Ciência da computação

Ciência da computação é o estudo dos algoritmos, suas aplicações e de sua implementação, na forma de software, para execução em computadores eletrônicos.

Desempenha um papel importante, na área de Ciência da computação, a 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 qualquer dispositivo mecânico/eletrônico 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 tem impactado fortemente a sociedade contemporânea, em particular as aplicações relacionadas às áreas de redes de computadores, Internet, Web e computação móvel que têm sido utilizadas por bilhões de pessoas ao redor do globo.

*História da computação

A primeira ferramenta conhecida para a computação foi o ábaco[1], 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 partir do século XIII tabelas logarítmicas eram produzidas por matemáticos islâmicos. Quando John Napier descobriu os logaritmos para uso computacional no século XVI[1], 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 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

Foi com Charles Babbage que o computador moderno começou a ganhar forma, através de seu trabalho no engenho analítico. O equipamento, apesar de nunca ter sido construído com sucesso, possuía todas as funcionalidades do computador moderno. Foi descrito originalmente em 1837, mais de um século antes que qualquer equipamento do gênero tivesse sido construído com sucesso. O grande diferencial do sistema de Babbage era o fato que seu dispositivo foi projetado para ser programável, item 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[2]. 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, em sua maioria mulheres. 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.
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 as quebras de código da Grã-Bretanha[3] na Segunda Guerra Mundial, e continuou a projetar computadores e programas de computador pela década de 1940; cometeu suicídio em 1954.[4][5].

*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 eletro-mecânicos para resolver problemas. Shannon desenvolveu a teoria da informação no artigo de 1948: A Mathematical Theory of Communication[6], cujo conteúdo serve como fundamento para áreas de estudo como compressão de dados e criptografia.[7]

*Realizações para a sociedade

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.[8] 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.[9]

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.[8] A computação científica é uma área da computação que permite o avanço de estudos como o mapeamento do genoma humano (ver Projeto Genoma Humano).

*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 (e mulher) programadora, deu nome à uma linguagem de programação;

*Pioneiros
Cquote1.svg 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.


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 V. 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 Vincent Atanasoff, possivelmente o inventor do primeiro computador digital, o computador de Atanasoff-Berry, ABC
Clifford E. 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 do C
Dennis Ritchie, inventor do C e do Unix
Bjarne Stroustrup, inventor do 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
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
Mark Zuckerberg, um dos criadores do Facebook

*Áreas de pesquisa

- Fundamentos matemáticos

Álgebra linear
Análise Econômica de Sistemas de Informações - consiste em definir o lucro, receita e custo, e relacionar todos os fatores economicos a produção e desenvolvimento do software
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
Lógica matemática — lógica booleana e outras formas para a modelagem lógica de problemas
Matemática discreta
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

- Fundamentos de computação

Paradigma de programação
Circuitos digitais
Complexidade computacional — definição de limites computacionais (sobretudo relativo a espaço e tempo) fundamentais em classes de computação
Criptografia — aplicação da complexidade computacional, da probabilidade e da teoria de números para a criação ou quebra de códigos
Estrutura de dados — a organização e as regras para a manipulação de informação
Linguagens formais — estudo de modelos para especificar e reconhecer linguagens de forma geral
Métodos formais — o uso de abordagens matemáticas para descrever e formalizar padrões de desenvolvimento de software
Pesquisa e ordenação
Projeto e análise de algoritmos — complexidade computacional aplicada aos algoritmos
Robótica — o controle do comportamento de robôs
Semântica formal — estudo da especificação do significado (ou comportamento) de programas de computador e partes de hardware
Teoria da Computabilidade — definição do que é computável utilizando-se os modelos atuais, definindo as possibilidades teóricas da computação
Teoria da computação
Teoria dos algoritmos de informação
Teoria dos autômatos

- Física

Eletromagnetismo
Mecânica quântica

- Tecnologia da computação

Banco de dados
Compiladores — tradução de algoritmos entre diferentes linguagens de computador, geralmente de uma linguagem de alto nível, mais abstrata e legível para seres humanos, para uma linguagem de baixo nível, mais concreta e voltada para o computador digital
Computação gráfica — geração sintética de imagens, e a integração ou alteração visual de informações visuais do mundo real
Engenharia de software
Inteligência artificial — o estudo e a implementação de sistemas que exibem um comportamento autônomo inteligente
Processamento de imagens — a obtenção de informação a partir de imagens
Rede de computadores — algoritmos e protocolos para a comunicação de dados confiável entre diferentes sistemas, incluindo mecanismos para a identificação e correção de erros

