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TALLER DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Clase 7: Algorítmica y programación Ing. Felipe Torres.

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1 TALLER DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Clase 7: Algorítmica y programación Ing. Felipe Torres

2 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

3 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.

4 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

5 Máquinas de cálculo (Electromecánicas) En 1937 H. Aiken inició la construcción de la MARK I. Se completó en 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

6 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

7 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 binario V. Neumann y la EDVAC

8 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

9 Ej. Modelo Von Newton RAM

10 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

11 Ejemplo de un algoritmosencillo Algoritmo para hacer una tasa de té Inicio Tomar la tetera Llenarla de agua Encender el fuego Mientras no hierva el agua Esperar Introducir una bolsa de té en la tetera Vaciar el té en la taza fin

12 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

13 Algoritmos Ejemplo de algoritmo de multiplicación por mediación y duplicación, método de Peasant Mediaciones Duplicaciones (+) (+) a=18 y b= = 48 9 = 48 (8+1) = = = = = = 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; }

14 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

15 Complejidad Ej. Búsqueda de un arreglo de números ordenados Búsqueda secuencial X=42 Paso 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 = Búsqueda binaria X=42 Paso 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 Celdas C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12

16 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)) Nombre O(1) constante O(log n) logarítmica O(n) lineal O(n log n) n log n O(n m ) polinomial O(2 n ) ó O(n!) exponencial Complejidad asintótica de los algoritmos

17 Ejemplo, Tiempo de ejecución de cada paso seg, algoritmo que requiere n! pasos. f(n)=n! ; c= Caso cuando n=10 f(10)=3.6x10 6 ; se ejecuta en 3.6 ms Caso cuando n=20 f(20)=2.4x10 18 ; se ejecuta en 77 años! Complejidad, notación big-oh

18 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

19 Problema del Agente Viajero Heurística de visita del vecino mas cercano E D C B A 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

20 Problema del Agente Viajero Heurística 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

21 Problema del Agente Viajero Heurística 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.

22 Problema del Agente Viajero Heurística 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 pasoc) 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)

23 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 del control y administración de los recursos de cómputo Software de aplicación (Ej. Excel) Permiten a la computadora realizar actividades específicas de procesamiento de la información

24 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

25 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)

26 Lenguajes de Programación Lenguajes máquina máquina Son directamente inteligibles por la computadora (0 y 1) Lenguajes de alto nivel 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 de bajo nivel Sus instrucciones son mas sencillas de recordar, pero necesitan ser traducidas al lenguaje máquina. EnsambladorC++ VisualBasic Fortran Pascal

27 Ejemplo de instrucciones: suma y resta Lenguaje de alto nivel Lenguaje de bajo nivel (Ensamblador) Lenguaje máquina +ADD _SUB010011

28 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 c 6c 6f 2c f 72 6c 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 c 6c 6f 2c f 72 6c Lenguajes de programación Ejemplos del programa Hola Mundo Lenguaje de alto nivel (C++) #include 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:

29 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

30 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.

31 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.

32 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;

33 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).

34 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).

35 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."; }

36 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.

37 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.

38 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; }

39 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.

40 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.

41 Ingeniería de Software Construcción de una casa para nuestro perro Fido Puede hacerlo una sola persona Requiere: Modelado mínimo Proceso simple Herramientas simples Puede hacerlo una sola persona Requiere: Modelado mínimo Proceso simple Herramientas simples

42 Ingeniería de Software Construcción de una casa para una familia Construida eficientemente y en un tiempo razonable por un equipo Requiere: Modelado complejo Proceso bien definido Herramientas más sofisticadas Construida eficientemente y en un tiempo razonable por un equipo Requiere: Modelado complejo Proceso bien definido Herramientas más sofisticadas

43 Ingeniería de Software Construcción de rascacielos

44 I.S Universidad Nacional de Colombia 44 ¿ 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

45 Actividades a desarrollar Análisis Diseño Programación Pruebas Mantenimiento Pruebas de integración Diseño modular Codificación y pruebas de unidades

46 I.S Universidad Nacional de Colombia 46 Modelos del proceso del software Modelo lineal o cascada Modelo de construcción de prototipos Modelos evolutivos: incremental, espiral, de desarrollo concurrente Otros

47 I.S Universidad Nacional de Colombia 47 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

48 I.S Universidad Nacional de Colombia 48 Definición Análisis Diseño Programación Pruebas Mantenim. Se concentra en cuatro características básicas: Estructura de datos Arquitectura del software Representaciones de interfaz Detalle procedimental (algoritmo) Modelo lineal secuencial o en cascada

49 I.S Universidad Nacional de Colombia 49 Definición Análisis Diseño Programación 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 Modelo lineal secuencial o en cascada

50 I.S Universidad Nacional de Colombia 50 Definición Análisis Diseño Programación 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 Modelo lineal secuencial o en cascada

51 I.S Universidad Nacional de Colombia 51 Definición Análisis Diseño Programación 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 Modelo lineal secuencial o en cascada

52 I.SUniversidad Nacional de Colombia52 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

53 I.S Universidad Nacional de Colombia 53 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 AnálisisDiseñoCódigoPruebasAnálisisDiseñoCódigoPruebasAnálisisDiseñoCódigoPruebas Modelo Incremental

54 I.SUniversidad Nacional de Colombia54 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 líneas de código) que añadan funcionalidad al sistema. Nota: Una evolución de este enfoque se conoce como Programación Extrema (XP-Extreme Programming). Modelo Incremental

55 I.SUniversidad Nacional de Colombia55 Utilización de ciclos en lugar de sucesión de actividades. Facilita el desarrollo rápido de versiones incrementales de software. Modelo Espiral


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