Algoritmi: Lo spirito dell’informatica

616 Pages·2008·3.456 MB·Italian

by  David Harel, Yishai Feldman

Alla mia cara madre, Joyce Fisch
e alla memoria del mio caro padre, Harold Fisch
genitori amati e insegnanti dotati
(D.H.)
Alla memoria dei miei cari genitori,
Hadassa e Moshe Feldman,
per il loro amore incondizionato e supporto
(Y.F.)
Spiegami: da dove proviene
la tua forza cos grande {...}
Giudici 16:6
Vedi, io ho scoperto questo ...
confrontando una ad una le cose,
per trovarne la somma.
Qoelet 7:27
Collana di informatica
Acura di:
Carlo Ghezzi
Paolo Ancilotti
Carlo Batini
Stefano Ceri
Antonio Corradi
Alberto del Bimbo
Evelina Lamma
Paola Mello
Ugo Montanari
Paolo Prinetto
David Harel
Yishai Feldman
Algoritmi
Lo spirito dell’informatica
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David Harel Yishai Feldman
Department ofApplied Mathematics The Interdisciplinary Center
Weizmann Institute ofScience P.O.Box 167
76100 Rehovot,Israel 46150,Herzliya,Israel
[email protected] [email protected]
Traduzione italiana a cura di:Sam Guinea
© Addison Wesley Publisher Limited 1987,1992;
Pearson Education Limited 2004
La traduzione di Algorithmics-The spirit ofcomputing,3aedizione è stata pubblicata grazie ad un accordo con
Pearson Education Limited.
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© Springer-Verlag Italia,Milano 2008
ISBN 978-88-470-0579-2
ISBN 978-88-470-0580-8(eBook)
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Progetto grafico della copertina:Simona Colombo,Milano
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Stampato in Italia
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Prefazione (scritta per la prima edizione)
Leggilo!
Isaia 29:12
Questo libro racconta una storia. La storia riguarda i concetti, le idee, i me-
todi e i risultati fondamentali dell’informatica. Non parla di computer, n´e di
programmazione, anche se `e influenzato pesantemente da entrambi.
Lo scopo del libro `e di riempire un buco nella letteratura, quello che ha a
chefareconlarivoluzionedeicomputer.Cisonomoltilibrieccellentisuicom-
puter, che coprono in dettaglio le loro strutture, le loro funzionalit`a e come
operano. Ci sono anche molti libri su come scrivere programmi in moltissimi
linguaggi. Questi libri esistono a vari livelli, alcuni indirizzati a persone che
non hanno mai avuto a che vedere con i computer, altri indirizzati a profes-
sionisti . In aggiunta, ci sono molti libri che coprono argomenti “periferici” a
questa tecnologia, come gli aspetti sociali e legali della rivoluzione; cos`ı come
cisonolibrichedescrivonolarilevanzadeicomputerintuttaunaseriediaree
applicative. Tutto ci`o non `e una sorpresa. La gente `e incuriosita dai compu-
ter, e vogliono sapere come usarli. Tipicamente sono anche interessati a tipi
particolari di computer, e ai loro usi specifici.
E poi ci sono i libri di testo. L’informatica, infatti, sta crescendo molto
velocemente come disciplina accademica, e il numero di studenti che vogliono
affrontare questo corso di studi all’universit`a `e in crescita. Discipline accade-
miche consolidate hanno libri di testo eccellenti, e lo stesso `e vero anche per
l’informatica.Negliannisonostatiscrittimoltilibriditestobelliedesaustivi,
contenenti resoconti tecnici molto dettagliati degli argomenti che gli studenti
di informatica dovranno affrontare. Nonostante la velocit`a stupefacente con
cui alcune innovazioni tecnologiche diventano obsolete e sono rimpiazzate da
nuove, le basi dell’informatica, e quindi molti dei concetti che devono essere
visti in un curriculum di studio, cambiano molto lentamente, e a volte non
cambiano mai. L’avvento di nuove tecnologie e linguaggi ovviamente richiede
continue revisioni, che devono riflettersi nella letteratura scientifica. Ci`o no-
nostante, esiste un intendimento generale sugli argomenti fondamentali che
gli studenti di informatica devono apprendere.
Sembrerebbe evidente che chiunque avesse qualcosa a che vedere con i
computer dovrebbe conoscere questi argomenti, e non solo quelli che hanno
X
deciso di spendere tre o quattro anni della loro vita nell’ottenimento di un
determinatodiploma.Pero`,vistoilcompiersidiunaveraepropriarivoluzione,
molti di questi argomenti, e i ragionamenti che li accompagnano, dovrebbero
essere messi a disposizione di chiunque ne avesse curiosit`a, anche se questa
persona non avesse nulla a che fare con i computer.
