L'insegnamento si propone di approfondire le conoscenze su linguaggi e tecniche di programmazione, algoritmi e strutture dati utili per il calcolo scientifico. L'insegnamento punta a far acquisire agli studenti: - solide basi di programmazione C++ e di gestione di progetti software; - una conoscenza delle problematiche connesse all'utilizzo del calcolatore per eseguire simulazioni accurate ed efficienti; - una conoscenza dei principali algoritmi e delle fondamentali strutture di dati dell'informatica; - una conoscenza delle problematiche legate alla geometria computazionale applicata all'integrazione numerica e alla risoluzione di equazioni differenziali.

I risultati di apprendimento attesi consistono in: • acquisizione dell'autonomia nella gestione di piccoli progetti software • acquisizione dell'autonomia nell'uso di base di sistemi Unix/Linux da terminale • acquisizione di solide basi di programmazione C++; • una conoscenza delle problematiche connesse all'utilizzo del calcolatore per eseguire simulazioni accurate ed efficienti (complessità computazionale degli algoritmi, stabilità, condizionamento della formulazione del problema); • una conoscenza dei principali algoritmi e delle fondamentali strutture di dati dell'informatica; • una conoscenza delle problematiche principali legate alla geometria computazionale. Le abilità che si vogliono trasmettere sono: • scrivere un codice complesso individuale e di gruppo; • collabolare in un team per la risoluzione di un problema computazionale complesso; • sviluppare algoritmi valutando gli aspetti positivi e negativi delle varie soluzioni possibili; • prendere decisioni sulla base di valutazioni oggettive in termini di complessità computazionale, robustezza e semplicità tra le diverse possibili soluzioni implementative Le competenze ottenute alla fine dell'insegnamento sono: • analizzare un problema complesso, valutare le possibili soluzioni implementative e progettare un codice di simulazione per il calcolo scientifico funzionante, modulare ed efficiente.

Buona conoscenza di un qualsiasi linguaggio di programmazione. Conoscenza della struttura di base di un calcolatore e dell'interazione tra le sue parti. Buona conoscenza degli argomenti dei corsi di base di analisi matematica, geometria e algebra lineare.

Introduzione al Calcolo Scientifico • Ripasso su condizionamento di un problema e stabilità di un algoritmo numerico. • Cenni sulla Teoria della complessità computazionale Introduzione all'Ingegneria del Software • Cenni sull'esecuzione e sulle performance di un codice ◦ Richiami di architetture degli elaboratori, architettura Von Neumann ◦ Memory bound, compute bound e principali metriche di performance • Programmazione C++ ◦ Linguaggi compilati ed interpretati ◦ Dal sorgente all'eseguibile: preprocessore/compilatore/linker ◦ Introduzione al linguaggio C++ ◦ Basi del linguaggio, strutture di controllo, tipi di dati definiti dall'utente ◦ Allocazione dinamica della memoria, implementazione di semplici strutture dati dinamiche ◦ Libreria standard del C++ (STL) • Introduzione al Version Control ◦ Introduzione a Git • Interazione da terminale con sistemi Unix/Linux • Uso di CMake per la gestione di progetti software Applicazioni del Calcolo Scientifico ◦ Strutture dati avanzate (liste, code, pile, alberi, grafi) ◦ Complessità computazionale, Ricorsione ◦ Algoritmi elementari (ordinamento, attraversamento di alberi e grafi, ricerca di percorsi tra nodi nei grafi) ◦ Strutture dati in C++ • Geometria Computazionale ◦ Introduzione alle classi per il trattamento di oggetti geometrici ◦ Intersezioni ◦ Matrici di Rotazione ◦ Trasformazioni affini, sistemi di riferimento 2D/3D ◦ Quadratura numerica 2D/3D ◦ Geometria computazionale in C++ ◦ C++ - Eigen

L'insegnamento copre la durata di un semestre. Si compone di lezioni teoriche, esercitazioni in aula ed esercitazioni al calcolatore. Una parte consistente dell'insegnamento è dedicata allo sviluppo di un progetto di gruppo. Il progetto a tema vincolato consiste nello sviluppo di un codice da parte di gruppi di 2 o 3 studenti per la risoluzione del problema proposto dal docente utilizzando gli strumenti, le strutture dati e i linguaggi presentati nell'insegnamento.

• Bjarne Stroustrup - A Tour of C++ (seconda edizione) - Addison-Wesley Professional • Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, Clifford Stein - Introduction to Algorithms - The MIT Press • Andrew S. Tanenbaum, Todd Austin - Structured Computer Organization (sesta edizione) - Pearson • Crescenzi Pierluigi - Gambosi Giorgio - Grossi Roberto - Rossi Gianluca, STRUTTURE DI DATI E ALGORITMI, Progettazione, analisi e programmazione, Editore: PEARSON EDUCATION ITALIA • Monegato Giovanni, METODI E ALGORITMI PER IL CALCOLO NUMERICO, Editore: CLUT • Materiale elettronico fornito dai docenti

Slides; Libro di testo; Esercizi; Esercitazioni di laboratorio; Materiale multimediale ;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale; Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Individual project; Group project;

... La durata dell'esame orale è di circa 30-45 minuti e consta di 2/3 domande con peso nella valutazione finale circa uguale. Le domande saranno prevalentemente indirizzate alla discussione con il docente: • delle esercitazioni proposte durante l'anno e implementate indipendentemente dallo studente; • del progetto a tema vincolato scelto, facendo particolare riferimento agli aspetti di complessità computazionale delle scelte fatte nell'implementazione. • della teoria vista a lezione Durante l'esame orale si approfondiranno inoltre gli argomenti proposti nell'insegnamento. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione massima è 30 e lode. La consegna del progetto entro le scadenze indicate permette di raggiungere la votazione massima, altrimenti il voto massimo della prova orale è 26/30. Il progetto è considerato valido al fine della prova orale se consegnato nella sezione Elaborati della pagina dell'insegnamento 3 giorni prima dell'appello in cui si vuole sostenere l'esame e non oltre la fine della sessione immediatamente successiva alla conclusione delle lezioni dell'insegnamento.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.