Ciência da computação

 Nota: Se procura a ramificação da Ciência da Computação, veja Teoria da computação. Se procura o termo geral, veja Computação.

Ciência da computação é a ciência que estuda as técnicas, metodologias, instrumentos computacionais e aplicações tecnológicas, que informatizem os processos e desenvolvam soluções de processamento de dados de entrada e saída pautados no computador. Não se restringindo apenas ao estudo dos algoritmos, suas aplicações e implementação na forma de software. Assim, a Ciência da Computação também abrange as técnicas de modelagem de dados e gerenciamento de banco de dados, envolvendo também a telecomunicação e os protocolos de comunicação, além de princípios que abrangem outras especializações da área.^[1]

A Ciência da Computação lida com fundamentos teóricos da informação, computação, e técnicas práticas para suas implementações e aplicações.

Enquanto ciência, classifica-se como ciência exata, apesar de herdar elementos da lógica filosófica aristotélica, tendo por isso um papel importante na formalização matemática de algoritmos, como forma de representar problemas decidíveis, i.e., os que são susceptíveis de redução a operações elementares básicas, capazes de serem reproduzidas através de um dispositivo qualquer capaz de armazenar e manipular dados. Um destes dispositivos é o computador digital, de uso generalizado, nos dias de hoje. Também de fundamental importância para a área de Ciência da Computação são as metodologias e técnicas ligadas à implementação de software que abordam a especificação, modelagem, codificação, teste e avaliação de sistemas de software.

Os estudos oriundos da Ciência da Computação podem ser aplicados em qualquer área do conhecimento humano em que seja possível definir métodos de resolução de problemas baseados em repetições previamente observadas. Avanços recentes na Ciência da Computação têm impactado fortemente a sociedade contemporânea, em particular as aplicações relacionadas às áreas de redes de computadores, Internet, Web, ciência de dados e computação móvel, que têm sido utilizadas por bilhões de pessoas ao redor do globo.^[2]

História da Computação

Ver artigo principal: História da computação

O ábaco, primeira ferramenta de computação, em sua forma moderna.

A primeira ferramenta conhecida para a computação foi o ábaco,^[3] cuja invenção é atribuída a habitantes da Mesopotâmia, em torno de 2700–2300 a.C.. Seu uso original era desenhar linhas na areia com rochas. Versões mais modernas do ábaco ainda são usadas como instrumento de cálculo.

No século VII a.C., na antiga Índia, o gramático Pānini formulou a gramática de Sânscrito usando 3959 regras conhecidas como Ashtadhyāyi, de forma bastante sistemática e técnica. Pānini usou transformações e recursividade com tamanha sofisticação que sua gramática possuía o poder computacional teórico tal qual a Máquina de Turing.

Entre 200 a.C. e 400, os indianos também inventaram o logaritmo, e a partir do século XIII tabelas logarítmicas eram produzidas por matemáticos islâmicos. Quando John Napier descobriu os logaritmos para uso computacional no século XVI,^[3] seguiu-se um período de considerável progresso na construção de ferramentas de cálculo.

Algoritmos

No século VII, o matemático indiano Brahmagupta explicou pela primeira vez o sistema de numeração hindu-arábico e o uso do 0. Aproximadamente em 825, o matemático persa al-Khwarizmi escreveu o livro Calculando com numerais hindus, responsável pela difusão do sistema de numeração hindu-arábico no Oriente Médio, e posteriormente na Europa. Por volta do século XII houve uma tradução do mesmo livro para o latim: Algoritmi de numero Indorum. Tais livros apresentaram novos conceitos para definir sequências de passos para completar tarefas, como aplicações de aritmética e álgebra. Por derivação do nome do matemático, atualmente usa-se o termo algoritmo.

Lógica binária

Por volta do século III a.C., o matemático indiano Pingala inventou o sistema de numeração binário. Ainda usado atualmente no processamento de todos os computadores modernos, o sistema estabelece que sequências específicas de uns e zeros podem representar qualquer informação.

Em 1703 Gottfried Leibniz desenvolveu a lógica em um sentido formal e matemático, utilizando o sistema binário. Em seu sistema, uns e zeros também representam conceitos como verdadeiro e falso, ligado e desligado, válido e inválido. Mais de um século depois, George Boole publicou a álgebra booleana (em 1854), com um sistema completo que permitia a construção de modelos matemáticos para o processamento computacional. Em 1801, apareceu o tear controlado por cartão perfurado, invenção de Joseph Marie Jacquard, no qual buracos indicavam os uns e áreas não furadas indicavam os zeros. O sistema está longe de ser um computador, mas ilustrou que as máquinas poderiam ser controladas pelo sistema binário.

