada y también como procedimental.

Paradigma procedural (cont) El estado de un programa puede ser

determinado observando los valores de las variables.

El paradigma imperativo está muy arraigado al concepto de arquitectura Von Neumann. Esto es visto por muchos como un aspecto negativo que dificulta la programación.

Lenguajes como Basic, C, Cobol, Fortran y Pascal pertenecen a este paradigma.

Ejemplo PROCEDURAL

procedimiento nombre_completo {

imprimir $persona['nombre'] + $persona[’apellido']

}

Procedimiento es_mayor {

si $persona['edad'] > 18

imprimir “es mayor de edad”

sino

imprimir “es menor de edad”

}

$persona['nombre'] = “Juan”;

$persona['apellido'] = “Perez”;

$persona['edad'] = “25”

nombre_completo;

es_mayor;

Paradigma orientado a objetos Los programas consisten de objetos que

interactúan entre sí por medio de mensajes. Los objetos consisten de datos y de

operaciones para manipular esos datos. Cada objeto pertenece a una clase y todos los

objetos de la misma clase tienen la misma estructura.

Es posible diseñar objetos que contengan otros objetos (composición) y objetos que se deriven de objetos previamente creados (herencia).

Paradigma orientado a objetos (cont)

La idea principal de la orientación a objetos es maximizar la reutilización de código y la abstracción.

La mayoría de los lenguajes modernos de programación son orientados a objetos.

Lenguajes como C++, C#, Java y Smalltalk pertenecen a este paradigma.

Algunos lenguajes imperativos tienen extensiones que permiten la programación orientada a objetos, tales como Pascal (Turbo Pascal, Delphi) y Basic (Visual Basic .Net).

Ejemplo OOP

class Persona {

variable $nombre;

variable $apellido;

variable $edad;

método Persona($nombre, $apellido, $edad) {

$this->nombre = $nombre;

$this->apellido = $apellido;

$this->edad = $edad;

}

método nombre_completo() {

retornar $this->nombre . ' ' . $this->apellido;

}

método es_mayor($persona) {

retornar $this->edad >= 18;

}

}

$persona = new Persona('Juan', 'Perez', 25);

echo $persona->nombre_completo();

si ($persona->es_mayor) {

imprimir " es mayor de edad.";

} sino {

imprimir " es menor de edad.";

}

Paradigma funcional

Los programas consisten de fuciones que reciben como argumentos los resultados de otras funciones.

Las funciones en estos lenguajes pueden aceptar funciones como parámetros y también pueden devolver funciones como resultados. (Las funciones son valores de primera clase.)

En la mayoría de los lenguajes funcionales, las listas dinámicas son un tipo de datos provisto. Por lo tanto, el programador cuenta con operaciones prehechas para manejarlas.

Paradigma funcional (cont)

En los lenguajes funcionales puros, no existe el enunciado de asignación. Esto evita que las funciones puedan ocasionar efectos secundarios tales como modificar una variable global o devolver resultados por medio de parametros por referencia.

En cuanto a las estructuras de control, estos lenguajes proveen estructuras de decisión pero no de ciclos. Las repeticiones se hacen usando recursión.

Lisp es el lenguaje funcional por excelencia. Otros lenguajes en esta categoría son Scheme (un

dialecto de Lisp), Haskell y ML.

Ejemplo FUNCIONAL

$p = inicializar('Juan', 'Perez', 25);

echo nombre_completo($p);

Si (es_mayor($p)) {

imprimir " es mayor de edad.";

} Sino{

imprimir " es menor de edad.";

}

función inicializar($nombre, $apellido, $edad) {

$persona['nombre'] = $nombre;

$persona['apellido'] = $apellido;

$persona['edad'] = $edad;

return $persona;

}

función nombre_completo($persona) {

retornar $persona['nombre'] . ' ' .$persona['apellido'];

}

función es_mayor($persona) {

retornar $persona['edad'] >= 18;

}

Paradigma declarativo

Los programas consisten de declaraciones donde se indican las carácterísticas del problema que se quiere resolver, pero no se indica el algoritmo para resilverlo.

El nivel de abstracción es bien alto ya que el algoritmo es determinado por el traductor.

Normalmente los lenguajes declarativos no son de propósito general.

