<texit info>
author=Marcio
name=Curso
</texit>

===== Ferramentas de Computação em Física =====

== Semana da Física 2011 ==

{{:marcio:galileo_robot.png?200|}}


Descreveremos neste tutorial como utilizar o computador como uma ferramenta no curso de Física. O sistema operacional utilizado será o [[http://www.linux.org|Linux]] e faremos uso extensivo do terminal de linha de comando, que fornece uma maior compreensão dos processos envolvidos nas ações desejadas, como exibição dos arquivos em um diretório, alteração de nome de arquivos, criação e execução de programas criados pelo usuário, etc. Para aproveitar melhor esta apostila recomenda-se que o leitor possua conhecimento básico de informática: arquivos e estrutura de diretórios, execução de programas, etc. 


==== O ambiente Linux ====

O sistema operacional Linux difere do Windows na maneira como o usuário interage com o sistema. No primeiro, diferente partes do sistema são organizadas em módulos (que possuem dependências particulares entre si) definindo uma estrutura descentralizada completamente configurável pelo usuário (o sistema operacional [[http://en.wikipedia.org/wiki/Mac_OS_X|OS X]] da Apple possui várias similaridades com o Linux). A comunicação do usuário com o sistema se dá através de aplicativos cujos códigos-fonte podem ser livremente modificados pelo usuário. \\

{{:marcio:linux-kernel.png|}}

O Linux foi originalmente desenvolvido por Linus Torvald em 1991 como alternativa para computadores pessoais do sistema operacional [[http://www.unix.org|Unix]], criado em 1969 por empregados do laboratório AT&T/Bell. Entre os criadores do Unix estão Dennis Ritchie e Brian Kernighan, que também criaram a linguagem de programação C e para ela traduziram em 1973 o Unix, que antes estava escrito em Assembler (O Linux foi originalmente desenvolvido em C). Veja abaixo uma breve história do sistemas operacionais Unix-like (como são chamados os sistemas que possuem a estrutura de núcleo central, ou kernel, e módulos). 

{{:marcio:unix_history.svg?500|Histórico dos sistemas unix-like}}

Os computadores da sala de micro do alunos da graduação possui a distribuição [[http://www.debian.org|Debian]] instalada. Uma grande vantagem do Linux, além do fato de ser um sistema de código aberto (leia sobre o projeto [[http://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Project|GNU]]), é sua extensa documentação: além de tutoriais na Internet ensinando como usar o sistema operacional, todos os comandos importantes possuem documentação que pode ser acessada através do comando //man//

==== Interação com o sistema operacional: linha de comando ====
Para  entender melhor os processos envolvidos na execução de tarefas pelo sistema operacional
utilizaremos terminais de linha de comando. Ilustramos abaixo como abrir um terminal (chamado gnome-terminal neste caso) no Debian.\\
{{:marcio:screenshot.png?500|}}

Uma vez que temos acesso a linhas de comando, podemos interagir com o sistema operacional e executar diversas tarefas. Ao abrirmos um terminal este, usualmente, aponta para o diretório principal (raiz) do usuário. Em geral o prompt padrão indica o diretório atual, o hostname da máquina e o nome do usuário (mas isto depende muito da distribuição Linux utilizada).
<code>
marcio@ssh1:~$ 
</code>


  * Para saber o nome do usuário que abriu o terminal digite //whoami//
<code>
marcio@ssh1:~$ whoami
marcio
marcio@ssh1:~$
</code>

Uma grande vantagem do Linux é sua extensa documentação que inclui, além de tutoriais online, páginas de manual acessíveis pela linha de comando através do comando //man <COMANDO>//

<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ man whoami

WHOAMI(1)                                User Commands                               WHOAMI(1)

NAME
       whoami - print effective userid

SYNOPSIS
       whoami [OPTION]...

DESCRIPTION
       Print the user name associated with the current effective user ID.  Same as id -un.

       --help display this help and exit

       --version
              output version information and exit

AUTHOR
       Written by Richard Mlynarik.

REPORTING BUGS
       Report bugs to <bug-coreutils@gnu.org>.

COPYRIGHT
       Copyright  ©  2008 Free Software Foundation, Inc.  License GPLv3+: GNU GPL version 3 or
       later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
       This is free software: you are free to change and redistribute it.  There  is  NO  WAR
       RANTY, to the extent permitted by law.

marcio@pelego:~/cursos/escola2011$
</code>

==== Estrutura de Arquivos ====
{{:marcio:file.tree.jpg?400|Estrutura de arquivos no Unix/Linux}}

  *  Para saber em que diretório voce está digite //pwd//
<code>
marcio@ssh1:~$ pwd
/home/docente/marcio
marcio@ssh1:~$
</code>

  *  Para ver que arquivos se encontram no diretório que voce está digite //ls//
<code>
marcio@ssh1:~$ ls
2008.tgz                              lista1.tex
agemodel1.c                           lista2.pdf
agemodel2.c                           lista2.tex
agemodel3.c                           lista4.tex
agemodel4.c                           load-current.c
agemodel.c                            lr-drp.c
agemodel_final.c                      lyapunov from experiments.pdf
marcio@ssh1:~$
</code>

  * Para criar um diretório novo digite //mkdir <NOVO DIR>//
<code>
marcio@ssh1:~$ mkdir meudir
</code>

  * Para entrar em um diretório específico que esteja um nível **abaixo** do que voce se encontra digite //cd <DIR>//
<code>
marcio@ssh1:~$ cd meudir
marcio@ssh1:~/meudir$ 
</code>


  * Para entrar em um diretório específico que esteja um nível **acima** do que voce se encontra digite //cd ..//
<code>
marcio@ssh1:~/meudir$ cd ..
marcio@ssh1:~$
</code>

  * Para remover um diretório específico que esteja um nível **abaixo** do que voce se encontra digite //rm -f <DIR>//
<code>
marcio@ssh1:~/meudir$ rm -f meudir
marcio@ssh1:~$
</code>

==== Computadores em rede ====

Os computadores da sala dos alunos se encontram conectados em rede, e é possível se deslocar remotamente de uma máquina da rede para outra com comandos como //telnet// e //ssh//. A rede da sala dos alunos é centralizada em um servidor [[http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Host_Configuration_Protocol|DHCP]] que fornece um endereço a cada computador nele conectado[[http://en.wikipedia.org/wiki/IP_address|IP]] (basicamente um nome composto de quatro números entre 0 e 255 separados por ponto) que gerencia a conexão de todos os micros da rede com a Internet. \\

{{:marcio:dhcp.png?400|}}


Cada computador possui um endereço IP único dentro de sua sub-rede. Para saber o IP de sua máquina digite // /sbin/ifconfig//

No exemplo abaixo o computador está conectado ao servidor através da interface //eth0// com o endereço IP **192.168.0.100**


<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ /sbin/ifconfig 
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 00:24:21:c5:a2:b4  
          inet addr:192.168.0.100  Bcast:192.168.0.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::224:21ff:fec5:a2b4/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:485944 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:350354 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:601797204 (573.9 MiB)  TX bytes:41534569 (39.6 MiB)
          Interrupt:221 Base address:0x4000 

lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:16436  Metric:1
          RX packets:80 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:80 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:6904 (6.7 KiB)  TX bytes:6904 (6.7 KiB)

marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ 
</code>

  * Para acessar remotamente outro computador utilize o comando //ssh <USER>@<IP>// onde //<USER>// é o nome do usuário na máquina a ser acessada e //<IP>// seu endereço de rede.

