[PDF] Informatique et sciences du numérique

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Gilles Dowek

Jean-Pierre Archambault, Emmanuel Baccelli, Claudio Cimelli, Albert Cohen, Christine Eisenbeis, Thierry Viéville et Benjamin Wack Avec la contribution de Hugues Bersini et de Guillaume Le Blanc Préface de Gérard Berry, professeur au Collège de France

Informatique

et sciencesdu numérique

Manuel de spécialité ISN en terminale

Avec des exercices corrigés

et des idées de projets

Édition

spéciale Python !

Édition

spéciale Python ! Enfin un véritable manuel dinformatique pour les lycéens et leurs professeurs !

Les quatre concepts de machine, dinformation, dalgorithme et de langage sont au coeur de linformatique, et lobjet de ce

cours est de montrer comment ils fonctionnent ensemble. En première partie, nous apprendrons à écrire des programmes,

en découvrant les ingrédients qui les constituent : l"affectation, la séquence et le test, les boucles, les types, les fonctions et

les fonctions récursives. Dans la deuxième partie, on verra comment représenter les informationsque lon veut communi-

quer, les stocker et les transformer " textes, nombres, images et sons. On apprendra également à structurer et compresser

de grandes quantités d"informations, à les protéger par le chiffrement. On verra ensuite que derrière les informations, il y a

toujours des objets matériels : ordinateurs, réseaux, robots, etc., qui font partie de notre quotidien. Enfin, on sinitiera à

des savoir-faire utiles au XXI e siècle : ajouter des nombres exprimés en base deux, dessiner, retrouver une information par dichotomie, trier des informations et parcourir des graphes.

Ce cours comporte des chapitres élémentaires et avancés. Chacun contient une partie de cours, des sections de savoir-faire

qui permettent d"acquérir les capacités essentielles, et des exercices, notés difficiles pour certains, avec corrigé lorsque

nécessaire.

À qui sadresse ce livre ?

Ce manuel de cours est destiné aux élèves de terminale ayant choisi la spécialité Informatique et sciences du numérique au

lycée ; il s"appuie sur le langage de programmation Python (version 3). Il sera également lu avec profit par tous les profes-

sionnels de l"informatique, qu"ils soient autodidactes ou non.

Au sommaire

LANGAGES€ Les ingrédients des programmes€ Modifier, comprendre, écrire et tester un programme € Instructions et

expressions € Opérations € Indenter un programme € Boucles€ Boucles for et while € Imbriquer deux boucles € Non-termi-

naison € Commenter un programme € Types€ Types de base € Tableaux (listes) € Chaînes de caractères € Les fonctions€

Isoler une instruction € Passer des arguments € Récupérer une valeur € La récursivité€ Fonctions qui appellent des fonc-

tions € Fonctions qui s"appellent elles-mêmes € La notion de langage formel€ Grammaire et sémantique € REPRÉSENTER

L"INFORMATION€ Nombres entiers et à virgule€ Compter en base n€ Caractères et textes€ ASCII binaire € Écrire une page

en HTML € Images et sons€ Numériser une image € Notion de format € Tailles de fichier € Fonctions boléennes€ Fonctions

non,et, ou€ Structurer l"information€ Persistance des données € Notion de fichier € Organiser des fichiers en une arbo-

rescence € Liens et hypertextes € Hypermnésie € Compresser, corriger, chiffrer€ MACHINES€ Portes boléennes€ Temps et

mémoire€ Organisation d"un ordinateur€ Réseaux€ Protocoles € Couches € Trouver les adresses MAC et IP € Déterminer le

chemin suivi par l"information € Régulation du réseau global € Robots€ Composants d"un robot € Programmer un robot €

ALGORITHMES€ Ajouter deux nombres exprimés en base deux€ Dessiner€ Formats d"images € Transformer les images €

Dichotomie€ Recherche en table € Conversion analogique-numérique € Trouver le zéro d"une fonction € Trier€ Tri par sélec-

tion et par fusion € Efficacité des algorithmes € Parcourir un graphe€ États et transitions € Idées de projets.