Lenguajes como Prolog (bases de datos deductivas y manejos de listas), SQL (bases de datos relacionales) y VRML (graficas en 3D) son declarativos.

Paradigma lógico

Los lenguajes lógicos son un tipo de lenguajes declarativos.

En estos lenguajes se utilizan hechos y reglas que permiten deducir otros hechos y de esta manera resolver el problema deseado.

Prolog es el lenguaje lógico por excelencia y utiliza la lógica proposicional.

Ingeniería de Software

Construcción de una casa para nuestro perro “Fido”

Puede hacerlo una sola personaRequiere:

Modelado mínimoProceso simpleHerramientas simples


Construcción de una casa para una familia

Construida eficientemente y en un tiempo razonable por un equipoRequiere:

Modelado complejoProceso bien definidoHerramientas más sofisticadas


Construcción de rascacielos

Universidad Nacional de Colombia

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3004582 - I.S

¿ Qué es el la Ingeniería de Software?

Metodología seguida por una organización para el desarrollo del software

Esta metodología incluye todas las fases del ciclo de vida clásico

Este proceso se define de manera general para todas las aplicaciones de una organización

Igualmente se definen tareas especificas a cada aplicación en particular

Actividades a desarrollar

Análisis

Diseño

Programación

Pruebas

Mantenimiento

Pruebas de integración

Diseño modular

Codificación y pruebas de unidades


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3004582 - I.S

Modelos del proceso del software

Modelo lineal o cascada Modelo de construcción de prototipos Modelos evolutivos: incremental, espiral,

de desarrollo concurrente Otros


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3004582 - I.S

Definición Análisis

Diseño Programación

Pruebas Mantenim.

Definición de requisitos:• Las restricciones y metas del sistema se definen a partir de la

interacción con el interesado.• Se comprende la naturaleza de la aplicación y el dominio de

información, así como su funcionalidad, rendimiento e interconexión • Se reúnen todos los requisitos que debe cumplir el software

Modelo lineal secuencial o en cascada


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3004582 - I.S



Pruebas Mantenim.

Se concentra en cuatro características básicas:Estructura de datosArquitectura del softwareRepresentaciones de interfazDetalle procedimental (algoritmo)



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3004582 - I.S



Pruebas Mantenim.

• Se llama también Implementación o desarrollo• Generación de código entendible por la máquina• Actualmente se investiga mucho sobre la manera

de generar código automáticamente



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3004582 - I.S



Pruebas Mantenim.

• Proceso de depuración de programas• Chequear la validez de las sentencias• Pruebas para detectar errores, asegurando que a

partir de los datos de entrada si se genere la salida deseada



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3004582 - I.S



Pruebas Mantenim.

• Corrección de errores no detectados en la etapa de pruebas

• Posibles mejoras funcionales debidas a nuevos requerimientos del cliente

• En esta fase se vuelven a aplicar todas las etapas anteriores sobre el software existente



523004582 - I.S

Comienza con una recolección inicial de requisitos para pasar a un diseño rápido y finalmente a la construcción de un prototipo de la solución.

Modelo de Construcción de Prototipos


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3004582 - I.S

Aplica el enfoque lineal secuencial escalonadamente

Incrementos parciales de la herramienta completa (versiones)

Cada incremento agrega funcionalidad adicional o mejorada sobre el sistema

Cada etapa debe cumplir con los requisitos de las desarrolladas

Incremento 2

Incremento n

... ... ... ...

Análisis Diseño Código Pruebas



Modelo Incremental


543004582 - I.S

Ventajas: Los clientes no tienen que esperar hasta que el sistema

se entregue completamente para comenzar a hacer uso de él.

Los clientes pueden usar los incrementos iniciales como prototipo para precisar los requerimientos posteriores del sistema.

Minimización del riesgo de falla en el proyecto porque los errores se van corrigiendo progresivamente.

Problemas: Adaptación de los requisitos del cliente para lograr

incrementos pequeños (no mas de 20.000 líneas de código) que añadan funcionalidad al sistema.

Nota: Una evolución de este enfoque se conoce como Programación Extrema (XP-Extreme Programming).

Modelo Incremental


553004582 - I.S

Utilización de ciclos en lugar de sucesión de actividades.

Facilita el desarrollo rápido de versiones incrementales de software.

Modelo Espiral

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