- Ciência da computação aplicada

Álgebra computacional
Especificação de programas
Estrutura de dados
Informática na Educação
Interação homem-computador — estudo sobre a utilidade e usabilidade de computadores, tornando-os acessíveis às pessoas
Otimização combinatória
Pesquisa operacional
Planejamento automatizado[10] — estuda o processo de deliberação por meio da computação
Programação de computadores — o uso de linguagens de programação para a implementação de algoritmos
Reconhecimento de padrões
Recuperação de informações
Redes de Petri
Redes neurais
Redes semânticas
Segurança de computadores
Sistemas multiagentes
Tolerância a falhas
Vida artificial — o estudo de organismos digitais

- Organização dos sistemas computacionais

Arquitetura de computadores — o desenvolvimento, a organização, a otimização e a verificação de sistemas computacionais
Computação distribuída — computação sendo executada em diversos dispositivos interligados por uma rede, todos com o mesmo objetivo comum
Computação paralela — computação sendo executada em diferentes tarefas; geralmente concorrentes entre si na utilização de recursos
Computação quântica — representação e manipulação de dados usando as propriedades quânticas das partículas e a mecânica quântica
Sistemas operacionais — sistemas para o gerenciamento de programas de computador e para a abstração da máquina, fornecendo base para um sistema utilizável

*Relacionamento com outros campos

Por ser uma disciplina recente, existem várias definições alternativas para a ciência da computação. Ela pode ser vista como uma forma de ciência, uma forma de matemática ou uma nova disciplina que não pode ser categorizada seguindo os modelos atuais. Várias pessoas que estudam a ciência da computação o fazem para tornarem-se programadores, levando alguns a acreditarem que seu estudo é sobre o software e a programação. Apesar disso, a maioria dos cientistas da computaçao são interessados na inovação ou em aspectos teóricos que vão muito além de somente a programação, mais relacionados com a computabilidade.

Apesar do nome, muito da ciência da computação não envolve o estudo dos computadores por si próprios. De fato, o conhecido cientista da computação Edsger Dijkstra é considerado autor da frase "Ciência da computação tem tanto a ver com o computador como a Astronomia com o telescópio […]". O projeto e desenvolvimento de computadores e sistemas computacionais são geralmente considerados disciplinas fora do contexto da ciência da computação. Por exemplo, o estudo do hardware é geralmente considerado parte da engenharia da computação, enquanto o estudo de sistemas computacionais comerciais são geralmente parte da tecnologia da informação ou sistemas de informação.

Por vezes a ciência da computação também é criticada por não ser suficientemente científica, como exposto na frase "Ciência é para a ciência da computação assim como a hidrodinâmica é para a construção de encanamentos", credita a Stan Kelly-Bootle.[11] Apesar disso, seu estudo frequentemente cruza outros campos de pesquisa, tais como a inteligência artifical, física e linguística.

Ela é considerada por alguns por ter um grande relacionamento com a matemática, maior que em outras disciplinas. Isso é evidenciado pelo fato que os primeiros trabalhos na área eram fortemente influenciados por matemáticos como Kurt Gödel e Alan Turing; o campo continua sendo útil para o intercâmbio de informação com áreas como lógica matemática, teoria das categorias e álgebra. Apesar disso, diferente da matemática, a ciência da computação é considerada uma disciplina mais experimental que teórica.

Várias alternativas para o nome da disciplina já foram cogitadas. Em francês ela é chamada informatique, em alemão Informatik, em espanhol informática, em holandês, italiano e romeno informatica, em polonês informatyka, em russo информатика e em grego Πληροφορική. Apesar disso, tanto em inglês quanto em português informática não é diretamente um sinônimo para a ciência da computação; o termo é usado para definir o estudo de sistemas artificiais e naturais que armazenam processos e comunicam informação, e refere-se a um conjunto de ciências da informação que engloba a ciência da computação. Em Portugal, no entanto, apesar de a palavra estar dicionarizada com esse sentido amplo, o termo é usado como sinónimo de ciência da computação.

*Profissão

De forma geral, cientistas da computação estudam os fundamentos teóricos da computação, de onde outros campos derivam, como as áreas de pesquisa supracitadas. Como o nome implica, a ciência da computação é uma ciência pura, não aplicada. Entretanto, o profissional dessa área pode seguir aplicações mais práticas de seu conhecimento, atuando em áreas como desenvolvimento de software ou consultoria em tecnologia da informação.