Einführung in die Informatik

Transkript

1 Einführung in die Informatik 1. Einleitung / Grundbegriffe 1.1 Was ist Informatik? Informatik ist eine Wissenschaft, die sich befaßt mit - Methoden der Informationsverarbeitung und deren Realisierung auf Computern (SOFTWARE) - der Konstruktion informationsverarbeitender Maschinen (HARDWARE ) Unterteilung der Informatik in Teilgebiete: Die Teilgebiete kann man nicht immer scharf voneinander trennen Technische Informatik - Entwicklung (logischer Entwurf) von Rechnersystemen (Rechnernetzen) und zugehörigen peripheren Komponenten (Festplatten, Laufwerken,...) Forschung auf dem Gebiet der Hardware (Rechnerkomponenten...) Theoretische Informatik Bindeglied zwischen Mathematik und Informatik Besondere Arbeitsgebiete: Algorithmen und Automatentheorie, Graphentheorie, Fragen von Berechenbarkeit von Funktionen und Entscheidbarkeit von Problemen, Komplexitätsuntersuchungen (Aufwand bzgl. Laufzeit/Speicherplatz), Programmverifikation (Korrektheit des Ergebnisses), Künstliche Intelligenz, abstrakte Datenstrukturen, formale Sprachen, Metasprachen Praktische Informatik Entwicklung von Betriebssystemen, Entwicklungsumgebungen, Compilern, Assemblierern, Debuggern, Treibern... Entwicklung von Software als Brücke zwischen Hardware und Mensch konkrete Umsetzung von Algorithmen auf dem Computer, d.h. Programmierung Angewandte Informatik beschäftigt sich mit dem Einsatz von Computern in verschiedensten Lebensbereichen, z.b. Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Instrument zur Umsetzung numerischer Algorithmen in der Wissenschaft und Industrie Nutzung von Systemen zur Messung, Steuerung, Regelung, Automatisierung von ganzen Betriebsabläufen, Einsatz von Robotertechnik

2 Fragen der Datensicherheit und des Datenschutzes, Nutzung von und Anpassung an Benutzerschnittstellen (z.b. neue Eingabemöglichkeiten touchscreen...) Informatik und andere Wissenschaftsbereiche z.b. Bio Informatik (neuronale Netze), Wirtschaftsinformatik spezifischer Einsatz in Medizin, Rechtswesen, Ingenieurwissenschaften, Algorithmen und Programme Bevor ein Computerprogramm geschrieben wird, gibt es ein Problem! Dieses Problem soll gelöst werden, und zwar mit Hilfe der Rechenleistung einer Maschine. Beispiele: A) Problem Zutaten Ausführung Zubereitung von Nudeln mit Tomatensauce Berechne den Wert eines Polynoms p(x)=ax²+bx+c Nudeln, Tomatenmark, Tomaten, Zwiebeln, Salz, Gewürze,... Parameter a, b, c Argument x 1. Kochen der Nudeln in soundsoviel gesalzenem Wasser 2. Sauce: 2.1 Schneide Zwiebeln klein Eingabe von x 2. Berechnung von y=p(x) 3. Ausgabe von y B) Problemstellung: Biologen wollen die Population einer Spezies, deren Entwicklung, Einflußgrößen etc. Untersuchen > Auswertung der Meßdaten, Voraussagen, Modellierung der Entwicklung der Population Vorgehensweise zur Lösung: Merkmale des Problems erfassen Formulierung eines Lösungsweges Formalisieren des Lösungsweges (Algorithmus) Implementieren in einem Computerprogramm

