CAP241 Computação Aplicada I. Parte 0 Informações Gerais

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1 ATENÇÃO! Este documento é apenas um rascunho da obra em desenvolvimento! CAP241 Computação Aplicada I Parte 0 Informações Gerais Dr. Gilberto Ribeiro de Queiroz Notas de Aula URL do documento original: < INPE São José dos Campos 2016

2 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 0.1 Panorama da Computação Avançada... 7 ii

3 LISTA DE TABELAS Pág. Tabela 0.1 Disciplinas com forte viés tecnológico e aplicadas iii

4 SUMÁRIO Pág. 0 INTRODUÇÃO Requisitos de um Cientista da Computação do Século XXI Visão Geral do Curso O que será discutido durante o curso? Pré-requisitos Dinâmica do Curso Assistentes do Curso Horário de Atendimento Site do Curso Referências Bibliográficas Forma de Avaliação Avisos Referências Bibliográficas do Capítulo iv

5 0 INTRODUÇÃO An algorithm must be seen to be believed. Donald Knuth (Knuth, 1968) 0.1. Requisitos de um Cientista da Computação do Século XXI Há alguns anos atrás, Stuart Feldman 1,2, proferiu uma palestra na Unicamp, intitulada Computing at Extreme Scale The Challenge and Excitement of Modern Computing (Feldman, 2008). Nesta palestra, Feldman relembrou que na Ciência da Computação existe um conjunto clássico de disciplinas, entre elas: Teoria da Computação e Modelos de Computação Algoritmos e Estruturas de Dados; Análise de Complexidade de Algoritmos; Análise Numérica; Arquitetura de Computadores e Sistemas; Linguagens de Programação; Sistemas Operacionais; Inteligência Artificial. 1 Vice Presidente da Google, autor do Make, e, desenvolvedor do primeiro compilador Fortran Veja uma breve biografia sobre Stuart Feldman em:

6 Relembra também, que outras disciplinas passaram a fazer parte de vários cursos de Ciência da Computação mais recentemente, entre elas: Engenharia de Software; Bancos de Dados; HCI; Information Retrieval; Redes; Sistemas Distribuídos; Armazenamento de Dados; Segurança.

7 Mas o que chamou a atenção foi o fato de lembrar que a Ciência da Computação tem expandido bastante suas fronteiras, para novas áreas que possuem forte ligação com aplicações e tecnologias dirigidas a problemas específicos 3, além de se envolver mais com questões sociais 4. Ou seja, o futuro da Ciência da Computação se encontra fora do Core, guiada por problemas reais, que são grandes desafios, possuindo interseção com várias áreas da ciência. Figura 0.1 Panorama da Computação Avançada Fonte: Feldman (2008). 3 Apenas para citar alguns poucos: Sistemas de Informação Geográficas, Sistemas de Monitoramento de Extremos Ambientais, Observatórios Virtuais de Astronomia, Biotecnologia, etc. 4 Questões de privacidade, colaboração, econômicas, etc.

8 Isso tudo faz com que a construção dos sistemas modernos envolva um horizonte ainda mais amplo, com conhecimentos de novas disciplinas, algumas delas com forte viés tecnológico e outras mais aplicadas (Tabela 1.1). Técnológicas Datamining Processamento Gráfico Super Computação Tecnlogias Web Aplicadas Computação Empresarial Computação Pessoal Bioinformática Saúde Services Sciences and Management 5 Auto-informatics e-government Vídeo, Jogos, 3D, Tabela 0.1 Disciplinas com forte viés tecnológico e aplicadas. Fonte: Adaptada de Feldman (2008). Como Feldman bem colocou, os sistemas de informações modernos são difíceis de serem construídos. Ou seja, o mercado precisa de gente com capacidade de utilizar ferramentas provenientes de várias áreas. 5