<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ ssh marcio@200.20.9.67
marcio@200.20.9.67's password: 
Linux ssh1 2.6.26-2-686 #1 SMP Wed Aug 19 06:06:52 UTC 2011 i686

The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
permitted by applicable law.
Last login: Sun Oct 18 20:37:05 2011 from 189.24.43.87
marcio@ssh1:~$ 
</code>

Note que, além do endereço IP, cada máquina possui um nome (hostname) do tipo //nome.domínio//. Cada número IP é traduzido unicamente em um hostname. Podemos usar hostname ou IP quando nos referirmos a um computador.

<code>
marcio@pelego:~$ ssh marcio@ssh1.if.uff.br
marcio@ssh1.if.uff.br's password: 
Linux ssh1 2.6.26-2-686 #1 SMP Wed Aug 19 06:06:52 UTC 2011 i686

The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent
permitted by applicable law.
Last login: Sun Oct 18 23:29:33 2011 from 189.24.43.87
marcio@ssh1:~$ 
</code>

==== Editando arquivos ====
  * Para apagar um arquivo utilize o comando //rm <ARQ>//

<code>
marcio@pelego:~/meudir$ ls
extra  newsclustering.pdf  randoms.in total.out
marcio@pelego:~/meudir$ rm total.out
marcio@pelego:~/meudir$ ls
extra  newsclustering.pdf  randoms.in
marcio@pelego:~/meudir$
</code>

  * Para mudar o nome de um arquivo utilize o comando //mv <ARQ_OLD> <ARQ_NEW>//

<code>
marcio@pelego:~/meudir$ ls
extra  newsclustering.pdf  randoms.in
marcio@pelego:~/meudir$ mv randoms.in random.in
marcio@pelego:~/meudir$ ls
extra  newsclustering.pdf  random.in
marcio@pelego:~/meudir$
</code>

  * Para copiar um arquivo utilize o comando //cp <ORIGEM> <DESTINO>// 

<code>
marcio@pelego:~/meudir$ ls
extra  newsclustering.pdf  random.in
marcio@pelego:~/meudir$ cp random.in extra/othername.in
marcio@pelego:~/meudir$ cd extra/
marcio@pelego:~/meudir/extra$ ls
dull.c  inside.conf  othername.in
marcio@pelego:~/meudir/extra$ cp dull.c ../dull.c
marcio@pelego:~/meudir/extra$ cd ..
marcio@pelego:~/meudir$ ls
dull.c  extra  newsclustering.pdf  random.in
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>

* Para copiar um arquivo de uma máquina para outra utiliza o comando //scp//
<code>
marcio@pelego:~/meudir$ scp dull.c marcio@ssh1.if.uff.br:dullnew.c
marcio@ssh1.if.uff.br's password: 
dull.c                                                    100%    0     0.0KB/s   00:00    
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>
No exemplo acima o arquivo dull.c é copiado da máquina local (pelego) para a máquina remota (ssh1).\\

<code>
marcio@ssh1:~$ scp marcio@fiscomp.if.uff.int:mass_sp.c massnew.c
marcio@fiscomp.if.uff.int's password: 
mass_sp.c                                                 100% 2431     2.4KB/s   00:00    
marcio@ssh1:~$ 
</code>
No exemplo acima o arquivo mass_sp.c é copiado da máquina remota (fiscomp) para a máquina local (ssh1).

  * Para criar ou editar um arquivo utilizamos um dos muitos editores de texto disponíveis em qualquer distribuição Linux. Exemplos incluem //vi, nano, gedit,emacs// entre outros. Vamos aqui utilizar o [[http://pt.wikipedia.org/wiki/Emacs|emacs]], um editor de texto 
bastante poderoso e amigável.

Suponha que voce obtenha em uma experiência de laboratório os dados:\\
^ t(s) ^ v(cm/s) ^
|1 | 1.0 |
|2  |1.9 |
|3 | 3.5 |
|4 | 3.8 |
|5 | 6.1 |
|6 | 6.5 |
|7 | 7.1 |
|8 | 7.8 |
|9 | 9.3 |
|10 | 10.5 |

Vamos criar um arquivo com estes dados para posteriormente analisá-los. Na linha de comando digite //emacs <ARQ> &//. Repare o //&// no final do comando. Este símbolo tem como função executar o comando especificado e liberar o terminal para outros comandos. \\
<code>
marcio@pelego:~/meudir$ emacs exp1.data &
</code>

{{:marcio:emacs.png?500|}}


Caso voce nao inclua este comando o terminal ficará suspenso enquanto o comando for executado. Para recuperar o terminal, caso não utilize o comando //&// em sua chamada, aperte a tecla control (ctrl) e em seguida (sem soltar o ctrl) aperte z, ou //ctrl-z// resumidamente. Este comando libera o terminal e mantém o programa sendo executado em pausa. Para utilizar o programa digite //bg// após recuperar o terminal com //ctrl-z// 

<code>
marcio@pelego:~/meudir$ emacs exp1.data  
^Z
[1]+  Stopped                 emacs exp1.data
marcio@pelego:~/meudir$ bg
[1]+ emacs exp1.data &
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>


Digite seus dados no editor de texto e salve os resultados utilizando os comandos na barra superior do emacs ou digitando //ctrl-x// e em seguida, sem soltar o ctrl //ctrl-s// ou //ctrl-x ctrl-s// resumidamente.

Para verificar o conteúdo de arquivos-texto digite, na linha de comando, //more <ARQ>//

<code>
marcio@pelego:~/meudir$ more exp1.data
1 1.0
2 1.9
3 3.5
4 3.8
5 6.1
6 6.5
7 7.1
8 7.8
9 9.3
10 10.5
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>

==== Análise gráfica de dados ====

Para analisar graficamente a tabela de dados gerada na seção anterior podemos utilizar o [[http://www.ibm.com/developerworks/library/l-gnuplot/|gnuplot]], um programa bastante leve e versátil, que pode gerar gráficos a partir de arquivos de dados com tabelas ou a partir de funções determinadas pelo usuário. Tambem podemos ajustar dados a funções arbitrariamente definidas (veja [[http://www2.prudente.unesp.br/dcartog/galo/gnuplot/pdf/gnuplot_introducao.pdf|aqui]] um tutorial em português no formato pdf e [[http://t16web.lanl.gov/Kawano/gnuplot/index-e.html|esse excelente tutorial]] em inglês).

Para entrar no gnuplot digite, na linha de comando, //gnuplot//. Repare que neste caso não redirecionamos o comando para o background (com o //&//).

