Codice insegnamento

4S009834

Docente

Zsuzsanna Liptak

Coordinatore

Zsuzsanna Liptak

Crediti

6

Lingua di erogazione

Inglese

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

INF/01 - INFORMATICA

Periodo

Primo semestre dal 3 ott 2022 al 27 gen 2023.

Orario Lezioni Moodle Seminari 0

Obiettivi di apprendimento

Il corso mira a far conoscere agli studenti le principali strutture dati avanzati per l'analisi di sequenze genomiche ed in generale di dati testuali. Conoscenza e capacità di comprensione Fornire le conoscenze e le competenze necessarie per la comprensione dei parametri fondamentali nel campo di algoritmi su sequenze, delle soluzioni a problemi tipici di analisi di dati genomici usando diverse strutture dati avanzati su sequenze, insieme all'analisi dei costi computazionali (spazio e tempo) di tali soluzioni. Conoscenze applicate e capacità di comprensione Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di saper tradurre tipici problemi di analisi di sequenze genomiche in operazioni e algoritmi su indici testuali e valutarne il costo computazionale. Autonomia di giudizio Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di saper giudicare se un algoritmo o una struttura dati per un dato problema su sequenze genomiche sono adatti o meno, incluso la valutazione del costo computazionale. Abilità comunicative Alla fine del corso lo studente sarà in grado di formalizzare correttamente degli algoritmi su sequenze con o senza l'uso delle strutture dati avanzate. Capacità di apprendere Alla fine del corso lo studente sarà in grado di leggere e comprendere autonomamente articoli scientifici e testi specialistici che utilizzano strutture dati avanzate per l'analisi di dati testuali.

Prerequisiti e nozioni di base

Algoritmi e strutture dati. Non sono necessarie conoscenze di biologia per seguire il corso.

Programma

Nel recente avanzamento notevole della ricerca in biologia computazionale, l'uso delle strutture dati per sequenze genomiche e altre sequenze biologiche, e' stato fondamentale. Inoltre i metodi si applicano anche a tutti gli altri tipi di dati testuali.
L'esplosione della quantità di dati a nostra disposizione ("big data") presenta una delle sfide più importanti in informatica oggi. Tanti di questi dati sono di carattere testuale (o facilmente si possono presentare in forma testuale): sequenze genomiche o di altri tipi provenienti dalla biologia computazionale; pagine web / web crawl data; grandi quantità di posta elettronica; libri scannerizzati; dati musicali; ecc. Per poter memorizzare ed elaborare questi dati, ma sopratutto per poter estrarne informazioni utili, abbiamo bisogno di strutture dati e algoritmi dedicati, cioè sviluppati specificamente per applicazioni su dati testuali di grandi dimensioni, cosidetti "indici testuali" (text indices).
Programma del corso:
1) introduzione alle stringhe (sequenze), le loro proprietà e delle questioni fondamentali al riguardo: dimensione dell'alfabeto, confronto dei caratteri, ordinamento delle stringhe
2) algoritmi classici di pattern matching non basati su indici: Knuth-Morris-Pratt, Boyer-Moore, Rabin-Karp, Aho-Corasick
3) Strutture dati per stringhe I:
- tries
- suffix trees
4) Strutture dati per stringhe II:
- suffix arrays, enhanced suffix arrays
- Burrows-Wheeler Transform (BWT), FM-index
Per ognuna delle strutture dati, studieremo le loro caratteristiche, algoritmi di costruzione efficienti ed applicazioni ai problemi specifici.
Non sono necessarie conoscenze di biologia per seguire il corso.

Bibliografia

Modalità didattiche

Lezioni frontali, esercitazioni, compiti a casa con discussione in classe. In situazioni speciali si può chiedere l'accesso allo streaming.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame finale: scritto e orale. Nello scritto saranno richieste sia proprieta' degli algoritmi e strutture dati studiati (per es. tempo e spazio richiesti), sia di applicarli su esempi concreti. Nell'orale saranno approfondite le domande dello scritto, tale che lo studente possa dimostrare le sue conoscenze.

Non è previsto un esame specifico per studenti non-frequentanti.

Criteri di valutazione

L'esame accertera' che lo studente
- abbia acquisito conoscenze dei problemi principali riguardante la gestione delle sequenze e stringhe (alfabeto, confronto di stringhe, dimensioni di sequenze genomiche e altre)
- sappia applicare, spiegare, e analizzare gli algoritmi studiati per pattern matching non index-based
- sappia applicare, spiegare e analizzare le strutture dati studiate, lo spazio che richiedono e algoritmi di costruzione (inverted index, trie, suffix tree, suffix array, BWT)
- sappia applicare, spiegare e analizzare varie applicazioni di queste strutture dati: come usarle per risolvere problemi su stringhe, quali pattern matching, matching statistics, palindromes, LZ-compression ecc.

Criteri di composizione del voto finale

valutazione completa basata sullo scritto e sull'orale

Lingua dell'esame

inglese