3 Merkmale des Problems erfassen Eingabedaten, geforderte Ergebnisse Ziel? Modellierung und Datenauswertung einer Spezies (statistische und graphische Auswertungen), Vorhersage Merkmale nur zu diskreten Zeitpunkten meßbar Randbedingungen Formulierung eines Lösungsweges Eingangsdaten: Meßdaten Wahl eines geeigneten Modelltyps (Idealisierungen) > Bestimmung von Modellparametern > Wahl geeigneter Methoden zur Lösung der Modellgleichungen > Vorhersagen, Analyse durch Simulationen Berechnung statistischer Größen Anwendung von Visualisierungstechniken weitere Analyse von Eigenschaften durch Auswertung der Computerergebnisse Formalisieren des Lösungsweges (Algorithmus) prinzipielle Aufeinanderfolge der Schritte in der Sprache grundsätzlicher algorithmischer Strukturen Verifikation, d.h. Nachweis der Korrektheit Implementieren in einem Computerprogramm Wahl einer geeigneten höheren Programmiersprache Nutzung vorhandener Software, Funktionsbibliotheken Was ist ein Algorithmus aus Sicht der Informatik? (Eine mögliche, aufs Wesentliche beschränkte Definition) Ein Algorithmus ist eine Vorschrift, die Eingabe in Ausgabedaten überführt, indem es die Handlungen und ihre Abfolge beschreibt, und die folgenden Eigenschaften genügt: Exaktheit: die Vorschrift kann präzise auf formale Weise beschrieben werden Diskretheit: die Vorschrift besteht aus einer Folge von elementaren Einzelschritten Vollständigkeit: es werden alle möglichen Fälle behandelt Determiniertheit: bei gleichem Startzustand wird stets derselbe Endzustand erreicht Haltebedingung: Endzustand nach endlich vielen Schritten mit Ergebnis (s. Gödel, Turing > 1930) Historie: Der Name Algorithmus geht auf den Namen des arabischen Mathematikers Al Chwarismi zurück (ca ). Er verfaßte um 825 im sog. Haus der Weisheit des Kalifen Harun al Raschid das Lehrbuch Über das Rechnen mit indischen Ziffern, dessen lateinische Übersetzung den Titel Algorismi de... ( Das Werk des Al gorismus über... ) trug. Daraus entstand die Bezeichnung Algorithmus.

4 Beispiel: Euklidischer Algorithmus Grundsätzliche Strukturen eines Algorithmus: SEQUENZ: Folge von (Handlungen, Einzelschritten), die je genau einmal ausgeführt werden SCHLEIFE: Sequenz von, die mehrfach ausgeführt werden SELEKTION: Sequenz von, die nur unter bestimmten Bedingungen ausgeführt werden Theorem von Böhm/Jacobi (sinngemäß): Gibt es zur Lösung eines Problems einen Algorithmus, so läßt sich dieser unter alleiniger Verwendung der drei Grundstrukturen Sequenz, Schleife und Selektion darstellen. Konzept der höheren Programmiersprachen wie C, Fortran, Pascal, Delphi,... : Strukturiertes Programmieren 2. Erste Schritte in C Umsetzung eines Algorithmus in ein Programm? Algorithmus auf dem Papier C Programm als Text in Präprozessor + einem Editor eintippen Übersetzen durch Compiler in Maschinencode name.c name.obj Verbinden mit anderen Programmen/Bibliotheken zu ausführbarem Programm name.exe 2.1 Grundsätzliche Elemente eines C Programms Beispielprogramm: Hauptprogramm: #include <stdio.h> int main() int i; /* i ist eine ganze Zahl */ i=1; printf(''i=%d\n'',i); return 0; int main ()... return 0; wird durch die Funktion main gebildet