<code>
 marcio@pelego:~/meudir$ gnuplot  

	G N U P L O T
	Version 4.2 patchlevel 2 
	last modified 31 Aug 2007
	System: Linux 2.6.26-2-686

	Copyright (C) 1986 - 1993, 1998, 2004, 2007
	Thomas Williams, Colin Kelley and many others

	Type `help` to access the on-line reference manual.
	The gnuplot FAQ is available from http://www.gnuplot.info/faq/

	Send bug reports and suggestions to <http://sourceforge.net/projects/gnuplot>


Terminal type set to 'wxt'
gnuplot> 
</code>

Experimente definir uma função arbitrária, como f(x)=sin(x)/x \\

<code>
gnuplot> f(x)=5.0*sin(x)/x   
gnuplot> plot f(x)
</code>

{{:marcio:gnuplot.png?500|}}

Vamos analisar os dados do experimento da seção anterior com o gnuplot. Para plotar o gráfico associado com os dados do arquivo exp1.data utilizamos o comando //plot "<ARQ>"// (repare nas aspas em torno do nome do arquivo)
<code>
gnuplot> plot "exp1.data"
</code>

Podemos colocar linhas unindo os pontos com 
<code>
gnuplot> set style data linespoints
gnuplot> replot
</code>
{{:marcio:gnuplot_exp_lp.png?500|}}


Notamos que há uma tendência linear forte nos dados. Podemos utilizar o gnuplot para encontrar o melhor ajuste linear aos pontos experimentais (o gnuplot utiliza o método de [[http://en.wikipedia.org/wiki/Levenberg%E2%80%93Marquardt_algorithm|Levenberg-Marquardt]] no ajuste).
Definimos no gnuplot uma função linear f(x)=ax+b com dois parâmetros ajustáveis, a e b.

<code>
gnuplot> f(x)=a*x+b              
</code>

e em seguida utilizamos o comando //fit// do gnuplot (para mais informações digite, dentro do gnuplot, //help fit//)
<code>
gnuplot> fit f(x) "exp1.data" via a,b


 Iteration 0
 WSSR        : 1.47406           delta(WSSR)/WSSR   : 0
 delta(WSSR) : 0                 limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 4.4441

initial set of free parameter values

a               = 1.02485
b               = 0.113333
********************
After 1 iterations the fit converged.
final sum of squares of residuals : 1.47406
rel. change during last iteration : 0

degrees of freedom    (FIT_NDF)                        : 8
rms of residuals      (FIT_STDFIT) = sqrt(WSSR/ndf)    : 0.429252
variance of residuals (reduced chisquare) = WSSR/ndf   : 0.184258

Final set of parameters            Asymptotic Standard Error
=======================            ==========================

a               = 1.02485          +/- 0.04726      (4.611%)
b               = 0.113333         +/- 0.2932       (258.7%)


correlation matrix of the fit parameters:

               a      b      
a               1.000 
b              -0.886  1.000 
gnuplot> 
</code>

Os melhores parâmetros encontrados, como mostra o resultado, foram a=1.02485 e b=0.113333. Podemos verificar a qualidade do resultado plotando as duas curvas no mesmo gráfico. Vamos também colocar labels nos eixos coordenados.
<code>
gnuplot> set xlabel "t(s)"
gnuplot> set ylabel "v(cm/s)"
gnuplot> plot "exp1.data" title "Dados experimentais",f(x) title "Melhor ajuste"       
gnuplot> 
</code>

{{:marcio:gnuplot_exp_fit.png?500|}}


Vamos gerar uma figura com os resultados. O gnuplot pode salvar gráficos em diferentes formatos, como postscript, png, etc. Vamos salvar nosso resultado no formato [[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Network_Graphics|png]], que é vetorial e pode ser reescalado sem perda de resolução. Para isso redirecionamos a saída do programa para um arquivo png, fazemos um "replot" da figura, que será direcionada para o arquivo determinado, e redirecionamos a saída para x11 ou wxt.
<code>
gnuplot> set terminal png
Terminal type set to 'png'
Options are 'nocrop medium '
gnuplot> set output "exp1.png"
gnuplot> replot
gnuplot> set term wxt
Terminal type set to 'wxt'
Options are '0'
gnuplot> 
</code>

Enfim, salvamos o projeto que acabamos de gerar para podermos utiliza-lo sem necessidade de redigitar todos os comandos quando quisermos observar o gráfico no gnuplot novamente, e finalizamos o programa gnuplot
<code>
gnuplot> save "exp1.gnuplot"       
gnuplot> quit
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>

Assim, podemos abrir o projeto novamente inicializando o gnuplot e utilizando o comando //load "<ARQ>"// (repare nas aspas!)

 {{:marcio:gnuplot_exp_load.png?500|}}

Os dois arquivos que criamos devem estar no diretório de onde chamamos o gnuplot
<code>
marcio@pelego:~/meudir$ ls
dull.c     exp1.gnuplot  extra    newsclustering.pdf
exp1.data  exp1.png      fit.log  random.in
marcio@pelego:~/meudir$ 
</code>


===== Linguagens de programação =====
Nos exemplos acima, quando digitamos comandos no terminal, estávamos realmente utilizando uma linguagem interpretada chamada de maneira geral de [[http://en.wikipedia.org/wiki/Shell_script|shell script]] (nas distribuições Linux atuais o mais utilizado é o [[http://en.wikipedia.org/wiki/Bash|bash]]). Para o processador central do computador executar instruções é preciso comunicá-las por meio de uma linguagem que o processador entenda. Essa linguagem é chamada de [[http://en.wikipedia.org/wiki/Machine_code#Assembly_languages|código de máquina]], que é traduzida de maneira mnemônica pela linguagem Assembly. Tal linguagem, no entanto, requer enorme esforço de programação para a execução de tarefas simples. Com a popularização dos computadores surgiu a necessidade de formas mais simples de comunicação que tornassem o computador uma ferramenta acessível ao público leigo. Surge então algumas linguagens como [[http://en.wikipedia.org/wiki/C_(programming_language)|C]], [[http://en.wikipedia.org/wiki/Fortran|Fortran]], [[http://en.wikipedia.org/wiki/Perl|Perl]] e [[http://en.wikipedia.org/wiki/Python_(programming_language)|Python]] , sendo as duas primeiras exemplos de linguagem compilada e as últimas de linguagem interpretada (e todas as quatro são exemplos de [[http://en.wikipedia.org/wiki/Imperative_programming|linguage imperative]]. Em C e Fortran usamos um compilador, que traduz nosso programa para linguagem de máquina, enquanto Perl é interpretada no momento da execução por um programa (o interpretador). 

Linguagens de computador, como línguas naturais (português, italiano, etc.), possuem um conjunto de operações básicas com as quais traduzimos [[http://en.wikipedia.org/wiki/Algorithm|algoritmos]] em ações. Vamos utilizar nesse tutorial a linguagem C para nos auxiliar com tarefas computacionais.

==== Números no computador ====

 Antes de começarmos a programar temos que entender como o computador manipula números, os objetos principais de nossas análises.

Devido ao fato de termos dez dedos nas mãos, temos um sistema de contagem **decimal**, onde escrevemos um número qualquer como soma de múltiplos de potências de 10.

{{:marcio:decimal.png?350|representação decimal de um número}}

Os fatores multiplicativos das potências são números inteiros entre 0 e 9

Como a informação no computador é codificada em pulsos elétricos, e só existem dois estados possíveis (um pulso de corrente não nulo ou zero corrente), números têm que ser representados em uma base binária\\

{{:marcio:binary.png?650|representação binária de um número}}

Representamos esse último número de maneira abreviada como 11100001011. Cada componente do número é então representada por um //bit//,o "quantum" de informação, a menor medida definida pelo computador.

No computador temos números inteiros de 32 ou 64 bits, o que impõe um limite no maior número decimal que podemos representar. 

