Informatik I Einführung. Einführung. Organisatorisches. Organisatorisches. Rainer Schrader. 10. April 2008

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1 Informatik I Rainer Schrader Zentrum für Angewandte Informatik Köln 10. April / 50 2 / 50 Organisatorisches Organisatorisches Dozent: Prof. Dr. Rainer Schrader Weyertal 80 Tel.: schrader@zpr.uni-koeln.de Übungen: Dipl.-Inf. Anna Schulze, Dipl.-Inf. Birgit Engels Weyertal 80 Tel.: (Anna Schulze) Tel.: (Birgit Engels) schulze@zpr.uni-koeln.de engels@zpr.uni-koeln.de Ort: Hörsaal II Physik Zeit: Mo , Mi Teilnehmerkreis: Mathematik Wirtschaftsmathematik Wirtschaftsinformatik Naturwissenschaften. url: 3 / 50 4 / 50

2 Organisatorisches Organisatorisches Studienplan Voraussetzungen: Programmierkenntnisse Java/C++ (WS 07/08) Grundkenntnisse in Mathematik Vorlesung weitgehend aus sich selbst heraus verständlich Folien hängen im Netz (jeweils am Ende der Woche) [WS 07/08 Programmierkurs] SS 08 Informatik I WS 08/09 Informatik II SS 09 Programmierpraktikum je nach Studienfach und Studienabschluss: Theoretische Informatik weitere Spezialvorlesungen (Seminar) 5 / 50 6 / 50 Organisatorisches Inhalt Gliederung der Vorlesung in Algorithmen und Datenstrukturen Übungsorganisation Anna Schulze, Birgit Engels 2. Einfache Datenstrukturen 3. Sortierverfahren 4. Suchen in sequentiellen Listen 5. Hashverfahren 6. binäre Suchbäume 7. B-Bäume 8. das union-find-problem (Manipulation von Mengen) 9. algorithmische Geometrie 7 / 50 8 / 50

3 Was ist Informatik? Gliederung was ist Informatik? Informationsverarbeitung historische Entwicklung alle hier haben mehr oder minder konkrete Vorstellungen von dem Begriff Informatik das Kunstwort Informatik taucht zum ersten Mal in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts auf. bezeichnete damals die Wissenschaft von der maschinellen, automatischen Datenverarbeitung hat sich gegen das im angelsächsischen Bereich übliche Computer Science gehalten versteht sich heute wie die Mathematik als Querschnittsdisziplin Überlappungen mit und Anwendungen in vielen anderen Zweigen der Wissenschaft 9 / / 50 Was ist Informatik? Was ist Informatik? Informatik ist die Wissenschaft, die sich mit der Beschreibung, Analyse und Gestaltung informationsverarbeitender Prozesse beschäftigt. (H. Noltemeier, Informatik I) Wissenschaft, die sich mit der systematischen Verarbeitung und Übermittlung von Informationen sowie dem Entwurf, den Betrieb und Einsatz von Computern zur Informationsverarbeitung befasst. (Handbuch der Informatik) 11 / / 50

4 Was ist Informatik? Sie umfasst mathematische, methodische und technisch-theoretische Grundlagen von Datenverarbeitungssystemen und -prozessen als auch die Grundlagen ihrer Anwendung. (Handbuch der Informatik) Teilgebiete der Informatik Informatik wird in vier (sich überlappende) Teilgebiete unterteilt: Technische Informatik: physikalische und ingenieurwissenschaftl. Aspekte der Hardware Rechnerarchitektur, Prozessoren, Speichermedien, Kommunikationseinheiten, Vernetzung, etc. Theoretische Informatik: theoretische Grundlagen formale Sprachen, Automatentheorie, Berechenbarkeit, Komplexitätstheorie, Kryptographie, Verifikation von Soft- und Hardware, etc. 13 / / 50 Praktische Informatik: Entwicklung von Systemsoftware Betriebssysteme, Programmiersprachen und Compilerbau, Standardsoftware wie Textverarbeitung oder Tabellenkalkulation, Kommunikationsprotokolle, etc. Angewandte Informatik: Modellierung und Umsetzung von Anwendungen Datenbanken, Informationssysteme, Computergrafik und Bildverarbeitung, Multimedia, etc. Teilgebiete der Informatik Wurzeln in Mathematik, Ingenieurwissenschaften und Physik heute gemeinsame Teildisziplinen mit anderen Wissenschaftbereichen: Wirtschaftsinformatik Bioinformatik Chemieinformatik Geoinformatik Rechtsinformatik Medizinische Informatik Medieninformatik Computerlinguistik / / 50