5 alle Befehle, die dort nacheinander abgearbeitet werden, sind in Klammern... eingeschlossen = Funktionsblock Rückgabewert ist vom Typ int, Rückgabe mit return Anweisung in C: int i; Deklaration einer Integer Variablen mit Namen i, d.h. ein Block Speicherplatz wird im Arbeitsspeicher reserviert, in dem ganzzahlige Werte gespeichert werden können /* i ist eine ganze Zahl */ ist ein Kommentar, nur zum Verständnis des eigenen Programms, alternativ: // i ist eine ganze Zahl i=1; Zuweisung des Wertes 1 an die Variable i = im Rechner: Speichere den Wert 1 auf dem unter dem Namen i reservierten Speicherplatz printf( i=%d\n, i ); Zeichenkette zwischen... wird auf dem Bildschirm ausgegeben anstelle des Platzhalters %d wird dabei der in i gespeicherte Wert eingefügt. Bedeutung von \n (Zeilenumbruch): z.b. printf( Lehr\namt ); Bildschirmausgabe: Lehr amt Präprozessor Direktiven: #include <stdio.h> Funktion printf zur Bildschirmausgabe muß dem Compiler bekannt gemacht werden ist in der C Ein/Ausgabe Funktionsbibliothek stdio.h vorhanden durch die include Direktive wird der Quelltext dieser Headerdatei durch den Präprozessor in das eigene Progamm direkt hineingeschrieben Eingabe über Tastatur: Funktion scanf z.b. scanf( %d,&i); fordert vom Nutzer die Eingabe eines ganzzahligen Wertes über Tastatur (Abschluß mit ENTER) in... steht, welcher Variablen(Zahlen)typ erwartet wird (hier Platzhalter für eine ganze Zahl) &i gibt die Speicheradresse der Variablen i im Arbeitsspeicher an, auf die der eingegebene Wert gespeichert werden soll.

6 Also allgemein: scanf( Format der Variablen, Speicheradresse für Eingabewert); mögliche Zahlentypen/Formate: Zahlentyp Format zeichen int short int long int float double %d %d %ld %f %lf %i %i %e %le exponentielle exponentielle Darstellung Darstellung Ganzzahlige Variablentypen Reelle Variablentypen einfach bzw. doppelt genau 2.2 Programmstrukturen Schleifen (oder Zyklen): eine oder mehrere werden wiederholt durchlaufen Beispielfälle: wiederholte Eingabe von Daten gleichen Typs (z.b. Name, Adresse, Tel. Nr.) über Tastatur oder aus einer Datei Aufsummierung von Termen s = f(x_1)+f(x_2)+...+f(x_n)= f(x_i) o.ä. Berechnungen, rekursive Funktionsberechnungen x_k=f(x_k 1) Arbeit mit Feldern (s. später) Varianten: (in C) a) Anzahl der Durchläufe ist festgelegt: for Schleife b) Anzahl der Durchläufe ist durch Bedingung(en) gesteuert: while Schleife in anderen Programmiersprachen ähnliche Syntax: z.b. Fortran: a) DO Schleife b) DO Schleife mit IF Bedingung for Schleife: für k=1,..., n führe Aktion(k) aus for (Ausdruck1; Ausdruck 2; Ausdruck 3)

7 ein Ausdruck ist in einer Programmiersprache eine Aufzählung von Zahlen, Zeichen und Operatoren, die sich zu einem Wert auflösen lassen z.b. A 2*(b+1) (wenn z.b. A=1 und b=0.5 sind, hat der Ausdruck den Wert 2 ) Ausdruck 1... Startwert für die Laufvariable, die die Durchläufe zählt Ausdruck 2... Abbruchbedingung, häufig Vergleich mit festgelegter Anzahl von Durchläufen Ausdruck 3... Aufdatierung der Laufvariablen ( Weiterzählen ) Beispiel: Summenberechnung while Schleife: zwei Varianten in C anfangsgeprüfte Schleife: solange Bedingung erfüllt ist tue etwas (führe Aktion aus) while (Bedingung) Die Bedingung ist dabei einfach irgendein sinnvoller Ausdruck. Sie ist genau dann erfüllt, wenn sie wahr ist, d.h. Programmtechnisch: der Ausdruck hat einen Wert ungleich 0. (Falsch bedeutet dann entsprechend, daß der Ausdruck den Wert = 0 hat) endgeprüfte Schleife: tue etwas (führe Aktion aus) solange Bedingung erfüllt ist do while (Bedingung); (Achtung! Semikolon nicht vergessen!) Sinnvoll, wenn mindestens ein Durchlauf gefordert ist

