Concetto di algoritmo e strutture dati

1.1 Cosa è un algoritmo

Algoritmo – è una sequenza ordinata di passaggi o istruzioni ben definiti, destinati a svolgere un compito specifico o risolvere un problema preciso. Ogni passaggio dell'algoritmo deve essere chiaro e inequivocabile, e l'esecuzione dell'algoritmo deve portare a un risultato definito in un tempo finito.

Perché abbiamo bisogno di un algoritmo:

• Risoluzione dei problemi: Gli algoritmi permettono di affrontare sistematicamente la risoluzione di vari compiti, dalle operazioni matematiche semplici ai problemi computazionali complessi.
• Automazione dei processi: Gli algoritmi sono necessari per l'automazione dei compiti nel software, permettendo ai computer di eseguire azioni ripetitive senza intervento umano.
• Ottimizzazione delle risorse: Gli algoritmi ben progettati aiutano a utilizzare in modo efficace le risorse, come il tempo di esecuzione e la memoria operativa.
• Ripetibilità e affidabilità: Gli algoritmi assicurano la ripetibilità e la prevedibilità dei risultati, importante per lo sviluppo di software affidabili.

Esempi:

• Compiti quotidiani: Ad esempio, l'algoritmo della routine mattutina – svegliarsi, lavarsi i denti, preparare la colazione e così via.
• Operazioni matematiche: Algoritmo per trovare il massimo comun divisore (MCD) di due numeri.
• Programmi per computer: Algoritmi di ordinamento (per esempio, bubble sort) e di ricerca (per esempio, ricerca binaria).

1.2 Cosa è una struttura dati

Struttura dati – è un modo di organizzare e immagazzinare i dati in modo tale che possano essere usati e processati in modo efficace. Diverse strutture dati sono destinate a vari tipi di compiti e operazioni.

Perché abbiamo bisogno delle strutture dati:

• Gestione efficace dei dati: Le strutture dati permettono di organizzare i dati in modo che possano essere acceduti, modificati e eliminati rapidamente e efficacemente.
• Ottimizzazione degli algoritmi: Diverse strutture dati sono adatte a diversi algoritmi, e la scelta corretta può migliorare significativamente l'efficienza dell'algoritmo.
• Facilità di programmazione: L'uso delle strutture dati corrette rende il codice più comprensibile, mantenibile ed espandibile.
• Soluzione di compiti specifici: Alcune strutture dati sono progettate per risolvere compiti specifici, come le hash table per la ricerca veloce o gli alberi per dati gerarchici.

Esempi:

• Array: Una raccolta di elementi dello stesso tipo di cui è possibile accedere tramite indice.
• Liste collegate: Una collezione di elementi, ognuno dei quali contiene un link all'elemento successivo.
• Stack: Una collezione di elementi con il principio LIFO (Last In, First Out).
• Coda: Una collezione di elementi con il principio FIFO (First In, First Out).

1.3 Importanza degli algoritmi e delle strutture dati nella programmazione

Importante! Anche se stai scrivendo un semplice sito web o un'applicazione mobile semplice, stai utilizzando algoritmi complessi e strutture dati. L'applicazione funziona su un sistema operativo, il sito – all'interno di un browser, e per far funzionare queste cose in modo rapido e affidabile, si usano algoritmi e strutture dati standardizzati.

Importanza degli algoritmi:

• Principio fondamentale della programmazione: Gli algoritmi sono la base di qualsiasi programma, determinando come i dati saranno trattati per ottenere il risultato desiderato.
• Efficienza e prestazioni: Algoritmi ottimali assicurano un'esecuzione più rapida dei programmi e un uso efficiente delle risorse.
• Risoluzione di compiti complessi: Gli algoritmi permettono di risolvere compiti computazionali complessi, impossibili da risolvere manualmente.
• Universalità: Molti algoritmi possono essere applicati in diversi settori, come l'ordinamento, la ricerca, la compressione dei dati e la crittografia.

Importanza delle strutture dati:

• Organizzazione dei dati: Le strutture dati permettono di organizzare e gestire i dati in modo efficace, importante per la creazione di programmi efficienti.
• Supporto degli algoritmi: Diversi algoritmi sono ottimali per diverse strutture dati, e la scelta corretta può migliorare significativamente le prestazioni del programma.
• Scalabilità: Le strutture dati ben progettate permettono di espandere e modificare facilmente i programmi.

1.4 Esempi di algoritmi semplici

Algoritmo per trovare il massimo in un array:

Questo algoritmo trova il valore più grande in un dato array di numeri.

Algoritmo passo-passo:

1. Assumere il primo elemento dell'array come valore massimo.
2. Passare attraverso tutti gli altri elementi dell'array:
3. Se l'elemento corrente è maggiore del valore massimo corrente, aggiornare il valore massimo.
4. Dopo aver visualizzato tutti gli elementi, restituire il valore massimo trovato.

Implementazione in Python:

def find_max(arr):
    # Assumiamo che il primo elemento sia il massimo
    max_val = arr[0]
    # Passiamo attraverso tutti gli elementi dell'array
    for num in arr:
        # Se l'elemento corrente è maggiore di max_val, aggiornare max_val
        if num > max_val:
            max_val = num
    # Restituiamo il massimo trovato
    return max_val

# Esempio di utilizzo:
# numbers = [4, 2, 9, 7, 5, 1]
# result = find_max(numbers)
# Uscita: 9

Algoritmo di ordinamento a bolle:

Questo algoritmo ordina un array confrontando e scambiando progressivamente gli elementi adiacenti se sono nell'ordine sbagliato.

Algoritmo passo-passo:

1. Iniziare con il primo elemento dell'array.
2. Confrontare l'elemento corrente con il successivo.
3. Se l'elemento corrente è maggiore del successivo, scambiarli.
4. Passare all'elemento successivo e ripetere i passaggi 2-3, finché non si arriva alla fine dell'array.
5. Ripetere i passaggi 1-4 finché in un passaggio non viene eseguito nessuno scambio di elementi.

Implementazione in Python:

def bubble_sort(arr):
    n = len(arr)
    # Passiamo attraverso tutti gli elementi dell'array
    for i in range(n):
        # Gli ultimi i elementi sono già ordinati
        for j in range(0, n - i - 1):
            # Confrontiamo gli elementi adiacenti
            if arr[j] > arr[j + 1]:
                # Scambiamo gli elementi se sono nell'ordine sbagliato
                arr[j], arr[j + 1] = arr[j + 1], arr[j]
    return arr

# Esempio di utilizzo:
# numbers = [64, 34, 25, 12, 22, 11, 90]
# sorted_numbers = bubble_sort(numbers)
# Uscita: [11, 12, 22, 25, 34, 64, 90]