5 Begriffsdefinition 8 >< Informatik = Information + >: Automatik Mathematik? Logik? Elektronik? Kybernetik? Information hat zwei Bedeutungen: Information als Wissen über Zustände, Ereignisse Information als Kommunikation, d.h. Unterrichtung oder Weitergabe und Austausch von Wissen. Information aus dem lateinischen informatio: Unterrichtung, Darstellung, Schilderung. Beide Bedeutungen spielen in der Informatik eine Rolle. 17 / / 50 Drei verschiedene Aspekte der Information: Syntax: der physikalische Aufbau und die Struktur der Information (Signal, Datum, Datensatz, Nachricht, ) Semantik: Bedeutung der Information (durch direkte Interpretation oder durch indirekte weitergehende Verarbeitung) Pragmatik: Wert oder Zweck der Information, abhängig vom Nutzer, von Zeit, vom Kontext,. Gliederung was ist Informatik? Informationsverarbeitung historische Entwicklung Signale und Daten analog: Darstellung als Funktion (etwa der Zeit) digital: (lat. digitus: der Finger), Darstellung aus Zeichen und Zeichenfolgen (z.b. binär) 19 / / 50

6 Informationsverarbeitung Erfassung Übermittlung Aufbereitung und Auswertung Speicherung, Wiedergewinnung und Ausgabe von Informationen. Datenverarbeitungsanlagen technische Apparate, die Daten automatisch verarbeiten können, Synonyme für Datenverarbeitungsanlagen sind DVA Rechenanlagen / -systeme / -automaten Rechner Computer 21 / / 50 Grundfunktionen und Grobstrukturen von DVA Spezialisierte Automaten sind z.b. Fahrkartenautomaten Getränkeautomaten Parkscheinautomaten Musikautomaten Navigationsgeräte Grundfunktionen von Automaten Eingabe interne Verarbeitung interner Transport Zwischenspeicherung Ablaufsteuerung Ausgabe 23 / / 50

7 Grobstruktur Datenverarbeitungsautomaten flexible Automaten, Verarbeitung Grundfunktionen wie bei spezialisierten Automaten, zusätzliche Universalität durch folgende Merkmale: Eingabe Speicherung Steuerung Ausgabe die Steuerungsinformation (Programm) besteht aus einzelnen Anweisungen (Befehlen), das Programm wird wie die zu verarbeitenden Daten eingegeben und gespeichert, das Programm ist wie beliebige Daten manipulierbar, Daten und Befehle können flexibel transportiert werden. 25 / / 50 Grobstruktur RECHENWERK Komponenten von Computersystemen Verarbeitung der Daten Hardware (physikalische Kompenenten): Prozessoren EINGABEWERK Eingabe von Daten und Programm Speicherung der Daten Speicherung des Programms AUSGABEWERK Ausgabe interne Speicher externe Speicher Peripherie, Schnittstellen, Software (Programme): Systemsoftware (Betriebssystem, Compiler, Editoren, ) Steuerung durch das Programm Anwendungsprogramme LEITWERK Firmware (in Hardware festgeschriebene Programme) Inhalte von ROM s, Mikroprogramme, (von Neumann 1946) 27 / / 50