8 Selektion: wesentliche Komponente vieler Algorithmen gewisse sollen nur unter bestimmten Bedingungen ausgeführt werden Auswahl aus einem Katalog (Menue) möglicher Aktionen Beispielfälle: Reaktion des Programms abhängig von Eingabe Reaktion abhängig vom Ergebnis einer Berechnung: (z.b. Dreieck stumpfwinklig, rechtwinklig, spitzwinklig; Wurzel für negative Zahlen nicht erklärt) Auswertung von Fehlermeldungen Auswahl einer Aktion, z.b. für eine Meßwertreihe x_1,x_2,..., x_n a) Mittelwert berechnen b) maximalen Wert finden c) alle Werte kleiner vorgegebener Schranke finden zwei Varianten in C: Entscheidung/bedingte Anweisung if Anweisung (in allen höheren Programmiersprachen Schlüsselwort if) Auswahl switch Anweisung (z.b. in Fortan SELECT) if Anweisung: ohne Alternative wenn Bedingung erfüllt ist tue dies (führe Aktion_1 aus) if (Bedingung) Die innerhalb des if Rahmens werden also nur höchstens einmal ausgeführt, und zwar dann, wenn die Bedingung wahr ist (Ausdruck ungleich 0). Die Bedingung ist dabei einfach wieder irgendein in der Programmiersprache sinnvoller Ausdruck mit Alternative wenn Bedingung erfüllt ist tue dies (führe Aktion_1 aus) ansonsten tue das (führe Aktion_2 aus)

9 if (Bedingung) else mehrere Fälle: wenn Bedingung_1 erfüllt ist führe Aktion_1 aus ansonsten wenn Bedingung_2 erfüllt führe Aktion_2 aus ansonsten wenn Bedingung_3 erfüllt führe Aktion_3 aus... if (Bedingung_1) else if(bedingung_2) else if(bedingung_3)... else ansonsten führe Aktion_alternativ aus zusammenfassend: Eine bedingte Anweisung besteht mindestens aus der if.anweisung, die else if Zweige und der alternative else Zweig sind optional.

10 switch Anweisung: Sinnvolle Alternative zur if else if else Anweisung im Falle, daß verschiedene zu betrachtende Fälle durch Zuordnung ganzer Zahlen (Nummern) oder verschiedener Zeichen charakterisierbar sind (z.b. Auswahl aus einem Menue). Wähle für Berechnungsausdruck k im Falle k=k_1: führe Aktion_1 aus (ende Fall 1) im Falle k=k_2: führe Aktion_2 aus (ende Fall 2)... trifft kein Fall zu: führe Aktion_alternativ aus switch (Ausdruck) case k_1: (break;) case k_2: (break;) case k_3: (break;) default: Arbeitsweise: Ausdruck wird ausgewertet und muß ganze Zahl oder Zeichen liefern Fälle (case) werden nacheinander abgefragt, d.h. der Wert des Ausdrucks wird mit der Konstanten k_1 dann mit der Konstanten k_2 usw. verglichen stimmt der Wert des Ausdrucks mit einer der Konstanten überein, wird das Programm dort weitergeführt stimmt der Wert des Ausdrucks mit keiner der Konstanten überein, wird der default Fall ausgeführt. Dieser ist optional! Ist also kein default Zweig vorhanden, und kein Fall trifft zu, wird das Programm nach der switch Anweisung fortgesetzt Schlüsselwort case case + Konstante: ist eine Marke für eine Programmzeile, d.h. ein Sprungziel bestehend aus dem Bezeichner case, einer Konstanten und dem :. Schlüsselwort default ist ebenfalls eine Marke.

11 Achtung! In C wird nach dem Sprung zu einer Marke (zu einer markierten Programmzeile ) das Programm dort fortgesetzt, d.h. alle folgenden werden durchlaufen. Ist das bei einer Fallunterscheidung nicht gewünscht, muß der Programmfluß mit der break Anweisung unterbrochen werden. break: bewirkt, daß der innerste umgebende Block sofort verlassen wird, und danach das Programm fortgesetzt wird. (nur in Schleifen und switch erlaubt)