I libri che si occupano innanzitutto di computer o programmazione sono
nati per motivi diversi. I computer sono fatti di bit e byte, mentre la pro-
grammazione viene effettuata mediante linguaggi che obbediscono a regole di
grammaticaepunteggiaturamoltorigide.Diconseguenza,ilibrisuicomputer
spesso soffrono della “sindrome bit/byte”, mentre i libri sulla programmazio-
ne della “sindrome del punto e virgola”. In altre parole, il lettore finisce per
spendere moltissimo del suo tempo a imparare i principi di un particolare
computer e le regole sintattiche di un particolare linguaggio di programma-
zione (o entrambe le cose). Sembrerebbe impossibile spiegare le cose senza
prima descrivere in dettaglio o la macchina o un mezzo di comunicazione (o
entrambe le cose).
Moltilibriditestoavanzatipero`trattanolebasi,maperlorostessanatura
si concentrano su argomenti specifici, e lo fanno a un livello tecnico inadatto
al lettore inesperto. Anche i programmatori professionisti e gli analisti di
sistemapotrebberononaverelebasi(olemotivazioni)perleggerelibriscritti
per studenti di informatica a tempo pieno.
Curiosamente, sembra esistere pochissimo materiale dedicato alla scienza
della computazione che tenga presente sia il lettore generale che il professio-
nista. E` ancora pi’‘u curioso se si pensa all’abbondanza di questa tipologia di
letteratura in altre aree scientifiche come la fisica, la biologia, la chimica e la
matematica, per non parlare delle arti e delle materie umanistiche. Sembra
esistere un acuto bisogno di avere un resoconto tecnicamente dettagliato, ma
allostessotempoespositivo,dellebasidell’informatica;unochesoffrailmeno
possibile delle sindromi bit/byte, del punto e virgola e dei loro derivati, uno
che trascenda le difficolt`a rappresentate dalle difficolta` tecnologiche e lingui-
stiche,eunochesiautilesiaaiprofessionisticheainon-professionisti.Sembra
chesiamostatituttioccupatidallarivoluzioneperaccorgercidiquestagrande
necessit`a.
Questolibrorappresentauntentativoinquestadirezione.Ilsuoobiettivo`e
di presentare un resoconto leggibile degli argomenti piu` importanti dell’infor-
matica,stressandolanaturafondamentaleerobustadiquestascienza,inuna
forma virtualmente indipendente da qualsiasi computer specifico, linguaggio
o formalismo.
Questo libro nasce da una serie di lezioni tenute dal primo autore su “Galei
Zahal”, un’emittente radiofonica nazionale israeliana, tra l’ottobre del 1984 e
il Gennaio del 1985. Parla dell’algoritmica, ovvero dello studio degli algorit-
mi.Un algoritmo `e una ricetta astratta, descrive un processo che pu`o essere
eseguito da un umano, un computer, o da un altro esecutore. Rappresenta
dunque un concetto molto generale, e ha molteplici applicazioni. L’interes-
XI
se e uso principale, pero`, nascono quando l’algoritmo viene eseguito da un
computer.
Questolibropotrebbeessereutilizzatocomebasediuncorsointroduttivo
all’informatica, di un semestre, in una scuola di ingegneria. Altrimenti, po-
trebbe essere utilizzato come lettura supplementare in molti tipi di attivita`
educative legate ai computer, dai corsi di base di programmazione a corsi piu`
avanzati di informatica. Il materiale qui coperto, anche se non vuole crea-
re programmatori o analisti migliori, puo` aiutare la gente che lavora tutti i
giorni con i computer, visto che fornisce un quadro d’insieme di alcuni degli
argomenti fondamentali del loro lavoro.
I capitoli iniziali discutono il concetto di problema algoritmico e di
algoritmo in grado di risolverlo, prima di passare a una discussione della
strutturadiunalgoritmo,deidatichepossonomanipolare,edeilinguaggi
in cui sono programmati. Completata questa fase, la seconda parte del libro
volge lo sguardo ad alcuni metodi generali e paradigmi per la progettazione
algoritmica.Cio``eseguitodaduecapitolisull’analisidiprogrammi,einparti-
colare la loro correttezza ed efficienza (principalmente temporale), incluse
tecniche per stabilire il primo e stimare il secondo. La terza parte del libro `e
dedicataailimiti inerenti aglialgoritmieseguibili,equindiaicomputerche
li eseguono. Viene dimostrato che alcuni problemi ben definiti, inclusi alcuni
molto importanti e pratici, non sono risolvibili da computer in quantita` ra-
gionevoli di tempo (diciamo la durata di una vita umana), e non lo saranno
mai. Peggio ancora, viene dimostrato che alcuni problemi sono dimostrati es-
sere non risolvibili del tutto, anche se si dispone di un tempo illimitato! Nella
quarta parte del libro 1 i requisti vengono rilassati usando, per esempio, atti-
vita` concorrenti o illancio di monete per superare alcune delle difficolta`.
