Μάθημα: Εισαγωγή στις Αρχές της Επιστήμης των Υπολογιστών Β’ Τάξη ΕΠΑ Μάθημα: Εισαγωγή στις Αρχές της Επιστήμης των Υπολογιστών Β’ Τάξη ΕΠΑ.Λ.

Εισαγωγή

Γιατί θα πρέπει να γνωρίσω αυτό το αντικείμενο; Σε τι θα με ωφελήσει; Γιατί θα πρέπει να γνωρίσω αυτό το αντικείμενο; Σε τι θα με ωφελήσει;

Γιατί ΚΑΘΕΝΑΣ ΘΑ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΞΕΡΕΙ ΝΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΕΙ ΕΝΑΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ … ΣΕ ΜΑΘΑΙΝΕΙ ΠΩΣ ΝΑ ΣΚΕΦΤΕΣΑΙ Steve Jobs , Apple Computers 1955-2011

Γιατί η Επιστήμη των Υπολογιστών δίνει τον 21ο αιώνα ζωτικής σημασίας δεξιότητες. Γιατί η Επιστήμη Υπολογιστών σημαίνει σταδιοδρομία με ανταμοιβή Γιατί η Επιστήμη των υπολογιστών είναι κάτι πολύ περισσότερο από την απλή χρήση της τεχνολογίας

H Επιστήμη των Υπολογιστών δίνει τον 21ο αιώνα ζωτικής σημασίας δεξιότητες. Αυτές οι δεξιότητες υποστηρίζουν την τοπική κοινότητα, την καινοτομία σε εθνικό επίπεδο τις επαγγελματικές ευκαιρίες

Η Επιστήμη των Υπολογιστών – όχι απλά οι γνώσεις πληροφορικής - κρύβεται σήμερα πίσω από τις περισσότερες καινοτομίες , από τη βιοτεχνολογία, τη κινηματογραφία μέχρι την εθνική ασφάλεια. Μέχρι τώρα στο σχολείο σας ζητούσαμε να χρησιμοποιείται τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Τώρα ήλθε η στιγμή της προετοιμασίας σας για να καινοτομήσετε και να δημιουργήσετε με τις νέες τεχνολογίες που οδηγούν στην ανάπτυξη των τοπικών και εθνικών οικονομιών. Αυτή η ικανότητα για καινοτομία με την τεχνολογία είναι επίσης σημαντική για τη μελλοντική επιτυχία σας και την δυνατότητά σας να κάνετε τη διαφορά σε μια παγκόσμια κοινωνία

Επιστήμη Υπολογιστών σημαίνει σταδιοδρομία με ανταμοιβή Οι θέσεις εργασίας είναι άφθονες , ενδιαφέρουσες , και ευέλικτες. Παγκόσμια προβλέπεται ότι οι θέσεις εργασίας που σχετίζονται με την επιστήμη των υπολογιστών θα είναι μεταξύ των ταχύτερα αναπτυσσόμενων και με την υψηλότερη αμοιβή κατά την επόμενη δεκαετία. Οι προοπτικές της απασχόλησης παραμένουν ισχυρές παρά τις οικονομικά δύσκολες εποχές. Οι επιστήμονες των υπολογιστών μπορούν επίσης να απολαύσουν ένα ευρύ φάσμα επιλογών και να σταδιοδρομήσουν σε όλους τους τομείς της βιομηχανίας που σήμερα περιλαμβάνουν π.χ. τις τέχνες, τον κινηματογράφο, τη χρηματοδότηση, την υγειονομική περίθαλψη, τη δημοσιογραφία, την κατασκευή, τη μουσική, την ασφάλεια, τον αθλητισμό. Πέντε από τα πιο αναπτυσσόμενα επαγγέλματα είναι αυτά των υπολογιστών Μέχρι το 2016 θα υπάρχουν 1.5 εκατομμύρια διαθέσιμες θέσεις εργασίας σχετικές με τους υπολογιστές. Οι Θέσεις εργασίας πληροφορικής έχουν τους καλύτερους εισαγωγικούς μισθούς σε σχέση με πτυχιούχους άλλων ειδικοτήτων.

Η Επιστήμη των υπολογιστών είναι κάτι πολύ περισσότερο από την απλή χρήση της τεχνολογίας Η επιστήμη των υπολογιστών διδάσκει τη σχεδίαση, τη λογική σκέψη και την επίλυση των προβλημάτων - όλα πολύτιμα και πέρα και έξω από το μάθημα της επιστήμης των υπολογιστών της Β’ Τάξης. Η ικανότητα που αποκτάτε με το να δημιουργείτε και να προσαρμόζετε νέες τεχνολογίες, διακρίνει την επιστήμη των υπολογιστών από την απλή χρήση των υπολογιστών, η οποία επικεντρώνεται περισσότερο στην χρήση των υφιστάμενων τεχνολογιών (π.χ., επεξεργασία κειμένου, λογιστικά φύλλα παιχνίδια και άλλες εφαρμογές). 

