Übungspaket 4 Klassifikation von Dreiecken

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1 Übungspaket 4 Klassifikation von Dreiecken Übungsziele: Skript: 1. Selbstständiges Entwickeln eines ersten Programms 2. Anwenden der Methoden des Software Life Cycles 3. Programmentwurf durch Anwendung der Methode der Schrittweisen Verfeinerung 4. Erstellen eines ersten, eigenen C-Programms 5. Finden von Programmierfehlern Kapitel: 6 bis 9 und 16 Semester: Wintersemester 2018/19 Betreuer: Thomas, Tim und Ralf Synopsis: Nach dem ihr im 3. Übungspaket ein in der Vorlesung entwickeltes Programm auf dem Rechner zum Laufen gebracht habt, müsst ihr nun euer erstes eigenes Programm selber entwickeln. Im Rahmen der Programmentwicklung sollt ihr alle Phasen des Software Life Cycles anwenden.

2 Teil I: Stoffwiederholung Aufgabe 1: Das Konzept der Fallunterscheidung In Kapitel 9 des Skriptes haben wir die Fallunterscheidung eingeführt. Erkläre mit eigenen Worten, wofür sie verwendet werden kann und wie sie mittels der Methode der Schrittweisen Verfeinerung dargestellt wird! Die Fallunterscheidung dient dazu, einen logischen Ausdruck auszuwerten und in Abhängigkeit des Ergebnisses etwas Bestimmtes zu tun. Man spricht auch von einer bedingten Programmverzweigung. Die einfachste Form der Fallunterscheidung kann man als wenn-dann Konstruktion beschreiben: wenn ein logischer Ausdruck wahr ist dann tue etwas Sinnvolles Diese Konstruktion lässt sich erweitern: wenn ein logischer Ausdruck wahr ist dann tue etwas Sinnvolles sonst tue etwas anderes Aufgabe 2: Die Fallunterscheidung in C Erkläre kurz, wie die Fallunterscheidung in der Programmiersprache C implementiert wird! Gib zusätzlich mindestens vier Beispiele für eine sinnvolle Fallunterscheidung in C an! Die einfache wenn-dann Konstruktion wird in C wie folgt umgesetzt: if ( logischer Ausdruck ) Anweisung; Das Schlüsselwort if wird mit der Bedeutung wenn verwendet. C kennt kein Schlüsselwort für dann; es ist implizit enthalten. Es kann nur eine Anweisung folgen; benötigt man mehr als eine Anweisung, müssen diese mit geschweiften Klammern eingeschlossen werden (aus Platzgründen ohne Einrücken): 1 if ( logischer Ausdruck ) 2 { Anweisung_1 ; Anweisung_2 ; } Die erweiterte Fallunterscheidung sieht wie folgt aus (wieder ohne Einrücken): 1 if ( logischer Ausdruck ) 2 { Anweisung_1 ; Anweisung_2 ; } 3 else { Anweisung_3 ; Anweisung_4 ; } Die Anweisungen 1 und 2 werden ausgeführt, wenn die Bedingung erfüllt ist (der logische Ausdruck wahr ist), sonst die Anweisungen 3 und Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik

3 Weitere Beispiele (Anmerkung: i und x sind vom Typ int): 1 if ( i == 0 ) 2 printf ( "i ist null \n" ); 3 4 if( i == 0 ) 5 printf ( "i ist null \n" ); 6 else printf ( "i ist nicht null \n" ); 7 8 if( i == 0 && x < 3 ) 9 { 10 printf ( "i ist null \n" ); 11 printf ( "x ist kleiner als 3\n" ); 12 } 13 else { 14 printf ( " entweder ist i ungleich null " ); 15 printf ( " oder x ist groesser oder gleich 3\ n" ); 16 } if( i == 0 && x < 3 ) 19 { 20 printf ( "i ist null \n" ); 21 if(x >0) 22 { 23 printf ( " x ist entweder 1 oder 2\ n" ); 24 } 25 else { 26 printf ( " x ist negativ oder gleich null \ n" ); 27 } 28 } 29 else { 30 printf ( " entweder ist i ungleich null " ); 31 printf ( " oder x ist groesser oder gleich 3\ n" ); 32 } Aufgabe 3: Detailfragen zur Speicherorganisation Wie kann man die Speicheradressen von Variablen und Funktionen ausgeben? Variablen: printf( "%p", & name der variablen ); Funktionen: printf( "%p", & name der funktion ); Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2018/19 4-2