Os números reais são representados de maneira menos direta (veja em http://www.psc.edu/general/software/packages/ieee/ieee.php mais detalhes).
Para armazenar um número real, 6.5 por exemplo, os 32 bits (no caso de float) ou 64 bits (no caso de double) são reservados para o sinal, o expoente de uma potência de 2, e o termo fracionário do número (o número sempre é armazenado na forma 1.F * 2<sup>E</sup>).
<code>
  S EEEEEEEE FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
  0 1      8 9                    31
</code>

  * Se E=255 e F é diferente de zero, então V=NaN ("Not a number")
  * Se E=255 e F=0 e S=1, então V=-infinito
  * Se E=255 e F=0 e S=0, então V=infinito
  * Se 0<E<255 então  V=(-1)**S * 2 ** (E-127) * (1.F)
  * Se E=0 e F diferente de zero então  V=(-1)**S * 2 ** (-126) * (0.F)
  * Se E=0 e F=0 e S=1, V=-0
  * Se E=0 e F=0 e S=0, V=0

Exemplos:
<code>
  0 00000000 00000000000000000000000 = 0
  1 00000000 00000000000000000000000 = -0

  0 11111111 00000000000000000000000 = Infinity
  1 11111111 00000000000000000000000 = -Infinity

  0 11111111 00000100000000000000000 = NaN
  1 11111111 00100010001001010101010 = NaN

  0 10000000 00000000000000000000000 = +1 * 2**(128-127) * 1.0 = 2
  0 10000001 10100000000000000000000 = +1 * 2**(129-127) * 1.101 = 6.5
  1 10000001 10100000000000000000000 = -1 * 2**(129-127) * 1.101 = -6.5

  0 00000001 00000000000000000000000 = +1 * 2**(1-127) * 1.0 = 2**(-126)
  0 00000000 10000000000000000000000 = +1 * 2**(-126) * 0.1 = 2**(-127) 
  0 00000000 00000000000000000000001 = +1 * 2**(-126) * 
                                       0.00000000000000000000001 = 
                                       2**(-149)  (Menor valor positivo)

</code>

==== Linguagem C: primeiros passos ====

A linguagem C foi desenvolvida para a tradução de todo o sistema operacional UNIX, anteriormente escrito em Assembler. Devido ao grau de complexidade de um sistema operacional, entendemos porquê a linguagem C é tão poderosa e flexível. Tanto poder deve ser usado com cautela, pois riqueza de expressão sempre vêm acompanhada de mais possibilidades de erro!

Podemos representar números inteiros e reais em C com diferentes precisões:

^ tipo ^ número de bits ^ alcance ^
|char  | 8 | -128 a 127 |
|signed int | 16 | -2147483648 a 2147483647|
|unsigned int | 16 | 0 a 4294967295|
|signed long int| 32 |-2147483648 a 2147483647|
|unsigned long int|32|0 a 4294967295|
|float |32| 1.175494351x10<sup>–38</sup> a  3.402823466x10<sup>38</sup> (~6 digitos de precisão)|
|double|64|~ -2.225074x10<sup>-308</sup> a ~1.797693x10<sup>308</sup> (~15 digitos de precisão)|


Esta definição vale para máquinas de 32 bits. Para descobrir os limites em sua máquina utilize as variáveis definidas em [[http://www.acm.uiuc.edu/webmonkeys/book/c_guide/2.4.html|float.h]] e [[http://www.acm.uiuc.edu/webmonkeys/book/c_guide/2.5.html|limits.h]]


Vamos aprender um pouco da linguagem C através de exemplos básicos e terminar com uma aplicação real, o ajuste linear de um conjunto de pontos pelo método dos mínimos quadrados. Existem vários tutoriais de programação na Internet, como s listados abaixo
http://www.inf.pucrs.br/~pinho/LaproI/IntroC/IntroC.htm (Básico)
http://www.inf.pucrs.br/~manssour/LinguagemC/ (Mais avançado)
http://www.cs.cf.ac.uk/Dave/C/ (Em Inglês)


=== Passo a passo === 
O programa em C deve possuir uma função principal //main// e deve incluir um conjunto de bibliotecas (com funções e declarações de variáveis auxiliares)

<code C>
// Texto à direita do símbolo // não é interpretado pelo compilador (comentário)
// Esse programa imprime uma mensagem no terminal (stdio)

#include<stdio.h>
int main(void){
   printf("Hello world\n");
 return(0);
}
</code>

Neste programa incluímos a biblioteca stdio. Depois criamos a função main, onde usamos o comando de impressão formatada printf. O texto entre aspas será impresso na tela. A sequência especial //\n// termina o texto com um //line feed//. Sem esse comando o prompt retornaria na mesma linha do texto. Experimente!
** Todas as linhas de execução em C terminam com ponto-e-vírgula (;) !**
A função main retorna o valor 0, que pode ser usado em outros programas para indicar que o programa terminou sua execução normalmente.

=== O compilador === 
Para criar um código de máquina executável pelo processador usamos um compilador (no nosso caso o gcc). Salve o arquivo hello.c e digite

//gcc hello.c -o hello -Wall//

a flag //-o// serve para definirmos o nome do programa executável gerado, enquanto que a flag //-Wall// serve para que o compilador retorne não somente os erros, se existirem, mas também possíveis erros, como uso de variável para a qual não foi atribuído valor ou coisas do gênero. Digite man gcc para toda conhecer a funcionalidade do compilador.


=== Entrada e saída de dados (I/O) ===
As funções //printf// e //scanf// são as funções-padrão para entrada e saída de dados do terminal, e //fprintf// e //fscanf// seus análogos para entrada e saída de dados de arquivos. 


<code C>
// Esse programa imprime a soma de dois números reais no terminal (stdio)

#include<stdio.h>
int main(void){
   double x,y,soma;
   printf("Entre com x: ");
   scanf("%lf",&x);
   printf("Entre com y: ");
   scanf("%lf",&y);
   soma=x+y;
   printf("x+y=%lf\n",soma);
 return(0);
}
</code>

O comando //scanf// lê os dados digitados no terminal, e espera que ele seja de um dado tipo, neste caso, um real dupla precisão (double)

^ entrada ^ tipo ^
| %d | (signed) int|
|%u| unsigned int|
|%ld| signed long|
|%lu| unsigned long|
|%f|float|
|%e|float [[http://en.wikipedia.org/wiki/Scientific_notation|(notação científica)]]|
|%lf|double|
|%s|string of chars|

O primeiro scanf armazena o valor digitado no terminal na variável x (o "ampersand" & é uma tecnicalidade que indica somente que o scanf armazena  no //endereco// de x o seu valor) e o segundo o valor de y.\\
A variável sum, também double (assim como em qualquer operação aritmética, devemos operar sempre com o mesmo tipo de variáveis!), assume o valor da soma de x e y.\\
O último printf retorna o texto entre aspas para o terminal, substituindo %lf pelo valor da variável sum.