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Θεωρητική Επιστήμη των Υπολογιστών Η Θεωρητική Eπιστήμη υπολογιστών είναι ένα τμήμα ή υποσύνολο της γενικής επιστήμης των υπολογιστών και των μαθηματικών που επικεντρώνεται στις πιο αφηρημένες ή μαθηματικές πτυχές της πληροφορικής και περιλαμβάνει τη θεωρία του υπολογισμού.

η Θεωρία Υπολογισιμότητας και η Θεωρία Πολυπλοκότητας. Θεωρητική Επιστήμη των Η/Υ Ανάλυση Αλγορίθμων, η Θεωρία Υπολογισιμότητας και η Θεωρία Πολυπλοκότητας. Υπάρχει μία διαρκής αλληλεπίδραση μεταξύ της Θεωρητικής και της Εφαρμοσμένης Επιστήμης των Υπολογιστών. Για παράδειγμα, η Θεωρία Γλωσσών Προγραμματισμού, η οποία μελετά προσεγγίσεις για την περιγραφή των υπολογισμών, οδηγεί στην ανάπτυξη γλωσσών προγραμματισμού και το σχεδιασμό λογισμικού και εφαρμογών.

Εφαρμοσμένη Eπιστήμη των υπολογιστών Η Εφαρμοσμένη Επιστήμη των υπολογιστών στοχεύει στον προσδιορισμό ορισμένων εννοιών της επιστήμης των υπολογιστών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για την επίλυση προβλημάτων του πραγματικού κόσμου.

Βασικά επιστημονικά πεδία της Εφαρμοσμένης Επιστήμης των Η/Υ Ο σχεδιασμός υλικού για την κατασκευή των υπολογιστών, όπως o σκληρός δίσκος, η κεντρική μονάδα επεξεργασίας κτλ. Ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η συντήρηση λογισμικού, όπως των λειτουργικών συστημάτων τα οποία συνεργάζονται με το υλικό, καθώς και των ποικίλων προγραμμάτων που αναπτύσσονται με τη βοήθεια των γλωσσών προγραμματισμού. Ο σχεδιασμός πληροφοριακών συστημάτων για τη συλλογή, ανάκτηση, επεξεργασία και αποθήκευση πληροφοριών. Η τεχνητή νοημοσύνη, η οποία ερευνά τρόπους ανάπτυξης υπολογιστικών μοντέλων ανθρώπινης γνώσης. Ο σχεδιασμός δικτύων υπολογιστών για την παραγωγή, τη λήψη και την προώθηση πληροφοριών. Ο σχεδιασμός βάσεων δεδομένων και συστημάτων διαχείρισης βάσεων δεδομένων για την υποστήριξη πληροφοριακών συστημάτων. Η ασφάλεια των υπολογιστών, δηλαδή το σύνολο των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την προστασία πληροφοριών ή υπηρεσιών από φθορά, αλλοίωση ή μη εξουσιοδοτημένη χρήση.

Θέματα Θεωρητικής Επιστήμης των Υπολογιστών ΚΕΦΑΛΑΙΑ 2.1. Πρόβλημα 2.2. Αλγόριθμοι 2.3. Προγραμματισμός

2.1 Η έννοια του προβλήματος Ο Όμηρος στην Οδύσσεια περιγράφει τα προβλήματα που αντιμετώπιζε ο Οδυσσέας για να φτάσει στην Ιθάκη. Το πρόβλημα μέτρησης του χρόνου, το οποίο αντιμετωπίστηκε με τη χρήση της κλεψύδρας και του εκκρεμούς. Τα προβλήματα επιδημιών στην ανθρωπότητα και η αντιμετώπισή τους με εμβόλια. Το πρόβλημα του «ιού του 2000» και η αντιμετώπισή του, ώστε τα υπολογιστικά συστήματα να λειτουργήσουν σωστά την 1/1/2000

Με τον όρο Πρόβλημα προσδιορίζεται μια κατάσταση η οποία χρήζει αντιμετώπισης, απαιτεί λύση, η δε λύση της δεν είναι γνωστή, ούτε προφανής.