4 Teil II: Quiz Aufgabe 1: Phasen des Software Life Cycle Wie heißen die einzelnen Phasen des Software Life Cycle und worauf zielen sie ab? 1. Phase Name: Ziele: 2. Phase Name: Ziele: 3. Phase Name: Ziele: 4. Phase Name: Ziele: 5. Phase Name: Ziele: 6. Phase Name: Ziele: Aufgabenstellung Erfassung des Problems, des Problemumfangs und der notwendigen Randbedingungen, vage Beschreibung des gewünschten Ergebnisses. Problemanalyse Konkretisierung aus Programmierersicht: welche Daten, wie wird verarbeitet, welches Ergebnis, Bedienung, Reaktion auf Fehler, welche Testdaten? Entwurf Aufteilung komplexer Aufgabenstellungen in mehrere kleinere Komponenten. Wie werden Daten zwischen den Komponenten vermittelt? Implementierung Detaillierte Beschreibung der Algorithmen der einzelnen Module: Struktogramm/schrittweise Verfeinerung (kein C-Code). Kodierung Umsetzen der Implementierung in C-Code. Test Test aller Programmteile mit gültigen und ungültigen Daten, Fehlererkennung und -behebung. 4-3 Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik

5 Teil III: Fehlersuche Aufgabe 1: Syntaxfehler Unser Programmiererteam, die Tri Angels haben in folgendes Programm je Zeile einen Fehler eingebaut. Finde, erkläre und korrigiere sie. 1 # include <stdio.h> 2 INT main ( int argc, char ** argv ) 3 [ 4 int i, j k, l; 5 i = 1; j = 2; k = 3; l = 2: 6 if ( i == 1 7 printf ( "i ist 1\n ); 8 if ( i == 1 &&& j == 3 ) 9 printf ( "i ist 1 und j ist 3\" ); 10 if ( k == 1 && [j == 3 l < 5)) 11 print ( " k ist 1 und j ist 3 oder l kleiner 5\ n" ); 12 if ( i => 2 * (j + k)*l l == 2 ) 13 printf " der komplizierte ausdruck ist wahr \ n"; 14 $} Zeile Fehler Erläuterung Korrektur 1 großes D C unterscheidet Groß/Kleinbuchstaben #include 2 großes INT C unterscheidet Groß/Kleinbuchstaben int 3 [ In C werden Blöcke durch { und } gebildet { 4, fehlt Variablen müssen mit Komma getrennt werden j, k 5 : Abschluss einer Anweisung mittels ; l = 2; 6 ) fehlt Die Bedingung muss mit einer runden Klammer enden if (i == 1) 7 " fehlt Zeichenketten müssen innerhalb von "..." stehen "i... 1\n" 8 &&& Das logische und besteht aus nur zwei &-Zeichen && 9 \" Der Zeilenumbruch heißt \n. Bei \" will der Compiler ein " ausgeben. Folgefehler: er erkennt das Ende der Zeichenkette nicht j ist 3\n" 10 [ Die einzelnen Ausdrücke müssen in () stehen (j == 3...) 11 f fehlt Die Ausgabeanweisung heißt printf() printf Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2018/19 4-4

