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Taller de Ingeniería Industrial

Taller de Ingeniería Industrial. Ing. Felipe Torres. Clase 7: Algorítmica y programación. 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.

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  1. Taller de Ingeniería Industrial Ing. Felipe Torres Clase 7: Algorítmica y programación

  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 Babbagediseñó 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. Máquina Censadora 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.

  5. MARK I 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

  6. ENIAC Máquinas de cálculo (Electrónicas) • La ENIAC (Electric NumericIntegrator 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.

  7. V. Neumann y la EDVAC 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

  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 CENTRAL DE PROCESAMIENTO UNIDAD DE SALIDA UNIDAD DE ENTRADA Unidad de Control Registros 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 algoritmo sencillo • 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 intmult (int a, intb) { 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; } • 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 a) Algoritmo en C b)Ejemplo

  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 Celdas C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 1 5 7 11 22 23 34 35 38 42 43 44 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 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

  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 cadapaso 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 Complejidad asintótica de los algoritmos O(nm) polinomial O(2n) ó O(n!) exponencial

  17. Complejidad, notación big-oh • Ejemplo, Tiempo de ejecución de cada paso 10-9seg, algoritmo que requiere n! pasos. f(n)=n! ; c= 10-9 Caso cuando n=10 f(10)=3.6x106; se ejecuta en 3.6 ms Caso cuando n=20 f(20)=2.4x1018; se ejecuta en 77 años!

  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. A B C D E A 0 80 65 85 95 B 80 0 85 135 160 C 65 85 0 50 90 D 85 135 50 0 45 E 95 160 90 45 0 b) Matriz de distancias entre las ciudades E A E D A C D B C B Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano E A D C B a) Topología (ciudades) c) Primer paso d) Segundo paso

  20. E E E A A A D D D C C C B B B f) Cuarto paso g) Quinto paso e) Tercer paso Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano (cont)

  21. E A E E E D A A A C B D D D C C C b) Primer paso c) Segundo paso a) Topología (ciudades) B B B E A D C B d) Tercer paso e) Cuarto paso Problema del Agente ViajeroHeurística de inserción del vecino mas lejano 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. E E E E E A A A A A D D D D D C C C C C B B B B B Problema del Agente ViajeroHeurística de visita del vecino mas cercano b) Primer paso c) Segundo paso a) Topologíal (ciudades) 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. e) Cuarto paso d) Tercer paso

  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 delcontrol y administración de los recursos de cómputo • Software de aplicación (Ej. Excel) • Permiten a la computadora realizaractividades específicas deprocesamiento de la información Software de aplicación Software de sistema Hardware

  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 de bajo nivel Lenguajes de alto nivel Lenguajes máquina Son directamente inteligibles por la computadora (0 y 1) Sus instrucciones son muy fáciles de recordar pero necesitan traducirse a lenguaje máquina por medio de un compilador o intérprete. Sus instrucciones son mas sencillas de recordar, pero necesitan ser traducidas al lenguaje máquina. Ensamblador C++ VisualBasic Fortran Pascal

  27. Ejemplo de instrucciones: suma y resta

  28. Lenguajes de programación • Ejemplos del programa “Hola Mundo” • Lenguaje de alto nivel (C++) • #include <stdio.h>main(); {printf("holaMundo");} 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 • 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 Fuente: http://www.roesler-ac.de/wolfram/hello.htm

  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 procedimientonombre_completo { imprimir $persona['nombre'] + $persona[’apellido'] } Procedimientoes_mayor { si$persona['edad'] > 18 imprimir “es mayor de edad” sino imprimir “esmenor de edad” } $persona['nombre'] = “Juan”; $persona['apellido'] = “Perez”; $persona['edad'] = “25” nombre_completo; es_mayor;

  33. Paradigmaorientado 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. Paradigmaorientado 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 $edad; métodoPersona($nombre, $apellido, $edad) { $this->nombre = $nombre; $this->apellido = $apellido; $this->edad = $edad; } métodonombre_completo() { retornar $this->nombre . ' ' . $this->apellido; } métodoes_mayor($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" esmenor 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($p)) { imprimir " es mayor de edad."; } Sino{ imprimir " esmenor de edad."; } funcióninicializar($nombre, $apellido, $edad) { $persona['nombre'] = $nombre; $persona['apellido'] = $apellido; $persona['edad'] = $edad; return $persona; } funciónnombre_completo($persona) { retornar $persona['nombre'] . ' ' .$persona['apellido']; } funciónes_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 paranuestroperro “Fido” Puedehacerlouna sola persona Requiere: Modeladomínimo Proceso simple Herramientas simples

  42. Ingeniería de Software • Construcción de una casa para una familia Construidaeficientemente y en un tiempo razonablepor un equipo Requiere: Modeladocomplejo Procesobiendefinido Herramientasmássofisticadas

  43. Ingeniería de Software • Construcción de rascacielos

  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 Universidad Nacional de Colombia

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

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

  47. Modelo lineal secuencial o en cascada 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 Universidad Nacional de Colombia

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

  49. Modelo lineal secuencial o en cascada 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 Universidad Nacional de Colombia

  50. Modelo lineal secuencial o en cascada 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 Universidad Nacional de Colombia

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