9 Mas para começar na computação, precisamos dominar um conjunto mínimo de conceitos e técnicas. É justamente este mínimo que será estudado nesta parte da disciplina de Computação Aplicada I (CAP-241). Iremos focar em Lógica de Programação e Algoritmos e Estruturas de Dados, que são parte do core da Ciência da Computação. O que estudaremos servirá de base para a construção de algoritmos e estruturas de dados mais específicas que vocês irão acabar empregando em seus trabalhos de mestrado ou doutorado. O assunto desta disciplina não é de interesse exclusivo de quem é de Ciência da Computação. Qualquer um que use o computador como ferramenta para resolver problemas cada vez maiores e com maior velocidade, precisará de um bom domínio do que discutiremos aqui. Conforme lembrado por Sedgewick e Wayne (2011), o que estaremos discutindo aqui é um corpo de conhecimento desenvolvido e estabelecido nos últimos 50 anos, mas indispensável. Por tanto, a aplicação do que estudaremos aqui é bem diversa: Sistemas de Informação Geográficas, Bancos de Dados, Linguagens de Programação, Bioinformática, Busca na Web. Como veremos ao longo do curso, o assunto discutido aqui é de fundamental importância no projeto de sistemas bem sucedidos. Por trás de bibliotecas robustas e eficientes como a STL de C++ (Stroustrup, 2013) e os algoritmos e containers Java (Gosling et al., 20013), estão boa parte dos algoritmos e estruturas de dados que iremos estudar neste curso. Um bom aprendizado das técnicas que iremos discutir também é fundamental em concursos e entrevistas de emprego na área de computação.

10 0.2. Visão Geral do Curso O que será discutido durante o curso? A ementa oficial do curso contempla os seguintes tópicos: Lógica de Programação; Construção de Algoritmos; Complexidade Algoritmos; Algoritmos de Busca e Ordenação; Recursividade; Estruturas de Dados; Árvores; Grafos Pré-requisitos Será considerado que o aluno tenha apenas conhecimento básico sobre Informática ou Ciência da Computação. De preferencia, algum conhecimento sobre programação de computadores. Nenhum outro requisito será suposto, ou seja, todos terão a oportunidade de aprender o cerne dos fundamentos de cada um dos tópicos mencionados acima.

11 Dinâmica do Curso De acordo com a ementa, iremos discutir o projeto e análise diversos algoritmos e estruturas de dados. Em sala de aula, tentarei descrever os algoritmos bem como as estruturas na forma mais neutra possível, muitas vezes na forma de pseudocódigo, mas outras vezes farei uso de notação em C++. Para conectar a parte teórica à prática, vocês poderão utilizar as Linguagens de Programação C (Kernighan e Ritchie, 1988) ou C++ (Stroustrup, 2013). C e C++ são duas linguagens muito poderosas. Em especial, C++ possui uma gama enorme de recursos. As duas linguagens são padronizadas: ISO/ANSI. Uma das aulas será dedicada a uma introdução à Linguagem C++. Como o INPE é um lugar singular no Brasil, vamos abordar algoritmos e estruturas de dados básicas e também algoritmos e estruturas de dados espaciais. As espaciais serão sempre complemento do que iremos ver em sala de aula. Ao contrário de cursos com foco apenas teórico, nós teremos a oportunidade de ver como os conceitos aqui se materializam na prática. Mas cuidado com a palavra prática pois ela não significa apenas o entendimento do que discutirmos com exemplos artificiais. Vamos ver onde essas estruturas e algoritmos são realmente empregados e como elas representam o cerne de tudo na computação: Sistemas Operacionais, Linguagens de Programação, Toolkits, Geoinformática, Web, e várias outras áreas. Posto isso, vocês já devem estar imaginando que terão muito trabalho? E terão! Toda aula terá uma lista de exercícios associada, que deverá ser entregue até o final da terça-feira antes do nosso próximo encontro, que ocorrerá sempre às quintas-feiras. Essas listas serão breves e darão a oportunidade de cada aluno de refinar o conhecimento adquirido no curso.

12 Não vale copiar soluções da Web, muito menos dos colegas! Vocês estão cursando mestrado e doutorado, ou seja, espero maturidade de vocês! Tentem implementar os algoritmos e estruturas de dados pedidas nos exercícios a partir do seu entendimento. Isso fará com que vocês venham a desenvolver habilidades que serão úteis para o desenvolvimento do projeto de pesquisa de vocês. Ao final de cada aula, irei passar uma série de leituras suplementares e direções de estudo que vocês poderão utilizar para aprofundar nos tópicos discutidos em aula. Essas leituras não serão obrigatórias Assistentes do Curso Este ano teremos dois assistentes que irão ajudá-los com dúvidas específicas das Linguagens C ou C++, ou dos ambientes de programação dessas linguagens: Raphael Costa: raphael.costa@dpi.inpe.br, sala 29 do prédio ASA. Matheus Zaglia: mzaglia@dpi.inpe.br, sala 22 do prédio ASA Horário de Atendimento Minha sala é a de número 03 no prédio ASA, que fica ao lado do LABGeo. Peço, encarecidamente, que mandem um para marcarmos uma conversa para evitar conflitos com outros compromissos. Estarei à disposição de vocês, em geral, no final das tardes (16:30 às 18:00), e nas sextas de 14:00 às 17:30 para tirar eventuais dúvidas de conteúdo da disciplina.