<code C>
// Esse programa lê um arquivo com 2 colunas (x,y) de números reais e grava outro arquivo  
// com 3 colunas contendo (i,x+y,x*y,log(x)+log(y)) onde i é um contador de linhas
// A função logaritmo está definida na biblioteca math.h
#include<stdio.h>
#include<math.h>
int main(void){
   double x,y,soma,produto,logaritmo;
   int i;
   char in_file[100]; // O nome do arquivo deve conter no máximo 100 caracteres
   FILE *in_ptr,*out_ptr;

   printf("Nome do arquivo: ");
   scanf("%s",in_file); // Lê o nome do arquivo in_file
   in_ptr=fopen(in_file,"r"); // abre o arquivo in_file para leitura
   out_ptr=fopen("log.data","w"); // abre o arquivo log.data para escrita
   i=0; // inicializa a variavel i com o valor 0
   fscanf(in_ptr,"%lf %lf",&x,&y);
   while(!feof(in_ptr)){ // enquanto não chegar o fim do arquivo
      soma=x+y;
      produto=x*y;
      logaritmo=log(x)+log(y);
      fprintf(out_ptr,"%d %lf %lf %lf\n",i,soma,produto,logaritmo); // imprime no arquivo
      i++; // incrementa o valor de i
      fscanf(in_ptr,"%lf %lf",&x,&y);
   };
   printf("Foram lidas %d linhas\n",i);
   fclose(in_ptr); // fecha arquivo in_ptr
   fclose(out_ptr); // fecha arquivo out_ptr
   return(0);
}
</code>

Compilamos esse programa incluindo a chamada para a biblioteca matemática math.h (É boa prática criar executáveis com o mesmo nome do programa-fonte .c)

<code>
marcio@ssh1:~$ gcc log.c -o log -lm -Wall 
</code>

E executamos colocando os caracteres// ./ // na frente do executável (Pois o diretório atual não necessariamente estará incluído no PATH de sua distribuição Linux). 
<code>
marcio@ssh1:~$ ./log
  nome do arquivo: exp1.data
marcio@ssh1:~$
</code>


Podemos confirmar o resultado de nossas operações utilizando a capacidade do gnuplot de manipular o valor das colunas de dados e plotá-las como eixos ordenados.
<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ gnuplot

        G N U P L O T
        Version 4.2 patchlevel 2 
        last modified 31 Aug 2007
        System: Linux 2.6.26-2-686

        Copyright (C) 1986 - 1993, 1998, 2004, 2007
        Thomas Williams, Colin Kelley and many others

        Type `help` to access the on-line reference manual.
        The gnuplot FAQ is available from http://www.gnuplot.info/faq/

        Send bug reports and suggestions to <http://sourceforge.net/projects/gnuplot>


Terminal type set to 'wxt'
gnuplot> pl "log.data" us 2:3,"exp1.data" us ($1+$2):($1*$2) 
gnuplot> 
</code>


Vamos terminar com uma aplicação real, o ajuste linear de um conjunto de pontos pelo método dos mínimos quadrados. Dado um conjunto de //N// pares //(x,y)//, como o do arquivo **exp1.data** que visualisamos com o gnuplot, podemos fazer um ajuste linear //y=ax+b// aos pontos onde (ver [[http://mathworld.wolfram.com/LeastSquaresFitting.html|aqui]] mais detalhes sobre o método]]

a={{:marcio:a_mq.gif|}}
b={{:marcio:b_mq.gif|}}


Vamos entrar com o arquivo de dados como parâmetro de entrada do programa através dos parâmetros argc e argv da funão main.

<code C>
#include<stdio.h>
#include<math.h>

#define MAXPOINTS 1000

int main(int argc, char *argv[]){
  int i,N;
  double x[MAXPOINTS],y[MAXPOINTS],sum_x,sum_x2,sum_y,sum_y2,
    sum_xy,a,b,yf,sxx,syy,sxy,s,error_a,error_b;
  char arq[100];
  FILE *in_ptr,*out_ptr;

  printf("Ajuste linear y=ax+b pelo metodo dos minimos quadrados\n");

  printf("Lendo arquivo %s\n",argv[1]);
  in_ptr=fopen(argv[1],"r");

  N=0;
  fscanf(in_ptr,"%lf %lf",&x[N],&y[N]);
  while(!feof(in_ptr)){
    N++;
    fscanf(in_ptr,"%lf %lf",&x[N],&y[N]);
  }
  printf("Arquivo contem %d pontos\n",N);

  sum_x=0.0;
  sum_x2=0.0;
  sum_y=0.0;
  sum_y2=0.0;
  sum_xy=0.0;

  for(i=0;i<N;i++){
    sum_x=sum_x + x[i];
    sum_x2=sum_x2 + (x[i]*x[i]);
    sum_y=sum_y + y[i];
    sum_y2=sum_y2 + (y[i]*y[i]);
    sum_xy=sum_xy + (x[i]*y[i]);
  }

  sxx = sum_x2*(double)N-sum_x*sum_x;
  syy = sum_y2*(double)N-sum_y*sum_y;
  sxy = sum_xy*(double)N-sum_x*sum_y;
  a = sxy/sxx;
  b = (sum_y*sum_x2 - sum_x*sum_xy)/(sum_x2*(double)N - sum_x*sum_x);

  s = sqrt((syy-b*sxy)/(double)(N-2));

  // Calculo do desvio padrao (estimativa de erro) dos parametros
  error_a=s*sqrt((1.0/(double)N) + (sum_x*sum_x/sum_x2));
  error_b=s/sqrt(sxx);

  printf("Valores encontrados: a=%lf(%lf) b=%lf(%lf)\n",a,b,error_a,error_b);
  sprintf(arq,"fit-N%d.data",N);
  out_ptr=fopen(arq,"w");

  for(i=0;i<N;i++){
    yf=a*x[i]+b;
    fprintf(out_ptr,"%lf %lf %lf\n",x[i],y[i],yf);
  }
  fclose(out_ptr);

  printf("Parametros encontrados: a=%lf, b=%lf\n",a,b);

  return(0);
}
</code>

Compile o programa least.c incluindo a biblioteca math.h
<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ gcc least.c -o least -lm -Wall
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ 
</code>

Rode o programa fornecendo o arquivo exp1.data como parâmetro de entrada

<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ ./least exp1.data
1.175494e-38 3.402823e+38 2.225074e-308 1.797693e+308
Ajuste linear y=ax+b pelo metodo dos minimos quadrados
Lendo arquivo exp1.data
Arquivo contem 10 pontos
Valores encontrados: a=1.024848(0.113333) b=27.950296(0.344970)
Parametros encontrados: a=1.024848, b=0.113333
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ 
</code>

Vamos usar novamente o gnuplot para conferir nosso resultado

<code>
marcio@pelego:~/cursos/escola2011$ gnuplot

	G N U P L O T
	Version 4.2 patchlevel 2 
	last modified 31 Aug 2007
	System: Linux 2.6.26-2-686

	Copyright (C) 1986 - 1993, 1998, 2004, 2007
	Thomas Williams, Colin Kelley and many others

	Type `help` to access the on-line reference manual.
	The gnuplot FAQ is available from http://www.gnuplot.info/faq/

	Send bug reports and suggestions to <http://sourceforge.net/projects/gnuplot>


Terminal type set to 'wxt'
gnuplot>  plot "fit-N10.data" with linespoints title "Data","" using 1:3 with lp with linespoints title "Best fit"
gnuplot> set key left
gnuplot> replot
gnuplot> set xlabel "t(s)"
gnuplot> set ylabel "v(cm/s)"
gnuplot> replot
gnuplot> set title "Ajuste pelo metodo dos minimos quadrados"
gnuplot> replot
</code>