Module ISN et codes sources

(Python, C, C++,Java, Java"s Cool,

JavaScript, OCaml) disponibles sur

la fiche du livre sur www.editions-eyrolles.com

Gilles Dowekest chercheur Inria, ses travaux portent sur les liens entre le calcul et le raisonnement. Il est lauréat du Grand

prix de philosophie de l"Académie française pour son livre Les Métamorphoses du Calcul.

Jean-Pierre Archambaultest professeur agrégé de mathématiques et président de lassociation Enseignement public et

informatique (EPI). Claudio Cimelliest inspecteur dacadémie, inspecteur pédagogique régional en Sciences et techniques

industrielles (STI) et conseiller TICE (technologies de l"information et de la communication pour l"enseignement) du recteur

de Créteil. Benjamin Wackest docteur en informatique et professeur agrégé de mathématiques. Emmanuel Baccelli, Albert

Cohen, Christine Eisenbeiset Thierry Viévillesont docteurs en informatique et chercheurs Inria. Leurs travaux respectifs

portent sur les réseaux, la construction de programmes effectuant des milliers de calculs en parallèle, les limites physiques

du calcul et la simulation du cerveau. Avec la contribution de Hugues Bersiniet Guillaume Le Blanc.

Code article : G13676

ISBN : 978-2-212-13676-0

Ouvrage publiŽ avec le concours

de lÕEPI, la SIF et Inria.

Informatique

et sciencesdu numérique

Spécialité ISN en terminale S

Avec des exercices corrigés

et idées de projets dowek2013 titre 5/07/13 11:03 Page 2

DANS LA MÊME COLLECTION

CHEZ LE MÊME ÉDITEUR

pII_Dowek-ISN.indd 105/07/13 09:48

Gilles Dowek

Jean-Pierre Archambault, Emmanuel Baccelli, Claudio Cimelli, Albert Cohen, Christine Eisenbeis, Thierry Viéville et Benjamin Wack Avec la contribution de Hugues Bersini et de Guillaume Le Blanc Préface de Gérard Berry, professeur au Collège de France

Informatique

et sciencesdu numérique

Spécialité ISN en terminale S

Avec des exercices corrigés

et idées de projets dowek2013 titre 5/07/13 11:03 Page 1

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support

que ce soit, sans l"autorisation de l"Éditeur ou du Centre Français d"exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.

© Groupe Eyrolles, 201, ISBN : 978-2-212-13676-0

ÉDITIONS EYROLLES

61, bd Saint-Germain

75240 Paris Cedex 05

www.editions-eyrolles.com

Ouvrage publié avec le concours

de l"association EPI - Enseignement Public et Informatique, de la SIF - Société Informatique de France, et de l"lnstitut public de recherche en sciences du numérique - Inria. Remerciements à Anne Bougnoux (relecture) et Gaël Thomas (maquette),

ainsi qu"à Raphaël Hertzog, Pierre Néron, Christine Paulin, Grégoire Péan, Jonathan Protzenko

et Dominique Quatravaux pour leurs témoignages.

Merci à Randall Munroe du site XKCD pour les dessins d"ouverture de partie adaptés de l"anglais

ainsi qu"à Rémi Cieplicki de www.DansTonChat.com pour nous avoir autorisés à utiliser leur logo.

Illustrations de Camille Vorng (cactus, boîtes, arborescences),

Laurène Gibaud et Bernard Sullerot (circuits logiques, opérations binaires, schémas, labyrinthes)

Photographies d"ouvertures de chapitres

Alan Turing (aimable autorisation de la Sherborne School, merci à Rachel Hassall), John Backus (PIerre.Lescanne, CC-BY-SA-3.0), Grace Hopper (James S. Davis, domaine public),

Gilles Kahn (marcstephanegoldberg - Flickr), Gordon Plotkin (merci à lui d"avoir accepté de nous fournir une photographie),

John McCarthy (null0 - Flickr, CC BY 2.0), Robin Milner (http://www.cl.cam.ac.uk/archive/rm135/),

Dana Scott (Andrej Bauer -http://andrej.com/mathematicians), Claude Shannon (Tekniska museet - Flickr, CC BY-SA 2.0),