13 Site do Curso A página principal do curso CAP-241 encontra-se no seguinte endereço: O material e as listas de exercícios da nossa parte da disciplina estarão disponíveis em:

14 Referências Bibliográficas Existem dezenas de bons livros sobre o assunto de algoritmos e estruturas de dados. A ementa do curso sugere: CORMEN, T.H.; LIESERSON, C.E.; RIVEST, R.L.; STEIN, C. Introduction to Algorithms. 2 a Edição. Mit Press, MANBER, U. Introduction to Algorithms, a Creative Approach. Addison-Wesley, MOKARZEL, F. C.; SOMA, N. Y. Introdução à Ciência da Computação. Editora Campus, SHAFFER, C. A. A Practical Introduction to Data Structures and Algorithm Analysis. Prentice-Hall, Eu, particularmente, gosto muito dos seguintes livros, que não são obrigatórios: SEDGEWICK, R.; WAYNE, K. Algorithms. 4 a Edição. Addison- Wesley, p. SKIENA, S. S. The Algorithm Design Manual. 2 a Edição. Springer, p. ZIVIANI, N. Projeto de Algoritmos: com implementações em PASCAL e C. 2 a Edição. Editora Thomson, p. Além desses livros, sugiro que vocês tenham um livro introdutório sobre a Linguagem C ou C++. Aqui é o que vocês tiverem a mão, pode ser qualquer um, pois existem centenas de bons livros introdutórios.

15 Forma de Avaliação A avaliação será feita através de: (a) listas de exercícios, semanais; (b) um trabalho em dupla com uma monografia sobre um tema a ser sorteado (máximo de 5 páginas); (c) apresentação da monografia (máximo 10-minutos); (d) prova final. A fórmula que estou pensando em empregar é a seguinte: 40% da média das listas; 10% da monografia; 10% apresentação da monografia; 40% prova. Esta fórmula poderá ser alterada, dependendo do empenho e desempenho da turma, ou seja, conto bastante com a participação de vocês para fazermos um bom curso e não precisar ser rigoroso na avaliação.

16 Avisos Parece desnecessário o que vou frisar aqui, mas como tivemos problemas em outros anos, este ano estou avisando formalmente, ou seja, vocês não poderão reclamar posteriormente ou alegar desconhecimento: 1. Nossas aulas começarão às 08:00 na quinta-feira. 2. Não será permitido o uso de celulares! Apena em casos de extrema necessidade. 3. O uso de computadores e tablets para tomar nota do conteúdo sendo apresentado em sala de aula está liberado: o uso para navegar na Internet, ler s ou acessar qualquer outro recurso na Web, que não seja para tomar nota do conteúdo sendo apresentado em sala de aula está proibido. 4. Sobre a lista de presença: A primeira lista de presença será passada às 08:00. Por que o motivo de ser tão rigoroso com os itens acima? Devido a imaturidade de turmas anteriores de outras disciplinas; Porque vocês estão tendo a oportunidade de realizar um curso de mestrado e doutorado de forma gratuita: isto é, suportado com dinheiro público, e muitos ainda possuem bolsa, ou seja, somos todos responsáveis por esses recursos e temos que levar a sério. Alguma dúvida antes de começarmos?

17 0.3. Referências Bibliográficas do Capítulo FELDMAN, S. Computing at Extreme Scale The Challenge and Excitement of Modern Computing. Unicamp, Campinas, Brasil, 11 Agosto de GOSLING, J.; JOY, B.; STEELE JR., G. L.; BRACHA, G.; BUCKLEY, A. The Java Language Specification: Java SE 7 Edition (Java Series). 1 a Edição. Addison-Wesley Professional, p. KERNIGHAN, B. W.; RITCHIE, D. M. The C Programming Language. 2 a Edição. Prentice Hall, p. STROUSTRUP, B. The C++ Programming Language. 4 a Wesley Professional, p. Edição. Addison-