Limitações dos Computadores

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Ayrton Valente da Mota
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1 Limitações dos Computadores Baseado em Computers Ltd. What they really can t do, David Harel. Oxford University Press, Computadores e Redes de Comunicação Mestrado em Gestão de Informação, FEUP 2004/07 Sérgio Sobral Nunes mail: [email protected] web:

Computadores e Redes de Comunicação Mestrado em Gestão de Informação,

2 Algoritmos

3 Contexto Os computadores são máquinas poderosas. Permitem controlar aviões, instalações complexas, elevados fluxos de dados em redes de comunicação. Apesar da elevada complexidade, todos os computadores podem ser vistos como uma grande colecção de interruptores (ou bits), ligados ou desligados. Estes interruptores são controlados por algoritmos, programas ou processos computacionais, que respondem a dados recebidos. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 3

Apesar da elevada complexidade, todos os computadores podem ser vistos como uma grande colecção de interruptores (ou

4 Algoritmo - Analogia Entrada Ingredientes Software Receita Hardware Forno Utensílios Bolo Saída Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 4

5 Problemas Algorítmicos Os algoritmos são desenhados para resolver problemas algorítmicos. Especificação de todas as entradas legais Qualquer entrada legal + Algoritmo Caracterização da saída desejada como função da entrada. A saída pretendida Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 5

Especificação de todas as entradas legais Qualquer entrada legal +

6 Exemplos de Problemas Entrada: Dois inteiros, A e B. Saída: O número A + 4B Entrada: Um inteiro positivo N. Saída: O somatório dos inteiros de 1 a N. Entrada: Um inteiro positivo N. Saída: Sim se N é primo e Não se não é. Entrada: Dois textos em português. Saída: Uma lista das palavras comuns aos dois textos. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 6

Saída: O somatório dos inteiros de 1 a N. Entrada: Um inteiro positivo N.

7 Validação dos Algoritmos Validar um algoritmo é uma tarefa complexa. Validação parcial não é aceitável, é necessário validar o algoritmo para todas as entradas legais. Erros de sintaxe a escrita dos programas contém erros. Erros de lógica a estratégia gizada no algoritmo está errada. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 7

entradas legais. Erros de sintaxe a escrita dos programas contém erros.

8 Máquina de Turing Em 1936, Alan Turing apresentou o modelo conceptual de um computador especialmente pensado para a análise da natureza e limites da computação. A Máquina de Turing é composta por uma fita infinita com posições e uma cabeça de leitura/escrita. A fita pode ser deslocada em ambas as direcções e cada posição pode ser lida ou escrita. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 8

A Máquina de Turing é composta por uma fita infinita com posições e uma cabeça de leitura/escrita.

9 Máquina de Turing A Máquina de Turing tornou-se o modelo teórico base para o desenvolvimento de uma teória da computação. Apesar de serem extremamente simples (facilitando o desenvolvimento de teorias), as Máquinas de Turing capturam tudo o que pode ser feito computacionalmente. Tudo o que pode ser feito num computador actual, pode ser feito numa Máquina de Turing. Nenhum computador físico existente consegue fazer mais do que uma Máquina de Turing. Se uma Máquina de Turing consegue resolver um problema, o problema designa-se de computável. Caso contrário é um problema não computável. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 9

Tudo o que pode ser feito num computador actual, pode ser feito numa Máquina de Turing.

10 Problemas Impossíveis

11 Problemas Impossíveis Existem problemas que não podem ser resolvidos por nenhum computador, presente ou futuro, qualquer que seja o programa a ser executado, mesmo com recursos ilimitados (tempo, armazenamento, outros). O conjunto de todos os problemas algorítmicos pode ser dividido em dois subconjuntos: problemas computáveis e problemas não computáveis. Todos os problemas com um conjunto finito de entradas são computáveis. No limite podemos escrever a saída a apresentar para cada entrada. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 11

O conjunto de todos os problemas algorítmicos pode ser dividido em dois subconjuntos: problemas computáveis e problemas não computáveis.

12 Problemas Não Computáveis Problema da Paragem, 1936 (Halting Problem) Dada a descrição de um programa e a entrada inicial, determinar se o programa, quando executado com a entrada definida, alguma vez termina (halts) ou, alternativamente, executa para sempre. Demonstra-se que não existe um algoritmo para este problema. Teorema da Incompletude de Gödel, 1931 Num sistema lógico formal consistente, existem afirmações verdadeiras que não podem ser provadas. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 12

para sempre. Demonstra-se que não existe um algoritmo para este problema.