{{:marcio:fit-n10.png?500|}}

<code>
gnuplot> f(x)=a*x+b
gnuplot> fit f(x) "fit-N10.data" using 1:2 via a,b


 Iteration 0
 WSSR        : 7.15              delta(WSSR)/WSSR   : 0
 delta(WSSR) : 0                 limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 4.4441

initial set of free parameter values

a               = 1
b               = 1
/

 Iteration 1
 WSSR        : 2.81548           delta(WSSR)/WSSR   : -1.53953
 delta(WSSR) : -4.33452          limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 0.44441

resultant parameter values

a               = 0.916407
b               = 0.902441
/

 Iteration 2
 WSSR        : 1.48391           delta(WSSR)/WSSR   : -0.897341
 delta(WSSR) : -1.33157          limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 0.044441

resultant parameter values

a               = 1.01511
b               = 0.181115
/

 Iteration 3
 WSSR        : 1.47406           delta(WSSR)/WSSR   : -0.00667955
 delta(WSSR) : -0.00984607       limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 0.0044441

resultant parameter values

a               = 1.02484
b               = 0.113397
/

 Iteration 4
 WSSR        : 1.47406           delta(WSSR)/WSSR   : -5.89824e-09
 delta(WSSR) : -8.69436e-09      limit for stopping : 1e-05
 lambda	  : 0.00044441

resultant parameter values

a               = 1.02485
b               = 0.113333

After 4 iterations the fit converged.
final sum of squares of residuals : 1.47406
rel. change during last iteration : -5.89824e-09

degrees of freedom    (FIT_NDF)                        : 8
rms of residuals      (FIT_STDFIT) = sqrt(WSSR/ndf)    : 0.429252
variance of residuals (reduced chisquare) = WSSR/ndf   : 0.184258

Final set of parameters            Asymptotic Standard Error
=======================            ==========================

a               = 1.02485          +/- 0.04726      (4.611%)
b               = 0.113333         +/- 0.2932       (258.7%)


correlation matrix of the fit parameters:

               a      b      
a               1.000 
b              -0.886  1.000 
gnuplot> 
</code>

Como era de se esperar, obtemos o mesmo resultado que no gnuplot! Confira os valores de //a// e //b// encontrados.

{{:marcio:fit-n10-gnp.png?500|}}

===== Discretização de derivadas: o pêndulo simples =====

Muitas leis Físicas são formuladas através de equações diferenciais: as equações de Maxwell do Eletromagnetismo, a segunda lei de Newton, a equação de Schrödinger, etc. 

{{:marcio:equations.png?500|}}

No entanto, operações no computador acontecem em tempos discretos, com a transmissao de pulsos elétricos a uma frequência da ordem de bilhões de pulsos por segundo nos computadores de hoje em dia. Como vimos antes, números reais também são armazenados com precisão finita, de modo que devemos inevitavelmente trabalhar com aproximações discretas para derivadas se quisermos utilizar o computador como uma ferramenta capaz de simular processos físicos. 

Vamos utilizar o método de Euler para discretizar a derivada de uma função ([[http://web.mit.edu/10.001/Web/Course_Notes/Differential_Equations_Notes/lec24.html|acesse o site de aulas do MIT]] para maiores detalhes sobre este e outros métodos mais precisos de discretização). Para exemplificar o método vamos resolver o problema de um pêndulo balístico que recebe o impacto de um corpo e adquire uma velocidade v<sub>0</sub>

{{:marcio:pendulo.jpg|}}


Decompomos a força gravitacional que atua no conjunto de massas após a colisão em componentes radial (ao longo da haste que segura os corpos) e tangencial e escrevemos\\
<latex>
\begin{eqnarray*}
F_{\theta}=ML\frac{d^2\theta}{dt^2}=-Mg \sin(\theta)
\end{eqnarray*}
</latex>

onde escrevemos \\
<latex>a_{\theta}=\frac{dv}{dt}=L\frac{d \theta}{dt}
</latex>

Eliminando a massa do problema obtemos a equação diferencial de segunda ordem\\
<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d^2 \theta(t)}{dt^2}+ \frac{g}{L} \times \sin(\theta(t))=0\\
\theta(0)=0~~e~~\frac{d \theta}{dt}_{t=0}=\frac{v_0}{L}
\end{eqnarray*}
</latex>

Tal equação não possui solução analítica fechada, mas para pequenas velocidades, que correspondem a pequena amplitude angular dada por\\

<latex>
\begin{eqnarray*}
cos(\theta_{max})=\frac{L-v^2/2g}{L}
\end{eqnarray*}
</latex>


podemos fazer a aproximação <latex>sin(\theta)\approx \theta</latex> e encontrar a solução do problema para pequenas oscilações\\
<latex>
\begin{eqnarray*}
\theta(t)&=&\theta_A sin\left(\sqrt{\frac{g}{L}}t\right)\\
\theta(0)&=&0,~~~\frac{d\theta}{dt}=\frac{v_0}{L}\\
\theta_A&=&\frac{v_0}{\sqrt{gL}}
\end{eqnarray*}
</latex>

=== O método de Euler ===

Apesar de não possuir solução analítica, podemos determinar a evolução do pêndulo de maneira aproximada através da discretização da derivada <latex>d\theta/dt</latex>. O método de Euler consiste essencialmente em substituir a tangente no ponto t de uma curva <latex>\theta(t)</latex> (derivada no ponto) pela secante\\

{{:marcio:derivative.png|}}

e identificamos h com a discretização da derivada, <latex>h \ll 1</latex>. 

<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d\theta(t+h/2)}{dt}\approx \frac{\theta(t+h)-\theta(t)}{h}
\end{eqnarray*}
</latex>


A precisão do método é dada pelo tamanho do passo h de discretização ([[http://web.mit.edu/10.001/Web/Course_Notes/Differential_Equations_Notes/lec24.html|acesse o site de aulas do MIT]] para maiores detalhes sobre este e outros métodos mais precisos de discretização).

Assim, calculamos 

<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d\theta(t+h/2)}{dt}\approx \frac{\theta(t+h)-\theta(t)}{h}
\end{eqnarray*}
</latex>

e

<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d\theta(t-h/2)}{dt}\approx \frac{\theta(t)-\theta(t-h)}{h}
\end{eqnarray*}
</latex>

A derivada segunda nada mais é do que a derivada da derivada

<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d^2\theta(t)}{dt^2}\approx \frac{\frac{d\theta(t+h/2)}{dt}-\frac{d\theta(t-h/2)}{dt}}{h}
\end{eqnarray*}
</latex>


que obtemos usando as expressões encontradas para a derivada primeira, 
<latex>
\begin{eqnarray*}
\frac{d^2\theta(t)}{dt^2}\approx \frac{\theta(t+h)-2\theta(t)+\theta(t-h)}{h^2}
\end{eqnarray*}
</latex>

Obtemos finalmente a equação de diferenças

<latex>
\begin{eqnarray*}
\theta(t+h)\approx 2\theta(t) - \frac{g}{L}sin\left(\theta(t)\right)h^2 -\theta(t-h)
\end{eqnarray*}
</latex>


Assim, sendo h o tamanho do passo de iteração, escrevemos os valores <latex>(\theta(0),\theta(h),\theta(2h),...)</latex>  como <latex>(\theta_0,\theta_1,\theta_2,...)</latex> e
reescrevemos a equação acima como

<latex>
\begin{eqnarray*}
\theta_{n+1}\approx 2\theta_{n} - \frac{g}{L}sin\left(\theta_n\right)h^2 -\theta_{n-1}
\end{eqnarray*}
</latex>

com 

<latex>
\begin{eqnarray*}
\theta_0&=&0\\
\frac{d\theta}{dt}|_{t=0}&\approx& \frac{\theta_1}{h}=\frac{v_0}{L}
\end{eqnarray*}
</latex>

O código abaixo implementa este método, com o qual podemos fazer um estudo da dependência do período do pêndulo com a amplitude de oscilação.