Engenho analítico

Ada Lovelace, primeira programadora.

Foi com Charles Babbage que o computador moderno começou a ganhar forma, através de seu trabalho no engenho analítico. O equipamento descrito originalmente em 1837, mais de um século antes de seu sucessor, nunca foi construído com sucesso, mas possuía todas as funções de um computador moderno. O dispositivo de Babbage se diferenciava por ser programável, algo imprescindível para qualquer computador moderno.

Durante sua colaboração, a matemática Ada Lovelace publicou os primeiros programas de computador em uma série de notas para o engenho analítico.^[4] Por isso, Lovelace é popularmente considerada como a primeira programadora.

Nascimento da Ciência da Computação

Antes da década de 1920, computador era um termo associado a pessoas que realizavam cálculos, geralmente liderados por físicos. Milhares de computadores eram empregados em projetos no comércio, governo e sítios de pesquisa. Após a década de 1920, a expressão máquina computacional começou a ser usada para referir-se a qualquer máquina que realize o trabalho de um profissional, especialmente aquelas de acordo com os métodos da Tese de Church-Turing.

O termo máquina computacional acabou perdendo espaço para o termo reduzido computador no final da década de 1940, com as máquinas digitais cada vez mais difundidas. Alan Turing, conhecido como pai da Ciência da Computação, inventou a Máquina de Turing, que posteriormente evoluiu para o computador moderno.

Trabalho teórico

Os fundamentos matemáticos da Ciência da Computação moderna começaram a ser definidos por Kurt Gödel com seu teorema da incompletude (1931). Essa teoria mostra que existem limites no que pode ser provado ou desaprovado em um sistema formal; isso levou a trabalhos posteriores por Gödel e outros teóricos para definir e descrever tais sistemas formais, incluindo conceitos como recursividade e cálculo lambda.

Em 1936 Alan Turing e Alonzo Church independentemente, e também juntos, introduziram a formalização de um algoritmo, definindo os limites do que pode ser computador e um modelo puramente mecânico para a computação. Tais tópicos são abordados no que atualmente chama-se Tese de Church-Turing, uma hipótese sobre a natureza de dispositivos mecânicos de cálculo. Essa tese define que qualquer cálculo possível pode ser realizado por um algoritmo sendo executado em um computador, desde que haja tempo e armazenamento suficiente para tal.

Representação visual da Máquina de Turing

Turing também incluiu na tese uma descrição da Máquina de Turing, que possui uma fita de tamanho infinito e um cabeçote para leitura e escrita que move-se pela fita. Devido ao seu caráter infinito, tal máquina não pode ser construída, mas tal modelo pode simular a computação de qualquer algoritmo executado em um computador moderno. Turing é bastante importante para a Ciência da Computação, tanto que seu nome é usado para o Prêmio Turing e o teste de Turing. Ele contribuiu para a quebra do código da Alemanha pela Grã-Bretanha^[5] na Segunda Guerra Mundial, e continuou a projetar computadores e programas de computador pela década de 1940; cometeu suicídio em 1954.^[6][7]

Shannon e a teoria da informação

Até a década de 1930, engenheiros eletricistas podiam construir circuitos eletrônicos para resolver problemas lógicos e matemáticos, mas a maioria o fazia sem qualquer processo, de forma particular, sem rigor teórico para tal. Isso mudou com a tese de mestrado de Claude Shannon de 1937, A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Enquanto tomava aulas de Filosofia, Shannon foi exposto ao trabalho de George Boole, e percebeu que poderia aplicar esse aprendizado em conjuntos eletromecânico para resolver problemas. Shannon desenvolveu a teoria da informação no artigo de 1948: A Mathematical Theory of Communication,^[8] cujo conteúdo serve como fundamento para áreas como compressão de dados e criptografia.^[9]

Contribuição social

Apesar de sua pequena história enquanto uma disciplina acadêmica, a Ciência da Computação deu origem a diversas contribuições fundamentais para a ciência e para a sociedade. Esta ciência foi responsável pela definição formal de computação e computabilidade, e pela prova da existência de problemas insolúveis ou intratáveis computacionalmente.

^[10] Também foi possível a construção e formalização do conceito de linguagem de computador, sobretudo linguagem de programação, uma ferramenta para a expressão precisa de informação metodológica flexível o suficiente para ser representada em diversos níveis de abstração.^[11]

Para outros campos científicos e para a sociedade de forma geral, a Ciência da Computação forneceu suporte para a Revolução Digital, dando origem a Era da Informação.^[10] A computação científica é uma área da computação que permite o avanço de estudos como o mapeamento do genoma humano (ver Projeto Genoma Humano).

