Zentrale Begriffe (Vorlesung vom ) Kondition eines Problems: Stabilität eines Algorithmus: Komplexität eines Problems
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- Timo Boer
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1 Zentrale Begriffe (Vorlesung vom ) Kondition eines Problems: Kleine Ursache, große Wirkung (Orkan Lothar, Moleküldynamik). Stabilität eines Algorithmus: Keine Äquivalenz vom Multiplikation und mehrfacher Addition. Komplexität eines Problems Effizienz eines Algorithmus
2 Die natürlichen Zahlen (anschaulich) 0,1,2,3,... kennt jedes Kind beginnen mit 0 oder 1 gut geeignet zum Abzählen keine Schulden, keine Tortenstücke...
3 Die natürlichen Zahlen (axiomatisch) Definition: N ist die Menge mit den folgenden Eigenschaften: Es gibt ein ausgezeichnetes Element 0 N. Es gibt eine Abbildung S : N N mit (S1) S ist injektiv (d.h. S(n) S(m) falls n m) (S2) 0 / S(N) = {S(n) n N} (S3) Ist M N und gilt 0 M und S(M) M so gilt M = N. Anschaulich: Jede natürlichen Zahl n hat genau einen Nachfolger S(n).
4 Die natürlichen Zahlen (axiomatisch) Definition: N ist die Menge mit den folgenden Eigenschaften: Es gibt ein ausgezeichnetes Element 0 N. Es gibt eine Abbildung S : N N mit (S1) S ist injektiv (d.h. S(n) S(m) falls n m) (S2) 0 / S(N) = {S(n) n N} (S3) Ist M N und gilt 0 M und S(M) M so gilt M = N. Anschaulich: Jede natürlichen Zahl n hat genau einen Nachfolger S(n).
5 Definition der Addition: Rechnen mit natürlichen Zahlen (A1) n + 0 = n (A1) n+s(m)=s(n+m) Nachweis der Rechenregeln: Assoziativität: k +(n+m) = (k +n)+m Kommutativität: n+m = m+n Folgerung: Wir können mit natürlichen Zahlen rechnen. Aber: Bevor wir die Summe zweier natürlicher Zahlen ausrechnen können muss jede natürliche Zahl genau einen Namen haben!
6 Definition der Addition: Rechnen mit natürlichen Zahlen (A1) n + 0 = n (A1) n+s(m)=s(n+m) Nachweis der Rechenregeln: Assoziativität: k +(n+m) = (k +n)+m Kommutativität: n+m = m+n Folgerung: Wir können mit natürlichen Zahlen rechnen. Aber: Bevor wir die Summe zweier natürlicher Zahlen ausrechnen können muss jede natürliche Zahl genau einen Namen haben!
7 Definition der Addition: Rechnen mit natürlichen Zahlen (A1) n + 0 = n (A1) n+s(m)=s(n+m) Nachweis der Rechenregeln: Assoziativität: k +(n+m) = (k +n)+m Kommutativität: n+m = m+n Folgerung: Wir können mit natürlichen Zahlen rechnen. Aber: Bevor wir die Summe zweier natürlicher Zahlen ausrechnen können muss jede natürliche Zahl genau einen Namen haben!
8 Definition der Addition: Rechnen mit natürlichen Zahlen (A1) n + 0 = n (A1) n+s(m)=s(n+m) Nachweis der Rechenregeln: Assoziativität: k +(n+m) = (k +n)+m Kommutativität: n+m = m+n Folgerung: Wir können mit natürlichen Zahlen rechnen. Aber: Bevor wir die Summe zweier natürlicher Zahlen ausrechnen können muss jede natürliche Zahl genau einen Namen haben!
9 Problem: Ziffernketten unendlich viele natürliche Zahlen unendlich viele Namen Lösung: Ziffernketten: z 1 z 2 z 3...z k z i Z, i = 1,...,k endliche Menge von Ziffern Z Interpretationen: Systematische Konstruktion unterschiedlicher Symbole Bilden von Worten aus einem Alphabet
10 Problem: Ziffernketten unendlich viele natürliche Zahlen unendlich viele Namen Lösung: Ziffernketten: z 1 z 2 z 3...z k, z i Z, i = 1,...,k endliche Ziffernmenge Z Interpretationen: Systematische Konstruktion unterschiedlicher Symbole Bilden von Worten aus einem Alphabet
11 Problem: Ziffernketten unendlich viele natürliche Zahlen unendlich viele Namen Lösung: Ziffernketten: z 1 z 2 z 3...z k, z i Z, i = 1,...,k endliche Ziffernmenge Z Interpretation: Systematische Konstruktion unterschiedlicher Symbole Bilden von Worten aus einem Alphabet
12 Ziffernsysteme Satz: Sei Z eine endliche Ziffernmenge und D(Z) = {z 1 z 2...z k k N, z i Z, i = 1,...,k} die Menge aller Ziffernketten. Dann existiert eine bijektive Abbildung ϕ : N D(Z). Definition: Die Ziffernmenge Z und die Zuordnung ϕ erzeugen ein Ziffernsystem zur Darstellung von N. Definition: Eine Menge M, für die ein bijektives ϕ : N M existiert (die sich durchnumerieren lässt), heißt abzählbar.