13 Problema da Paragem O problema da paragem permite explicar porque é que os computadores não conseguem prever problemas e evitar crashes ou bloqueios. Existe um programa que, para uma qualquer máquina de Turing e uma qualquer entrada de dados, determine se a máquina pára (halts)? Prova Assume-se a existência de um algoritmo Halt(p,d) que determina se o programa p perante a entrada d pára ( sim ) ou não, entrando em ciclo infinito ( não ). Um outro algoritmo Trouble(p) invoca o algoritmo Halt usando a entrada recebida e escreve sim se o Halt(p,p) determinar não, caso contrário entra num ciclo infinito. Correspondendo T ao algoritmo Trouble, o que acontece com Halt(T,T)? Se Halt(T,T)= não Touble(T)= sim Halt(T,T) deveria ter sido sim. Se Halt(T,T)= sim Touble(T) entra em ciclo Halt(T,T) deveria ter sido não. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 13

Prova Assume-se a existência de um algoritmo Halt(p,d) que determina se o programa p perante a entrada d pára ( sim ) ou não, entrando em ciclo infinito ( não ).

14 Problemas Não Viáveis

15 Problemas Não Viáveis Mesmo que o problema seja computável, e um algoritmo correcto exista, a execução pode ser demasiado dispendiosa no uso dos recursos, tornando-se impraticável. Um programa de computador consume recursos, nomeadamente tempo (acções executadas) e espaço (armazenamento dos dados utilizados). Diferentes algoritmos para o mesmo problema podem variar significativamente nos recursos consumidos. A diferença entre funções polinomiais (N 2 ) e funções exponenciais (2 N ) é crucial. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 15

Um programa de computador consume recursos, nomeadamente tempo (acções executadas) e espaço (armazenamento dos dados utilizados).

16 Ordens de Complexidade Algoritmo para Ordenação O(N 2 ) Ordenar de forma crescente um conjunto de números. Percorrer a lista de números e obter o menor. Trocar este valor com aquele na primeira posição. Voltar ao primeiro passo excluindo o elemento inicial. Caixeiro Viajante O(N!) Para um conjunto de cidades, descobrir qual é a ordem de visitas que permite percorrer um caminho total mais curto visitando cada cidade apenas uma vez? Testar todas as combinações possíveis e verificar qual a mais curta. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 16

ca/spider/harrison/java/sorting-demo.html Caixeiro Viajante O(N!

17 Complexidade de um Algoritmo O(N) - linear para todos os N fazer Instrução O(N 2 ) polinomial desde 1 até N fazer desde 1 até N fazer Instrução O(2 N ) exponencial para um número, testar todas as combinações de dois números (A,B) em que AxB=N O(N) O(N^2) O(2^N) O(N!) O(N!) factorial para N elementos testar todas as combinações possíveis Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 17

dois números (A,B) em que AxB=N 140 120 100 80 60 40 20 O(N) O(N^

18 Problema do Caixeiro Viajante Dado um conjunto de cidades e o custo de viajar entre cada par de cidades, determinar o percurso mais barato de modo a visitar todas as cidades apenas uma vez e voltar ao ponto de origem. A abordagem simples requer a análise de n! permutações. Considerando um milisegundo para analisar cada permutação. 5 cidades 0.1 segundos 10 1 hora anos anos 23 mais do que a idade do universo Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 18

A abordagem simples requer a análise de n! permutações. Considerando um milisegundo para analisar cada permutação.

19 Criptografia Problemas difíceis de resolver em tempo útil são importantes na área da criptografia. O método RSA, uma implementação do conceito de criptografia com chaves públicas, recorre a dois conceitos chave: factorização de um número e verificação da primalidade de um número. Enquanto que o teste é possível ser realizado de forma rápida. A factorização de números grandes é um problema para o qual não existem soluções rápidas. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 19

factorização de um número e verificação da primalidade de um número.

20 Riscos da Criptografia Mecanismos como o da criptografia têm por base duas assunções fundamentais: Os computadores são demasiado lentos. Somos ignorantes para lidar com estes problemas. Quando houver uma mudança significativa numa destas áreas, os sistemas que utilizam criptografia estão em risco. A invenção de novos paradigmas pode trazer novas abordagens aos problemas actuais. O aumento no desempenho dos computadores pode tornar viável as soluções actuais. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 20

Quando houver uma mudança significativa numa destas áreas, os sistemas que utilizam criptografia estão em risco.

21 Novas Abordagens Novos paradigmas para o desenvolvimento de algoritmos tentam ultrapassar (minimizar) estas limitações. Computação Paralela Múltiplos computadores a trabalhar em paralelo sobre o mesmo problema. Computação Aleatória Utilização de valores aleatórios durante os passos do algoritmo. Computação Quântica Abordagem baseada nos conceitos da mecânica quântica. Computação Molecular Utilização de moléculas para a resolução de problemas. Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 21

22 A questão sobre se os computadores sabem ou não pensar é equivalente à questão sobre se os submarinos sabem ou não nadar. E. W. Dijkstra

23 Bibliografia Principal David Harel Computers Ltd. what they really can t do. Oxford University Press, A. K. Dewdney The New Turing Omnibus. A. K. Freeman, Sérgio Nunes Comunicações e Redes de Computadores 23

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