Κατηγορίες Προβλημάτων Με κριτήριο τη δυνατότητα επίλυσης ενός προβλήματος διακρίνουμε τρεις κατηγορίες προβλημάτων: Επιλύσιμα, είναι εκείνα τα προβλήματα για τα οποία η λύση τους είναι ήδη γνωστή και έχει διατυπωθεί π.χ ο καθαρισμός ενός χωραφιού από κάθε είδους βλάστηση, η πρωτοβάθµια εξίσωση κ.α. Ανοικτά, ονομάζονται εκείνα τα προβλήματα για τα οποία η λύση τους δεν έχει μεν ακόμα βρεθεί, αλλά παράλληλα δεν έχει αποδειχθεί, ότι δεν επιδέχονται λύση. Π.χ η ύπαρξη εξωγήινων Άλυτα  χαρακτηρίζονται εκείνα τα προβλήματα για τα οποία έχουμε φτάσει στη παραδοχή, ότι δεν επιδέχονται λύση. Π.χ Το πρόβλημα του τετραγωνισμού του κύκλου με κανόνα και διαβήτη που είχε διατυπωθεί από τους αρχαίους ελληνιστικούς χρόνους

Υπολογιστικά Προβλήματα Οποιοδήποτε πρόβλημα μπορεί να λυθεί και μέσω του υπολογιστή, χαρακτηρίζεται υπολογιστικό πρόβλημα.

Παραδείγματα Υπολογιστικών Προβλημάτων : Η επίλυση της δευτεροβάθμιας εξίσωσης. Η ταξινόμηση των μαθητών σε αλφαβητική σειρά. Η αναζήτηση και ο υπολογισμός της χιλιομετρικά συντομότερης διαδρομής που θα κάνει ένας ταχυδρόμος για να επισκεφθεί δέκα χωριά και να επιστρέψει στο χωριό από όπου ξεκίνησε περνώντας μόνο μία φορά από κάθε χωριό, με βάση έναν δεδομένο χάρτη των χωριών και των δρόμων που συνδέουν τα χωριά. Η εύρεση λέξης που να ξεκινά από ένα γράμμα και να τελειώνει σε ένα άλλο γράμμα.

Στάδια επίλυσης (υπολογιστικού) προβλήματος

Ανάλυση-Αφαίρεση Στόχος της ανάλυσης, είναι η διάσπαση του προβλήματος σε άλλα απλούστερα προβλήματα για να είναι εύκολη η αντιμετώπισή τους. Η ανάλυση ενός προβλήματος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε φραστικά είτε διαγραμματικά

Παράδειγμα Ανάλυση-Αφαίρεση

Ανάλυση-Αφαίρεση

Ανάλυση-Αφαίρεση Για τη σωστή επίλυση ενός προβλήματος είναι σημαντικός ο επακριβής προσδιορισμός των δεδομένων που παρέχει το πρόβλημα και η λεπτομερειακή καταγραφή των ζητούμενων που αναμένονται σαν αποτελέσματα της επίλυσης του προβλήματος. Για να βρει κάποιος τα ζητούμενα χρειάζεται να επεξεργαστεί τα δεδομένα. Επεξεργασία δεδομένων είναι η συστηματική εκτέλεση πράξεων σε δεδομένα.

Π.χ. Μια πρωτοβάθμια εξίσωση είτε έχει μοναδική λύση, είτε είναι αδύνατη, είτε είναι αόριστη.

Γενίκευση Με τη γενίκευση, μπορούν να μεταφερθούν τα αποτελέσματα σε άλλες παρεμφερείς καταστάσεις ή προβλήματα

2.2 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ

Ορισμός Αλγορίθμου Αλγόριθμος είναι μία σειρά ενεργειών με αρχή και τέλος, αυστηρά καθορισμένων και εκτελέσιμων σε συγκεκριμένο χρόνο, που στοχεύουν στην επίλυση ενός προβλήματος.

Χαρακτηριστικά αλγορίθμου Είσοδος(Input): Καμία, μία ή περισσότερες τιμές δεδομένων πρέπει να δίνονται ως είσοδοι στον αλγόριθμο. Η περίπτωση που δε δίνονται τιμές δεδομένων εμφανίζεται όταν ο αλγόριθμος δημιουργεί και επεξεργάζεται κάποιες πρωτογενείς τιμές με τη βοήθεια συναρτήσεων παραγωγής τυχαίων αριθμών ή με τη βοήθεια άλλων απλών εντολών. Έξοδος(Output):Ο αλγόριθμος πρέπει να δημιουργεί τουλάχιστον μία τιμή (δεδομένων) ως αποτέλεσμα προς το χρήστη ή προς ένα άλλο αλγόριθμο. Καθοριστικότητα (definiteness): Κάθε εντολή πρέπει να καθορίζεται χωρίς καμία αμφιβολία για τον τρόπο εκτέλεσής της. Π.χ. Σε μία διαίρεση να λαμβάνεται υπόψη και η περίπτωση όπου ο διαιρετέος λαμβάνει μηδενική τιμή. Τυπικές περιπτώσεις η διαίρεση με το μηδέν, υπόριζος ποσότητα αρνητική, κλπ. Προβλήματα καθοριστικότητας αντιμετωπίζονται συχνά με τη λογική της επιλογής, δηλ. Αν α>0 τότε ..... αλλιώς ...... Περατότητα (Finiteness): Ο αλγόριθμος πρέπει να τελειώνει μετά από πεπερασμένα βήματα εκτέλεσης των εντολών του. Μία διαδικασία που δεν τελειώνει μετά από συγκεκριμένο/πεπερασμένο αριθμό βημάτων λέγεται απλά υπολογιστική διαδικασία. Αποτελεσματικότητα (effectiveness): Κάθε μεμονωμένη εντολή του αλγορίθμου να είναι απλή (και όχι σύνθετη). Δηλαδή μία εντολή δεν αρκεί να έχει ορισθεί αλλά πρέπει να είναι και εκτελέσιμη.

Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Ελεύθερο κείμενο (free text):  Αποτελεί τον πιο ανεπεξέργαστο και αδόμητο τρόπο παρουσίασης αλγορίθμου. Οι εντολές εκφράζονται με απλή καθημερινή γλώσσα και ελεύθερη ροή κειμένου. Η χρήση του εγκυμονεί τον κίνδυνο να προκύψει μη εκτελέσιμος αλγόριθμος δηλαδή οδηγεί σε παραβίαση του κριτηρίου της αποτελεσματικότητας. Παράδειγμα: Εύρεση μεγίστου αριθμού από ένα σύνολο αριθμών που δίνονται. Πάρε τον πρώτο αριθμό και θεώρησέ τον ως Μέγιστο. Στη συνέχεια σύγκρινε κάθε ένα από τους υπόλοιπους αριθμούς με τον μέγιστο. Κάθε φορά που θα βρίσκεις κάποιο μεγαλύτερο από τον μέγιστο, κάνε αυτόν μέγιστο. Τη διαδικασία αυτή να την επαναλαμβάνεις μέχρι να τελειώσουν οι αριθμοί.

Φυσική γλώσσα κατά βήματα (natural language): Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Φυσική γλώσσα κατά βήματα (natural language):  Ο αλγόριθμος εκφράζεται με τη χρήση απλής γλώσσας, στην οποία   οι προτάσεις έχουν διαχωριστεί σε παραγράφους- βήματα και έχουν αριθμηθεί. Εγκυμονεί παραβίαση του κριτηρίου της καθοριστικότητας. Παράδειγμα:  *Εύρεση μεγίστου αριθμού από ένα σύνολο αριθμών που δίνονται. *Βάλε στον Μέγιστο τον πρώτο αριθμό. *Εξέτασε τον επόμενο αριθμό α. BHMA 2 *Αν ο α είναι μεγαλύτερος από τον μέγιστο, τότε βάλε την τιμή του α στον μέγιστο. *Αν υπάρχουν και άλλοι αριθμοί πήγαινε στο βήμα 2 αλλιώς πήγαινε στο επόμενο βήμα. *Εμφάνισε τον μέγιστο.

Διαγραμματικές Τεχνικές (diagramming techniques): Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Διαγραμματικές Τεχνικές (diagramming techniques):  Γραφικός τρόπος παρουσίασης ενός αλγορίθμου. Η πιο γνωστή τεχνική είναι το διάγραμμα ροής, στην οποία χρησιμοποιούνται ειδικά γεωμετρικά σχήματα, που το καθένα δηλώνει μία συγκεκριμένη απλή ενέργεια ή λειτουργία του αλγορίθμου. Τα σχήματα ενώνονται μεταξύ τους με βέλη που δηλώνουν τη σειρά εκτέλεσης των ενεργειών.

Παράδειγμα Διαγραμματικής Τεχνικής Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Παράδειγμα Διαγραμματικής Τεχνικής Εύρεση μεγίστου αριθμού από ένα σύνολο αριθμών που δίνονται.

Διάγραμμα Ροής (flow chart) Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Διάγραμμα Ροής (flow chart) Ένα διάγραμμα ροής αποτελείται από ένα σύνολο γεωμετρικών σχημάτων, όπου το καθένα δηλώνει μία συγκεκριμένη ενέργεια ή λειτουργία. Τα γεωμετρικά σχήματα ενώνονται μεταξύ τους με βέλη που δηλώνουν τη σειρά εκτέλεσης των ενεργειών αυτών. Τα κυριότερα χρησιμοποιούμενα γεωμετρικά σχήματα είναι τα παρακάτω:  

Κωδικοποίηση (coding): Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου Κωδικοποίηση (coding): Ένα πρόγραμμα γραμμένο είτε σε μία ψευδογλώσσα είτε σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού που όταν εκτελεστεί θα δώσει τα ίδια αποτελέσματα με τον αλγόριθμο. Παράδειγμα: Εύρεση μεγίστου αριθμού από ένα σύνολο αριθμών που δίνονται. 

Τρόποι παρουσίασης αλγορίθμου