Tim Berners-Lee (Paul Clarke, CC-BY-2.0), Ronald Rivest (carback1, CC BY 2.0),

Adi Shamir (Ira Abramov de Even Yehuda, Israel, CC-BY-SA-2.0), Len Adleman (len adlmen, CC-BY-SA-3.0),

Frances Allen (Rama, CC-BY-SA-2.0-fr), John Von Neumann (LANL, domaine public),

Vinton Cerf et Robert Kahn (Paul Morse, domaine public), Ada Lovelace (Alfred Edward Chalon, domaine public),

Ivan Sutherland (Dick Lyon, CC-BY-SA-3.0), Donald Knuth (Jacob Appelbaum, CC-BY-SA-2.5), Philippe Flajolet (Luc Devroye, CC-BY-SA-3.0), Joseph Sifakis (Rama, CC-BY-SA-2.0-fr),

Christopher Strachey (http://www.rutherfordjournal.org/article040101.html), Gottlob Frege (inconnu, domaine public),

Muhammad al-Khwarizmi et Samuel Morse (inconnu, domaine public),

Thomas Flowers (http://www.ithistory.org/honor_roll/fame-detail.php?recordID=444 - merci à l"équipe de IT History pour leur

aimable autorisation), Otto Schmitt (http://160.94.102.47/index.htm), Norbert Wiener (Konrad Jacobs, CC-BY-SA-2.0-de)

Autres images

Qui est-ce est un jeu développé par la société Theora Design (http://theoradesign.com) et distribué en France par MB (Idées de projets)

La Joconde, tableau de Léonard de Vinci (chapitre 19) et L'Annonciation, tableau de Sandro Botticelli (chapitre 19)

Thyroïdectomie assistée par un robot : CHU de Nîmes (http://www.chu-nimes.fr/espace-presse-galerie-photos.html) (chapitre 17)

Robot mOway : http://www.moway-robot.com, http://www.adrirobot.it/moway/moway_circuito.htm (chapitre 17)

Copyright_Dowek.indd 105/07/13 09:56

3 L'année 2012 a vu l'entrée de l'informatique en tant qu'enseignement de spécialité en classe de terminale scientifique. Cette entrée devenait urgente, car l'informatique est

désormais partout. Créée dans les années 1950 grâce à une collaboration entre élec-

troniciens, mathématiciens et logiciens (ces derniers en ayant posé les bases dès

1935), elle n'a cessé d'accélérer son mouvement depuis, envahissant successivement

l'industrie, les télécommunications, les transports, le commerce, l'administration, la diffusion des connaissances, les loisirs, et maintenant les sciences, la médecine et l'art, tout cela en créant de nouvelles formes de communication et de relations sociales. Les objets informatiques sont maintenant par milliards et de toutes tailles, allant du giga-ordinateur équipé de centaines de milliers de processeurs aux micro- puces des cartes bancaires ou des prothèses cardiaques et auditives, en passant par les PC, les tablettes et smartphones, les appareils photos, ou encore les ordinateurs qui conduisent et contrôlent les trains, les avions et bientôt les voitures. Tous fonction- nent grâce à la conjonction de puces électroniques et de logiciels, objets immatériels qui décrivent très précisément ce que vont faire ces appareils électroniques. Au XXIe siècle, la maîtrise du traitement de l'information est devenue aussi importante que celle de l'énergie dans les siècles précédents, et l'informatique au sens large est devenue un des plus grands bassins d'emploi à travers le monde. Cela implique que de nombreux lycéens actuels participeront à son essor dans l'avenir. Ces jeunes lycéens sont bien sûr très familiers avec les appareils informatisés. Mais ce n'est pas pour cela qu'ils en comprennent le fonctionnement, même sur des plans élé- mentaires pour certains. Une opinion encore fort répandue est qu'il n'y a pas besoin de comprendre ce fonctionnement, et qu'il suffit d'apprendre l'usage des appareils et