<code C>
#include<stdio.h>
#include<math.h>

#define PI 3.14159265

int main(void){

  double theta,theta_ant,theta_ant2,theta_teo,theta_max,v_teo,
    ampl,v,g,L,t,dt,dt2,tf,gl,w,vmax;
  unsigned long n,nmax;
  char fname[100];
  FILE *fout;

  printf("###### Calculo da trajetoria do pendulo simples #####\n");

  printf("Comprimento do fio (cm): ");
  scanf("%lf",&L);
  printf("Aceleracao da gravidade (cm/s^2): ");
  scanf("%lf",&g);
// Com essa velocidade o pêndulo alcança a posição horizontal
  vmax=sqrt(2.0*g*L); 
  do{
    printf("Velocidade incial deve ser menor que %lf\n",vmax);
    printf("Velocidade inicial (cm/seg): ");
    scanf("%lf",&v);
    if(v>vmax){
      printf("Com esta velocidade o angulo maximo eh maior que 45 graus!\n");
    }
  }while(v>vmax);
  theta_max=acos((L-v*v/(2.0*g))/L)*180.0/3.14;
  printf("Angulo maximo atingido=%lf graus\n",theta_max);
  printf("Tempo de simulacao (segundos): ");
  scanf("%lf",&tf);
  printf("Discretizacao (dt) do tempo: ");
  scanf("%lf",&dt);
  
  // Pendulo inicialmente parado recebe impulso
  // que o faz adquirir velocidade inicial v
  theta_ant2=0.0; 
  theta_ant=(v/L)*dt; // Evolucao de um passo (met. de Euler)
  gl=g/L;
  dt2=dt*dt;
  ampl=v/sqrt(g*L);
  w=sqrt(g/L);

  // Grava arquivo e inclui no nome
  // Comprimento do fio L  (com 2 casas decimais)
  // Velocidade inicial vi (com 1 casa decimal)
  // Acel. da gravidade g  (com 1 casa decimal)
  // Discretizacao dt      (com 4 casas decimais)
  sprintf(fname,"theta-L%.2lf-vi%.1lf-g%.1lf-dt%.4lf.out",L,v,g,dt);
  fout=fopen(fname,"w");

  // dt=(tf-t0)/nmax
  // tf=t0+nmax*dt com t0=0
  nmax=(unsigned long)(tf/dt); // numero de passos até atingir tf
  for(n=0;n<nmax;n++){
    theta=2.0*theta_ant-gl*dt2*sin(theta_ant)-theta_ant2;

 // Velocidade linear em cm/s no instante theta_ant
    v=L*(theta-theta_ant2)/dt;

    theta_ant2=theta_ant;
    theta_ant=theta;
  
    t=((double)n)*dt; // tempo em segundos
    theta_teo=(180.0/PI)*ampl*sin(w*t); // Solucao para pequenos angulos
    v_teo=L*ampl*w*cos(w*t); // Solucao para pequenos angulos
    // imprimindo angulo em graus e velocidade em cm/s
    fprintf(fout,"%lf %lf %lf %lf %lf %lf\n",
	    t,theta*(180.0/PI),theta_ant*(180.0/PI),v,theta_teo,v_teo); 
  }
  fclose(fout);
  printf("Dados salvos em %s\n",fname);
  return(0);
}
</code>

Compilamos este programa com chamada para a biblioteca matemática //-lm//. Como estamos aumentando a complexidade do problema, que envolve mais operações a serem feitas pelo processador, é bom pensarmos em otimização do código. No compilador gcc existem algumas flags que habilitam algumas otimizações feitas pelo compilador (como replicar o código N vezes e remover o loop //for// que seria realizado N vezes, evitando assim o teste condicional da variável envolvida em cada iteração do loop //for//). Vamos utilizar a flag -O3 (//man gcc// para saber mais).

<code>
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ gcc -O6 -o pendulum pendulum.c -lm -Wall
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ 
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ ./pendulum 
###### Calculo da trajetoria do pendulo simples #####
Comprimento do fio (cm): 20.0
Aceleracao da gravidade (cm/s^2): 980.0
Velocidade incial deve ser menor que 197.989899
Velocidade inicial (cm/seg): 20.0
Angulo maximo atingido=8.196243 graus
Tempo de simulacao (segundos): 10.0
Discretizacao (dt) do tempo: 0.001
Dados salvos em theta-L20.00-vi20.0-g980.0-dt0.0010.out
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ 
</code>

Usaremos o gnuplot para analisar os resultados. Utilizaremos mais uma funcionalidade do gnuplot: a capacidade de utilização de fontes gregas (com o comando {/Symbol <TEXTO>}) e subscrito (com underscore _). Gravaremos a imagem no formato postscript, que é o mais apropriado para se exportar para artigos científicos escritos no formato [[http://www.latex-project.org/|latex]] (é essencial colocar a saída no formato enhanced!).

<code>
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ gnuplot

	G N U P L O T
	Version 4.2 patchlevel 2 
	last modified 31 Aug 2007
	System: Linux 2.6.26-2-686

	Copyright (C) 1986 - 1993, 1998, 2004, 2007
	Thomas Williams, Colin Kelley and many others

	Type `help` to access the on-line reference manual.
	The gnuplot FAQ is available from http://www.gnuplot.info/faq/

	Send bug reports and suggestions to <http://sourceforge.net/projects/gnuplot>


Terminal type set to 'wxt'
gnuplot> set yrange[-5:10] 
gnuplot> se title " Pendulo balistico \n Velocidade inicial v_0=10 cm/s --> {/Symbol q}_{max}=4.10"
gnuplot> set xlabel "t(s)"
gnuplot> se yl "{/Symbol q}(graus)"      
gnuplot> plot "theta-L20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.out" using 1:2 with linespoints title "Solucao numerica","" us 1:5 with linespoints plot "theta-L20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.out" using 1:2 with linespoints title "Solucao numerica","" us 1:5 with linespoints title "Ap us 1:5 with lines title "Aprox. de pequenos angulos",acos((20-10*10/(2.0*980))/20.0)*180.0/3.14 title "Angulo maximo" 
gnuplot> save  "theta-L20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.gnp" 
gnuplot> set terminal postscript enhanced color         
Terminal type set to 'postscript'
Options are 'landscape enhanced defaultplex \
   leveldefault color colortext \
   dashed dashlength 1.0 linewidth 1.0 butt \
   palfuncparam 2000,0.003 \
   "Helvetica" 14 '
gnuplot> set output  "theta-L20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.ps" 
gnuplot> replot
gnuplot> set terminal wxt
Terminal type set to 'wxt'
Options are '0'
gnuplot> quit
</code>

Plotamos também nesse gráfico a amplitude de oscilação <latex>\theta_{max}=cos^{-1}\left(\frac{L-v^2/2g}{L}\right)</latex>

Podemos ver nossa figura com o programa //evince//
<code>
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ evince compare_pendulum.ps 
marcio@pelego:~/cursos/semana2011$ 
</code>

Vemos que a solução numérica coincide perfeitamente com a aproximação analítica para pequenos ângulos para baixas velocidades iniciais.