6 Zeile Fehler Erläuterung Korrektur 12 => Der Vergleich heißt in C >= i >= () fehlen Die Argumente von printf müssen in () stehen printf() 14 $ zu viel Dort gehört kein $-Zeichen hin } Programm mit Korrekturen: 1 # include <stdio.h> 2 int main ( int argc, char ** argv ) 3 { 4 int i, j, k, l; 5 i = 1; j = 2; k = 3; l = 2; 6 if ( i == 1 ) 7 printf ( "i ist 1\n" ); 8 if ( i == 1 && j == 3 ) 9 printf ( "i ist 1 und j ist 3\n" ); 10 if ( k == 1 && (j == 3 l < 5)) 11 printf ( " k ist 1 und j ist 3 oder l kleiner 5\ n" ); 12 if ( i >= 2 * (j + k)*l l == 2 ) 13 printf ( " der komplizierte ausdruck ist wahr \ n" ); 14 } 4-5 Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik

7 Teil IV: Anwendungen Aufgabe 1: Vorüberlegung: Klassen von Dreiecken In der Mathematik werden Dreiecke, die durch die drei Seiten a, b und c beschrieben werden, in die folgenden fünf Klassen eingeteilt. Beschreibe jede Klasse mittels einer Formel (a, b und c) sowie mindestens einem Zahlenbeispiel. 1. Kein Dreieck: Die Dreiecksungleichung besagt, dass die Summe zweier Seiten immer echt größer sein muss als die dritte Seite: Die drei Seiten a, b, c können kein Dreieck bilden, wenn folgende Aussage wahr ist: a + b c oder b + c a oder a + c b. Beispiel: a = 5, b = 1, c = 1 Umgekehrt bilden die drei Seiten a, b, c ein Dreieck, wenn folgende Aussage wahr ist: a + b > c und a + c > b und b + c > a 2. Gleichseitiges Dreieck: Alle drei Seiten a, b, c müssen gleich lang sein: a = b und b = c. Beispiel: a = 4, b = 4, c = 4 3. Gleichschenkliges Dreieck: Zwei Seiten des Dreiecks müssen gleich lang sein, folgende Aussage muss also wahr sein: a = b oder a = c oder b = c Beispiel: a = 6, b = 6, c = 3 4. Rechtwinkliges Dreieck: Im rechtwinkligen Dreieck muss die Summe der Quadrate der beiden Seiten, die den rechten Winkel einschließen, genauso groß sein, wie das Quadrat der dritten Seite: a 2 + b 2 = c 2 oder b 2 + c 2 = a 2 oder a 2 + c 2 = b 2 Beispiel: a = 3, b = 4, c = 5 5. Gewöhnliches Dreieck: Jede Kombination der Seiten a, b, c, die gemäß Bedingung 1 ein Dreieck bilden, aber keine der Bedingungen 2 bis 4 erfüllen, bilden ein gewöhnliches Dreieck. Beispiel: a = 3, b = 4, c = 6 Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2018/19 4-6

8 Aufgabe 2: Entwicklung eines Dreiecksprogramms In dieser Aufgabe geht es um die eigenständige Entwicklung eines Programms zur Klassifikation von Dreiecken. Dabei sollt ihr alle Phasen des Software Life Cycle nacheinander durchlaufen (siehe auch Skriptkapitel 7), was durch die folgende Gliederung unterstützt werden soll. Die Klassifikation der einzelnen Dreiecke kann gemäß Aufgabe 1 erfolgen. Innerhalb dieser Aufgabe bezeichnen wir die drei Seiten des Dreiecks mit a, b und c. 1. Aufgabenstellung Entwickle ein Programm, das drei Zahlen für die Seiten a, b und c einliest. Das Programm soll überprüfen, ob es sich um ein Dreieck handelt und ggf. die zutreffenden Dreiecksklassen ausgeben. Beispiel: Eingabe: 3, 4, 5 Ausgabe: rechtwinkliges Dreieck Das Programm soll auch erkennen, falls getätigte Eingaben unsinnig sind. Hierzu zählt beispielsweise die Eingabe negativer Seitenlängen. Hinweis: Bei der Programmentwicklung kann davon ausgegangen werden, dass immer nur ganze Zahlen vorkommen, sodass der Datentyp int verwendet werden kann. 2. Pflichtenheft Aufgabe : Klassifikation von Dreiecken Eingabe : drei Zahlen für die Seiten a, b und c, Datentyp int Ausgabe : Die jeweilige(n) Klasse(n) des Dreiecks Sonderfälle : Zahlenwerte 0 für eine oder mehrere Seiten 3. Testdaten Testfall a b c Dreiecksklasse(n) kein Dreieck gleichseitig, gleichschenklig gleichschenklig gleichschenklig rechtwinklig gewöhnlich gewöhnlich fehlerhafte Eingabe fehlerhafte Eingabe 4-7 Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik

9 4. Implementierung Klassifikation von Dreiecken Variablen: Integer: a, b, c Einlesen von Seite a, Einlesen von Seite b, Einlesen von Seite c wenn a > 0 und b > 0 und c > 0 dann wenn a+b > c und a+c > b und b+c > a dann Ausgabe des Textes: reguläres Dreieck Test auf gleichseitiges Dreieck Test auf gleichschenkliges Dreieck Test auf rechtwinkliges Dreieck sonst Ausgabe des Textes: kein Dreick sonst Ausgabe des Textes: Mindestens eine Eingabe ist fehlerhaft Test auf gleichseitiges Dreieck wenn a = b und b = c dann Ausgabe des Textes: Gleichseitiges Dreieck Test auf gleichschenkliges Dreieck wenn a = b oder b = c oder a = c dann Ausgabe des Textes: Gleichschenkliges Dreieck Test auf rechtwinkliges Dreieck wenn a 2 + b 2 = c 2 oder b 2 + c 2 = a 2 oder a 2 + c 2 = b 2 dann Ausgabe des Textes: Rechtwinkliges Dreieck Handsimulation: Trage in nachfolgender Tabelle ein, welche Ausdrücke ausgewertet und welche Ausgaben getätigt werden. Eingabe: Ausdrücke und Variablen Zuweisung Auswertung Ausgabe Variable a: Wert: undef. 2 Variable b: Wert: undef. 3 Variable c: Wert: undef. 4 a>0 und b>0 und c>0 wahr regulär a=b und b=c falsch a=b oder a=c oder b=c falsch a 2 +b 2 =c 2 oder b 2 +c 2 =a 2 oder a 2 +c 2 =b 2 falsch Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2018/19 4-8

10 5. Kodierung Unsere Kodierung sieht wie folgt aus (teilweise etwas komprimiert): 1 # include <stdio.h> 2 3 int main ( int argc, char ** argv ) 4 { 5 // fuer jede seite eine variable nebst initialisierung 6 int a = -1, b = -1, c = -1; 7 8 // eingabeaufforderung und die seiten einlesen 9 printf ( " Bitte Seite a eingeben : " ); scanf ( "%d",&a ); 10 printf ( " Bitte Seite b eingeben : " ); scanf ( "%d",&b ); 11 printf ( " Bitte Seite c eingeben : " ); scanf ( "%d",&c ); // damit wir wissen, was vor sich geht 14 printf ( "\ neingabe : a=%d b=%d c=%d\n\n", a, b, c ); // pruefung auf korrekte eingabe 17 if ((a > 0) && (b > 0) && (c > 0)) 18 { 19 // alles OK; erster test : dreieck oder keines 20 if ((a+b > c) && (a+c > b) && (b+c > a)) 21 { 22 printf ("a, b und c bilden ein Dreieck \n"); // zweiter test : gleichseitiges dreieck 25 if ((a == b) && (b == c)) 26 printf (" Das Dreieck ist gleichseitig \n"); // dritter test : gl eichsc henkli ges dreieck 29 if ((a == b) (b == c) (a == c)) 30 printf (" Das Dreieck ist gleichschenklig \ n"); // vierter test : rechtwinkliges dreieck 33 if ((a*a + b*b == c*c) (a*a + c*c == b*b) 34 (b*b + c*c == a*a)) 35 printf (" Das Dreieck ist rechtwinklig \n"); 36 } 37 else printf ("a, b und c bilden kein Dreieck!\n"); 38 } 39 else printf (" Mindestens eine Seite ist fehlerhaft \ n"); // fertig 42 return 0; 43 } 4-9 Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik

11 Handsimulation: Im Sinne eines effizienten Arbeitens ist es sehr lohnenswert, das auf Papier entwickelte C-Programm vor dem Eintippen mittels einer Handsimulation für einige ausgewählte Testdaten zu überprüfen. Trage hierzu in nachfolgender Tabelle (von oben nach unten) ein, welche Ausdrücke ausgewertet und welche Ausgaben getätigt werden. Eine mögliche Testeingabe lautet: 3, 4, 5. Eingabe: 3, 4, 5 Zeile Variablen Aktion Resultat/Effekt Definition int a,b,c Anlegen und Initialisieren 9 a=-1 b=-1 c=-1 scanf( "%d", & a ) Eingabe 3: a=3 10 a= 3 b=-1 c=-1 scanf( "%d", & a ) Eingabe 4: b=4 11 a= 3 b= 4 c=-1 scanf( "%d", & a ) Eingabe 5: c=5 14 a= 3 b= 4 c= 5 printf(...) Ausgabe: a=3 b=4 c= a>0 && b>0 && c>0 wahr a+b>c && a+c>b && b+c>a wahr printf(...) Ausgabe: ein Dreieck a==b && b==c falsch a==b a==c b==c falsch a*a + b*b == c*c... wahr printf(...) Ausgabe: rechtwinklig return 0 Programmende 6. Speicherorganisation Um ein besseres Gefühl für die internen Dinge eines C-Programms zu bekommen, sollt ihr diesmal auch eine Speicherkarte erstellen, deren Einträge üblicherweise absteigend sortiert sind (die großen Adressen oben, die kleinen unten). Für alle Variablen und Funktionen sind jeweils ihre Namen und Adressen einzutragen. Bei Variablen ist ferner anzugeben, wie viele Bytes sie im Arbeitsspeicher belegen. Hinweise findet ihr in der ersten Programmieraufgabe aus Aufgabenblatt 3 sowie in Kapitel 8 des Skriptes. Verwende folgende Tabelle, in der bereits zwei Beispiele (fast vollständig) eingetragen sind: Adresse Name Typ Größe 0x00401BE4 printf Funktion 0x00401BDC scanf Funktion 0x main Funktion 0x0028FF1C a Variable: int 4 Bytes 0x0028FF18 b Variable: int 4 Bytes 0x0028FF14 c Variable: int 4 Bytes Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2018/

12 Der zugehörige Teil des C-Programms sieht wie folgt aus, den wir beispielsweise hinter Programmzeile 7 oder Zeile 40 einfügen können: // speichersegmente ausgeben // zuerst die funktionen printf ( " Adressen der Funktionen :\n" ); printf ( "\ tmain : \t%p\n", main ); printf ( "\ tprintf : \t%p\n", printf ); printf ( "\ tscanf : \t%p\n", scanf ); // und jetzt noch die variablen printf (" Adressen und Groessen der Variablen :\ n"); printf ("\ta: %p %d Bytes \n", &a, sizeof ( a ) ); printf ("\tb: %p %d Bytes \n", &b, sizeof ( b ) ); printf ("\tc: %p %d Bytes \n", &c, sizeof ( c ) ); 4-11 Wintersemester 2018/19, Einführung in die Praktische Informatik