Préface

Informatique et sciences du numérique

© Groupe Eyrolles, 2013

VI logiciels. À l'analyse, cette opinion apparemment naturelle s'avère tout à fait sim- pliste, avec des conséquences néfastes qu'il faut étudier de près. Pour faire un paral- lèle avec une autre discipline, on enseigne la physique car elle est indispensable à la compréhension de la nature de façon générale, et aussi de façon plus spécifique au travail de tout ingénieur et de tout scientifique, c'est-à-dire aux débouchés naturels de beaucoup d'élèves de terminale scientifique. Mais qui penserait qu'il suffit de passer le permis de conduire pour comprendre la physique d'un moteur ou la méca- nique une voiture ? Or, nous sommes tous autant confrontés à l'informatique qu'à la physique, même si elle ne représente pas un phénomène naturel préexistant ; comme pour la physique, les ingénieurs et scientifiques devront y être au moins autant créa- teurs que consommateurs. Pour être plus précis, sous peine de ne rester que des con- sommateurs serviles de ce qui se crée ailleurs, il est indispensable pour notre futur de former au coeur conceptuel et technique de l'informatique tout élève dont le travail

technique sera relié à l'utilisation avancée ou à la création de l'informatique du pré-

sent ou du futur. Il est donc bien naturel que la nouvelle formation à l'informatique s'inaugure en terminale scientifique. Mais elle devra immanquablement ensuite être élargie à d'autres classes, car tout élève sera concerné en tant que futur citoyen. Pour être efficace, toute formation scolaire demande un support adéquat. Ce premier livre va jouer ce rôle pour l'informatique, en présentant de façon pédagogique les quatre composantes scientifiques et techniques centrales de son coeur scientifique et technique : langages de programmation, numérisation de l'information, machines et réseaux, et algorithmes. Il a été écrit par des chercheurs et enseignants confirmés, tous profondément intéressés par le fait que les élèves comprennent, assimilent et apprécient les concepts et techniques présentées. Il insiste bien sur deux points

essentiels : le fait que ces quatre composantes sont tout à fait génériques, c'est-à-dire

valables pour tous les types d'applications, des méga-calculs nécessaires pour étudier l'évolution du climat aux calculs légers et rapides à effectuer dans les micro-puces enfouies partout, et le fait que les concepts associés resteront valables dans le temps. En effet, si les applications de l'informatique évoluent très vite, son coeur conceptuel reste très stable, au moins au niveau approprié pour la terminale scientifique. L'ensei-

gner de façon adéquate est nécessaire autant à la compréhension des bases qu'à tout

approfondissement ultérieur. À n'en pas douter, cet ouvrage y contribuera.

Gérard Berry, directeur de recherche Inria

Professeur au Collège de France,

Membre de l'Académie des sciences, de l'Académie des technologies, et de l'Academia Europaea

Table des matières

Structure de l'ouvrage 3

Parcours possibles 4

Remerciements 5

PREMIÈRE PARTIE

1. LES INGRÉDIENTS DES PROGRAMMES.................9

Un premier programme 11

La description du programme 13

SAVOIR-FAIRE Modifier un programme existant

pour obtenir un résultat différent 15

Les ingrédients d'un programme 16

SAVOIR-FAIRE Initialiser les variables 20

SAVOIR-FAIRE Comprendre un programme

et expliquer ce qu'il fait 20

SAVOIR-FAIRE Écrire un programme 21

SAVOIR-FAIRE Mettre un programme

au point en le testant 22

Les instructions et les expressions 23

Les opérations 24

L'indentation 27

Ai-je bien compris ? 29

2. LES BOUCLES................................................31

La boucle for 32

SAVOIR-FAIRE Écrire un programme utilisant

une boucle for 34

SAVOIR-FAIRE Imbriquer deux boucles 35

La boucle while 37

SAVOIR-FAIRE Écrire un programme utilisant

une boucle while 38

SAVOIR-FAIRE Commenter un programme 39

La non-terminaison 40

La boucle for, cas particulier de la boucle while 40

SAVOIR-FAIRE Choisir entre une boucle for

et la boucle while pour écrire un programme 42

Ai-je bien compris ? 45

3. LES TYPES....................................................47

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