{{:marcio:theta-l20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.ps.png?550|}}


Aumentando a velocidade inicial de 10 cm/s para 50 cm/s percebemos um ligeiro aumento do período de oscilação.

{{:marcio:theta-l20.00-vi50.0-g980.0-dt0.0010.ps.png?550|}}

Aumentando ainda mais a velocidade inicial a discrepância cresce visivelmente, indicando um aumento significativo do período.

{{:marcio:theta-l20.00-vi100.0-g980.0-dt0.0010.ps.png?550|}}


O que acontece com o movimento do pêndulo na Lua? Para uma mesma velocidade de impacto com uma massa menor, o sistema se move inicialmente com a mesma velocidade, tanto na Terra quanto na Lua (pois isso só depende da validade da hipótese de conservação da energia). Qual o movimento resultante? A amplitude angular muda? E o período de oscilação? Pela solução do problema vemos que ambos devem mudar.\\

{{:marcio:compare_pendulum5.png?550|}}
  

<code>**Desafio**: 
Implemente uma força de atrito dependente da velocidade. 
Voce consegue analisar o decaimento exponencial da amplitude angular com o tempo?**</code>

{{:marcio:pendulum_arrasto.png?550|}}


=== Publicação do resultado ===

Para publicar nosso resultado em um formato livre, independente de máquina e com qualidade de revista, utilizamos o  [[http://www.latex-project.org/|Latex]]. Um exemplo de como escrever um código latex segue abaixo (voce pode utilizar qualquer editor para escrever o código)

<code latex>
\documentclass[12pt]{article}
\usepackage{graphicx}% Include figure files

\begin{document}

%% Exemplo de um arquivo latex
%% Os comandos parecem razoavelmente auto-explicativos
%%%%%%%%%%%%

\title{An\'alise num\'erica do p\^endulo simples}
\author{Marcio Argollo de Menezes\\Instituto de F\'{\i}sica,
  Universidade Federal Fluminense, Niter\'oi, RJ, Brasil.}

\maketitle

\begin{abstract}
\noindent
Utilizaremos o m\'etodo de Euler para discretizar a equa\c{c}\~ao de
movimento do p\^endulo simples em um campo gravitacional constante.
\end{abstract}

% Repare nas sequencias especiais para colocar acentuacao nas palavras

\section{Introdu\c{c}\~ao}

Vamos resolver numericamente o problema de um p\^endulo bal\'{\i}stico
que recebe o impacto de um corpo e adquire uma velocidade $v_0$. Este
problema possui solu\c{c}\~ao aproximada apenas no caso de pequenas
oscila\c{c}\~oes. Para resolver numericamente o problema usamos o
m\'etodo de Euler e escrevemos


\begin{eqnarray*}
\frac{d^2 \theta(t)}{dt^2}+ \frac{g}{L} \times \sin(\theta(t))=0 \\
\theta(0)=0~~e~~\frac{d \theta}{dt}_{t=0}=\frac{v_0}{L}
\end{eqnarray*}

como

\begin{eqnarray*}
\theta_{n+1}\approx 2\theta_{n} - \frac{g}{L}sin\left(\theta_n\right)h^2 -\theta_{n-1}
\end{eqnarray*}

Onde $h$ \'e o tamanho da discretiza\c{c}\~ao do intervalo, que
fazemos ir a zero na defini\c{c}\~ao de derivada.

\begin{figure}[!htbp]
\begin{center}
\includegraphics[width=0.8\columnwidth,angle=0]{theta-l20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.ps}
\end{center}
\caption{O problema do p\^endulo bal\'{\i}stico, solu\c{c}\~ao num\'erica.}
\label{fig_sol}
\end{figure}


\begin{thebibliography}{40}

\bibitem{mit} Acesse o site de aulas do MIT
  (http://web.mit.edu/10.001/Web/
Course\_notes/Differential\_Equations\_Notes/lec24.html)
  para maiores detalhes sobre este e outros métodos mais precisos de
  discretização

\end{thebibliography}

\end{document}
</code>

Para transformar esse código em uma imagem de texto com figuras utilizamos o comando latex no terminal
<code>
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ latex template.tex
This is pdfTeX, Version 3.1415926-1.40.10 (TeX Live 2011/Arch Linux)
 restricted \write18 enabled.
entering extended mode
(./template.tex
LaTeX2e <2005/12/01>
Babel <v3.8l> and hyphenation patterns for english, usenglishmax, dumylang, noh
yphenation, german-x-2011-06-19, ngerman-x-2011-06-19, ancientgreek, ibycus, ar
abic, basque, bulgarian, catalan, pinyin, coptic, croatian, czech, danish, dutc
h, esperanto, estonian, farsi, finnish, french, galician, german, ngerman, mono
greek, greek, hungarian, icelandic, indonesian, interlingua, irish, italian, ku
rmanji, latin, latvian, lithuanian, mongolian, mongolian2a, bokmal, nynorsk, po
lish, portuguese, romanian, russian, sanskrit, serbian, slovak, slovenian, span
ish, swedish, turkish, ukenglish, ukrainian, uppersorbian, welsh, loaded.
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/base/article.cls
Document Class: article 2005/09/16 v1.4f Standard LaTeX document class
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/base/size12.clo))
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/graphics/graphicx.sty
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/graphics/keyval.sty)
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/graphics/graphics.sty
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/graphics/trig.sty)
(/usr/share/texmf/tex/latex/config/graphics.cfg)
(/usr/share/texmf-dist/tex/latex/graphics/dvips.def))) (./template.aux)
Overfull \hbox (73.9477pt too wide) in paragraph at lines 11--11
 [][] 
<theta-l20.00-vi10.0-g980.0-dt0.0010.ps>
Underfull \hbox (badness 1087) in paragraph at lines 54--59
[]\OT1/cmr/m/n/12 Acesse o site de aulas do MIT (http://web.mit.edu/10.001/Web/


Underfull \hbox (badness 4940) in paragraph at lines 54--59
\OT1/cmr/m/n/12 Course[]notes/Differential[]Equations[]Notes/lec24.html) para m
aiores
[1] [2] (./template.aux) )
(see the transcript file for additional information)
Output written on template.dvi (2 pages, 3064 bytes).
Transcript written on template.log.
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ 
</code>

Eventualmente o latex pode pedir para voce executar o comando de novo.\\ 
<code>
LaTeX Warning: Label(s) may have changed. Rerun to get cross-references right.
</code>

Isso acontece, por exemplo, quando há referências a figuras ou tabelas no texto (Para saber mais leia [[http://www.mat.ufmg.br/~regi/topicos/intlat.html|esse]] ou [[http://archive.gpfreitas.com/software/tutorials/pt-br/latex_intro/|esse]] tutorial. Para saber mais sobre como escrever equações no Latex acesse [[http://web.ift.uib.no/Teori/KURS/WRK/TeX/symALL.html|esse site]]).

Após esse comando o Latex irá gerar (entre outros) um arquivo no formato DVI. Podemos utilizar o comando //xdvi// para visualizar esse arquivo
<code>
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ xdvi template.dvi &
[2] 28175
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ 
</code>

Mas o melhor é gerar um arquivo PDF
<code>
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ dvipdf template.dvi
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ 
</code>

e ver a figura com o //evince// ou //acroread//
<code>
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ evince template.pdf &
[3] 28205
marcio@tsallis:~/cursos/semana2011$ 
</code>
===========================================

{{:marcio:newton1.jpg?350|}}