8 Literatur Ottmann und Widmayer: Algorithmen und Datenstrukturen, Spektrum Akademischer Verlag, 4. Auflage, 2002 Sedgewick: Algorithms in C++, Addison-Wesley, 3. edition, 2001 Sedgewick: Algorithms in Java, Addison-Wesley, 3. edition, 2003 Mehlhorn: Datenstrukturen und effiziente Algorithmen, Bd. I, Teubner Cormen, Leiserson, Rivest, and Stein: Introduction to Algorithms, MIT Press, 2. edition, 2001 Gliederung was ist Informatik? Informationsverarbeitung historische Entwicklung Knuth: The Art of Computer Programming, Vol. 1: Fundamental Algorithms, Addison-Wesley, 3. edition, 1997 Knuth: The Art of Computer Programming, Vol. 3: Sorting and Searching, Addison-Wesley, 3. edition, 2002 Kleinberg und Tardos: Algorithm Design, Pearson, 2005 Gumm und Sommer: in die Informatik, Oldenbourg 29 / / Jahrhundert (?) Entwicklung des Dezimalsystems in Indien Informatik als wissenschaftliche Disziplin jung beruht auf weit zurückliegenden Entwicklungen der Mathematik und Mechanik es folgt eine unvollständige Liste: 8. Jahrhundert Übernahme des Dezimalsystems aus Indien durch arabische Mathematiker 9. Jahrhundert Lösung von Gleichungssystemen durch al- Hwarizmi in Bagdad. Sein von ihm dazu verfasstes Buch hatte das Wort al-jabr = ausgleichen im Titel. Dies führte später zu Algebra, als Liber algorithmi ins Lateinische übersetzt. Al-Hwarizmi findet sich im Wort Algorithmus Verbreitung der arabischen Zahlen in Europa u.a. durch Leonardo Pisano (Fibonacci) 31 / / 50

9 1300 Ramon Lull konstruiert in der Ars magna eine Mechanik für einfache logische Aussagen Jahrhundert Entwicklung verschiedener Spielautomaten 1623 Entwicklung einer mechanischen Addiermaschine durch Wilhelm Schickard Entwicklung von 4-Spezies-Maschinen u.a. durch Gottfried Wilhelm Leibniz 1679 Verwendung des Dualsystems durch Leibniz 1801 Steuerung von Webstühlen mittels Lochstreifen durch Jaquard 1833 Konzept eines Rechners durch Charles Babbage (Analytical Engine) 1843 theoretische Untersuchungen der Analytical Engine durch Ada Byron Countess of Lovelace 1847 Formalisierung der Logik durch George Boole 1889 Verwendung von Lochkarten zur Volkszählung durch Hermann Hollerith in den USA 1890 Verwendung des Rekursionsprinzip durch David Hilbert Untersuchungen zur Berechenbarkeit u.a durch Bertrand Russell, Kurt Gödel und Alan Turing 1935 erste programmgesteuerte Rechenanlage Z1 durch Konrad Zuse 33 / / Z3: erste programmgesteuerte Rechenanlage mit Speicherrelais durch Konrad Zuse 1970 der Diskette 1971 erster Mikroprozessor (von Intel) 1945 erster auf Röhrentechnologie basierender Rechner ENIAC in den USA 1946 Konzept des programmgesteuerten Rechners durch John von Neumann 1949 Grundlagen der Informationstheorie durch Shannon und Kolmogoroff 1960 erste höhere Programmiersprache ALGOL von UNIX 1969 Beginn des Internets als ARPANET 1972 Erfindung der , Entwicklung von Festplatten 1976 erster PC (von Apple) 1983 erster PC mit Maus und graphischer Oberfläche (Apple) 1985 Windows Beginn des World Wide Web 1991 Entwicklung von LINUX und Java 2000 Mikroprozessoren im GHz-Bereich 2007 Mikroprozessoren im Teraflop-Bereich 35 / / 50

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