13 Ziffernsysteme Satz: Sei Z eine endliche Ziffernmenge und D(Z) = {z 1 z 2...z k k N, z i Z, i = 1,...,k} die Menge aller Ziffernketten. Dann existiert eine bijektive Abbildung ϕ : N D(Z). Definition: Die Ziffernmenge Z und die Zuordnung ϕ erzeugen ein Ziffernsystem zur Darstellung von N. Definition: Eine Menge M, für die ein bijektives ϕ : N M existiert (die sich durchnumerieren lässt), heißt abzählbar.
14 Beispiele für Ziffernsysteme römische Zahlen: Z = {I,V,X,L,C,D,M} kein Ziffernsystem! Unärsystem: nur eine Ziffer: Z = { } Ziffernketten: D(Z) = {,,,...} Zuordnung: ϕ(0) =, ϕ(1) =, ϕ(n+1) = ϕ(n) Beispiel: ϕ(4) =
15 Beispiele für Ziffernsysteme römische Zahlen: Z = {I,V,X,L,C,D,M} kein Ziffernsystem! Unärsystem: nur eine Ziffer: Z = { } Ziffernketten: D(Z) = {,,,...} Zuordnung: ϕ(0) =, ϕ(1) =, ϕ(n+1) = ϕ(n) Beispiel: ϕ(4) =
16 Beispiele für Ziffernsysteme römische Zahlen: Z = {I,V,X,L,C,D,M} kein Ziffernsystem! Unärsystem: nur eine Ziffer: Z = { } Ziffernketten: D(Z) = {,,,...} Zuordnung: ϕ(0) =, ϕ(1) =, ϕ(n+1) = ϕ(n) Beispiel: ϕ(4) =
17 Praktische Anwendungen...vor Jahren im Kongo:...heute:
18 Praktische Anwendungen...vor Jahren im Kongo:...heute:
19 Potenzzerlegung zur Basis q Satz: Sei q N, q > 1 fest gewählt. Dann lässt sich jede Zahl n N als Potenzzerlegung n = k r i q i, i=0 darstellen. Dabei sind die Koeffizienten r i {0,...,q 1} N eindeutig bestimmt.
20 Definition: Positionssystem zur Basis q Ziffernmenge: Z = {z 0,z 1,...,z q 1 } Zuordnung: n ϕ(n) = z n, n = 0,...,q 1, und im Falle n > q 1 n ϕ(n) = z rk z rk 1...z r0 mit n = k r i q i, 0 r i q 1 i=0 Diese Zifferndarstellung heißt q-adische Darstellung.
21 Beispiele Dezimalsystem: Z = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} q-adische Systeme mit q 36: Erweiterung um {A,B,C...,Z} Konventionen: keine Unterscheidung zwischen Darstellung und Zahl: k z k z k 1...z 0 q = z i q i, i=0 z i Z = {0,1,...,q 1}. kein Index q, falls q = 10 den Index i von z i nennt man Stelle, z k z k 1...z 0 q eine k-stellige Zahl
22 Positionssystem zur Basis q = 2: Dualsystem Ziffernmenge Z = {0,1} Ideal für die technische Umsetzung: 1 Binärstelle 1 Bit Alle modernen Rechenmaschinen arbeiten mit dem Dualsystem. Zahlenbereich: Im Dualsystem lassen sich mit N Stellen alle Zahlen n N mit 0 n 2 N 1 darstellen.
23 Historische Rechenmaschinen I Abakus mechanische Zählräder 1623 Wilhelm Schickard, 1642 Blaise Pascal, 1673 Gottfried Wilhelm von Leibniz: Rechenmaschinen mit dekadischem System 1679 Leibniz: Dualsystem Konrad Zuse (Berlin): erster frei programmierbarer Rechner Z1 (mechanisch)
24 Rechenmaschinen II 1941 Konrad Zuse: elektromechanisch (Relais): Z Cambridge: rein elektronisch (Elektronenröhren): COLOSSOS 1947 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley: Transistor 1971 Mikroprozessor: Intel 2000 Pentium 4: 42 Millionen Transistoren auf 217 mm Dual-Core Itanium 2: 1200 Millionen Transistoren auf 596 mm 2...