Ciência da Computação tem tanto a ver com o computador como a astronomia com o telescópio, a biologia com o microscópio, ou a química com os tubos de ensaio. A ciência não estuda ferramentas, mas o que fazemos e o que descobrimos com elas.

— Citação atribuída a Edsger Dijkstra

Pessoas notáveis

Algumas das pessoas mais importantes da computação foram agraciadas com o Prêmio Turing.

Precursores

• Blaise Pascal, desenvolveu a calculadora mecânica e tem seu nome em uma linguagem de programação;
• Charles Babbage, projetou um computador mecânico, a máquina analítica;
• Ada Lovelace, considerada a primeira pessoa programadora, deu nome a uma linguagem de programação;
• Alan Turing, participou do projeto Colossus e foi um dos cérebros que decifra a Enigma. Também inventou um tipo teórico de máquina super-simples capaz de realizar qualquer cálculo de um computador digital, a Máquina de Turing;
• John von Neumann, descreveu o computador que utiliza um programa armazenado em memória, a Arquitetura de von Neumann, que é a base da arquitetura dos computadores atuais;
• John Backus, líder da equipe que criou o Fortran e criou a notação BNF;
• Maurice Vicent Wilkes, inventor do somador binário;
• Howard Aiken, inventor do Mark I;
• Walter H. Brattain, inventor do transístor;
• William Shockley, inventor do transístor;
• John Bardeen, inventor do transístor;
• Fred Williams, inventor da memória RAM;
• Tom Kilburn, inventor da memória RAM;
• Konrad Zuse, inventor independente do computador digital e de linguagens de programação na Alemanha nazista;
• John Atanasoff, inventor do primeiro computador digital, o Atanasoff–Berry Computer, ABC;
• Clifford Berry, assistente de Atanasoff;
• Almirante Grace Hopper, programadora do Mark I, desenvolveu o primeiro compilador; primeira mulher a receber um Ph.D. em matemática;
• Edsger Dijkstra, líder do ALGOL 60, publicou o artigo original sobre programação estruturada;
• J. Presper Eckert, criador do ENIAC;
• John William Mauchly, criador do ENIAC.

Personalidades influentes

• Andrew Stuart Tanenbaum, pesquisador na área de sistemas operacionais, inventor do MINIX; seus livros-texto são dos mais referenciados na área;
• Edgar Frank Codd, inventor de Banco de dados relacionais;
• Brian Kernighan, inventor da linguagem de programação C;
• Dennis Ritchie, inventor da linguagem de programação C e do Unix;
• Bjarne Stroustrup, inventor da linguagem de programação C++;
• Ken Thompson, inventor do Unix e da codificação de caracteres UTF-8;
• Peter Chen, inventor do Modelo de entidades e relacionamentos;
• Donald Ervin Knuth, criador do TeX, da programação literária e da influente série (inacabada em 2011) sobre algoritmos The Art of Computer Programming;
• Richard Stallman, fundador do projeto GNU e idealizador da licença de software livre GPL;
• Linus Torvalds, criador do núcleo Linux;
• Alan Kay, um dos inventores da orientação a objeto, também concebeu o laptop e a interface gráfica do utilizador;
• Steve Wozniak e Steve Jobs, criadores da Apple Inc., e do primeiro computador pessoal, o Apple I;
• Bill Gates e Paul Allen, criadores da Microsoft, a empresa que criou o Windows;
• James Gosling, criador da linguagem Java;
• Guido van Rossum, criador da linguagem Python;
• Tim Berners-Lee, criador da World Wide Web e do HTML;
• Brendan Eich, criador do JavaScript.

Áreas de pesquisa

Fundamentos matemáticos

• Álgebra linear
• Cálculo diferencial e integral
• Cálculo numérico
• Analise combinatória
• Geometria analítica — o estudo de algoritmos para a resolução de problemas de geometria, ou que dependem da geometria
• Heurística - o desvendamento de soluções de problemas com alto grau de complexidade
• Lógica matemática — lógica booleana e outras formas para a modelagem lógica de problemas
• Matemática discreta
• Teoria do caos - sistemas complexos e não determinísticos influenciam a confecção de novos algoritmos e metodologias matemáticas na computação
• Probabilidade e estatística
• Teoria da informação
• Teoria das categorias
• Teoria dos grafos — fundações para estruturas de dados e algoritmos de busca
• Teoria dos números — teoria para a definição de provas a conjunto dos números inteiros, usada em criptografia e no teste de inteligência artificial
• Teoria dos tipos — análise formal de tipos de dados e seu uso para entender a propriedade de programas de algoritmos