Questi capitoli discutono anche i sistemi reattivi e distribuiti, cos`ı come la
crittografia.Infine,vienediscussalarelazionetraicomputerel’intelligenza
umana,enfatizzandol’euristica“soft”,ointuitiva,dellaseconda,eiproblemi
che sorgono nel relazionarlo all’euristica “hard” dell’algoritmica.
Il libro `e stato scritto perch`e venisse letto o studiato in maniera sequen-
ziale. E` stato organizzato in modo che ogni capitolo dipendesse da quelli pre-
cedenti, ma tenendo a mente che dovesse essere di facile lettura. La maggior
parte del materiale nella prima parte dovrebbe risultare noto a chi possiede
gia` basi di programmazione. Dunque, coloro possono semplicemente sfogliare
i Capitoli 1, 2 e alcune parti del Capitolo 3.
Alcunesezionicontengonomaterialerelativamentetecnicaepossonoessere
saltate da coloro che non vogliono perdere troppa continuita`. Sono indentati,
e viene utilizzato un carattere leggermente piu` piccolo. Si raccomanda, co-
munque, “sfogliare” anche queste parti, in modo da garantire almeno un’idea
superficiale dei loro contenuti.
1 Sivedalasezionechesegue“Novit`adellaterzaedizione”,vistocheorac’`eanche
una quinta parte e la divisione`e leggermente cambiata.
XII
Quando appropriato, vengono aggiunta alcune brevi discussioni sugli ar-
gomenti di ricerca di interesse attuale per i ricercatori. Il testo `e seguito da
una dettagliata sezione di note bibliografiche per ogni capitolo, con puntatori
“all’indietro” in grado di legare le discussioni portare avanti nel libro con cio`
che `e rilevante in letteratura.
Si spera che questo libro possa facilitare la comunicazione tra i vari grup-
pi di persone coinvolte nella rivoluzione dei computer, e tra questo gruppo e
quelle persone che, per ora, sono solo spettatori.
David Harel
Pittsburgh, Pennsylvania Febbraio 1987
Novit`a della seconda edizione
“Guarda, questa `e una novita`?
Proprio questa `e gi`a stata nei secoli che ci hanno pre-
ceduto {...}”
Qoelet 1:10
La prima edizione di questo libro doveva essere letta da inizio a fine, e
poteva essere utilizzata come lettura supplementare in molti corsi. Insegna-
re un corso basato esclusivamente su di essa non era possibile, ma avrebbe
richiesto che il docente preparasse esercizi ed esempi, e che fornisse ulteriori
dettagli in determinati punti. L’edizione attuale contiene diversi esercizi, e le
soluzioni per almeno un terzo di loro. Gli esercizi risolti possono essere uti-
lizzati come supplemento al testo. Tre capitoli non hanno esercizi. Il Capitolo
1 `e un’introduzione, il cuore del Capitolo 3 `e semplicemente un sommario di
diversi linguaggi di programmazione, mentre il Capitolo 12 `e un resoconto
non tecnico di alcuni argomenti legati all’intelligenza artificiale 2. In un cer-
to senso, questi tre capitoli non sono parti fondamentali per l’argomento del
libro –l’algoritmica– e nell’insegnamento di un corso basato su questo libro
potrebbero essere assegnati come lettura da fare a casa.
Iltestostessononhasubitoquasicambiamenti,eccettounanuovasezione
nel Capitolo 11 che descrive le dimostrazioni interattive e a conoscenza zero.
Il lettore potrebbe chiedersi perch`e il testo non sia stato esteso ulteriormen-
te. I ricercatori informatici si sono presi forse una vacanza nei cinque anni
che sono passati dalla prima edizione? Invece di prenderla come una critica
al campo, esso dimostra che gli argomenti inclusi nel libro sono in realt`a di
natura fondamentale, e quindi nessun cambiamento significativo `e stato reso
necessario. Gli argomenti qui discussi sono di natura duratura. E forse il ter-
mine “classici” `e piu` appropriato.
David Harel
Rehovot, Israele Maggio 1991
2 Si veda la sezione “Novit`a della terza edizione”, visto che alcuni dei numeri di
questi capitoli sono cambiati.