25 Technische Realisierung kleinste Einheit (0 oder 1): Bit Bits werden in festen Längen zusammengefaßt. 8 Bits = 1 Byte mit 2 8 = 256 verschiedene Zuständen feste Anzahl Bytes für Zahlendarstellung üblich: 1,2,4,8 Bytes bzw. 8,16,32,64 Bits Bezeichnungen: BYTE, WORD, DWORD, QWORD (nicht einheitlich) Bereich von 64-Bit Zahlen: 0 z > = 18 Trillionen
26 Die ganzen Zahlen (anschaulich)..., 2, 1,0,+1,+2,... kennt (fast) jedes Kind beginnen nirgends es gibt positive und negative Zahlen Schulden, aber keine Tortenstücke
27 Problem: Die ganzen Zahlen (konstruktiv) Ist n > m, so hat x+n = m keine Lösung x N Ausweg: Erweitere N um x = (m,n) (wir schreiben m-n) Neues Problem: nicht eindeutig: x+2 = 1 und x+1 = 0 hätten verschiedene Lösungen Neuer Ausweg: Äquivalenzklassen (siehe Skript, Analysis I, Lineare Algebra I,...)
28 Zifferndarstellung: Vorzeichenbit Darstellung der positiven Zahlen: k z k z k 1...z 0 q = z i q i, i=0 z i Z = {0,1,...,q 1}. zusätzliches Symbol: Darstellung der negativen Zahlen: k z k z k 1...z 0 q = z i q i, i=0 z i Z = {0,1,...,q 1}. technische Realisierung: Vorzeichenbit
29 Dualdarstellung ganzer Zahlen mit Vorzeichenbit Z = {...,111 2,110 2,11 2,00 2,01 2,010 2,011 2,...} Eindeutigkeit bei endlich vielen Stellen: 1. Stelle: Vorzeichenbit Nachteile: Keine eindeutig bestimmte Darstellung der Null: 0 = 00 2 = 10 2 Addition natürlicher und ganzer Zahlen grundsätzlich verschieden
30 Dualdarstellung ganzer Zahlen mit Vorzeichenbit Z = {...,111 2,110 2,11 2,00 2,01 2,010 2,011 2,...} Eindeutigkeit bei endlich vielen Stellen: 1. Stelle: Vorzeichenbit Nachteile: Keine eindeutig bestimmte Darstellung der Null: 0 = 00 2 = 10 2 Addition natürlicher und ganzer Zahlen grundsätzlich verschieden
31 Dualdarstellung ganzer Zahlen mit Vorzeichenbit Z = {...,111 2,110 2,11 2,00 2,01 2,010 2,011 2,...} Eindeutigkeit bei endlich vielen Stellen: 1. Stelle: Vorzeichenbit Nachteile: Keine eindeutig bestimmte Darstellung der Null: 0 = 00 2 = 10 2 Addition natürlicher und ganzer Zahlen grundsätzlich verschieden
32 Dualdarstellung ganzer Zahlen mit Zweierkomplement Kochrezept: Das Zweierkomplement von n < 0 erhält man durch Dualdarstellung, Umklappen und 1 addieren Beispiel: N = 4 Bits vorhanden und n = 3 3 }{{} Dezimalzahl 0011 }{{} Dualdarstellung 1100 }{{} umklappen 1101 }{{} Zweierkomplement
33 Einfaches Rechnen mit dem Zweierkomplement Grundsätzlich keine Subtraktion nötig: a-b=a+(-b) Addition direkt auf negative Zahlen im Zweierkomplement erweiterbar: Beispiel: 3 3 = 3 +( 3) im 4-Bit-Zweierkomplement lautet:
34 Was steckt dahinter? komplementäre Potenzzerlegung: ( 1 z N 2 z 0 ˆ= 1+ ) (1 z i ) 2 i N 2 i=0 eindeutig bestimmte Darstellung der Null: 0 = asymmetrischer Zahlenbereich: z min 2 N 1 z 2 N 1 1 = z max
35 Nicht verwechseln mit Overflow... Beispiel N = Overflow-Desaster: Ariane 5 (4. Juni 1996)
36 Nicht verwechseln mit Overflow... Beispiel N = Overflow-Desaster: Ariane 5 (4. Juni 1996)
37 Andere Möglichkeiten... Asymmetrie des Zweierkomplements: 1000, 1001,..., 1101, 1110, 1111, 0000, 0001, 0010, 0011,..., 0111 exotische Alternative: q = 3, z 0 = 1, z 1 = 0, z 2 = 1 symmetrisch: 1111,..., 0010, 0011, 0001, 0000, 0001, 0011,0010,...,1111 technische Realisierung: Sowjetunion (S.L. Sobolev, 1958)
38 Andere Möglichkeiten... Asymmetrie des Zweierkomplements: 1000, 1001,..., 1101, 1110, 1111, 0000, 0001, 0010, 0011,..., 0111 exotische Alternative: q = 3, z 0 = 1, z 1 = 0, z 2 = 1 symmetrisch: 1111,..., 0010, 0011, 0001, 0000, 0001, 0011,0010,...,1111 technische Realisierung: Sowjetunion (S.L. Sobolev, 1958)
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