Vorlesungsinhalte. Programmiersprachen: Haskell 98: funktional, höherer Ordnung, polymorph typisiert, Interpreter

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1 Vorlesungsinhalte Programmiersprachen: Haskell 98: funktional, höherer Ordnung, polymorph typisiert, Interpreter Python 2.3: imperativ, objektorientiert, schwach typisiert, Interpreter P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 1

2 Unterlagen und Buchempfehlungen Skript zur Vorlesung wird bereitgestellt Skript zu den mathematischen Grundlagen und Exkursen Haskell-Einführungs-Buch Einführung in die Programmierung mit Haskell von Manuel Chakravarty und Gabriele Keller Online-Dokumentation zu Haskell und Python P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 2

3 Vorlesung Themen: Algorithmen Programmierung in Haskell Programmierung in Python Auswertung von Programmen (Haskell und Python) Ressourcenbedarfs-Analyse von Programmen Datenstrukturen, Listen Sortieren und Suchen Algorithmenentwurf parallele Auswertung Exkurse: Logik Relationen und Ordnungen kontextfreie Grammatik reguläre Ausdrücke Graphen und Bäume P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 3

4 Einführung: Was ist Informatik? Informatik (Computer Science) die Wissenschaft, Technik und Anwendung der automatischen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Information. P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 4

5 Informatik an der Universität Frankfurt Praktische Informatik: Betriebssysteme, Verteilte Systeme, Datenbanken, Programmiersprachen und Übersetzer, graphische Datenverarbeitung, Künstliche Intelligenz,... Technische Informatik: Hardware-Architekturen, Schaltungen, digitale und analoge Schaltkreise... Theoretische Informatik: Komplexität, effiziente Algorithmen, Automaten, formale Sprachen, mathematische Grundlagen, Berechenbarkeit, Kryptographie P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 5

6 Angewandte Informatik (kein Teil des Diplomstudiengangs) Anwendung in anderen Disziplinen, Entwicklung spezieller Verfahren, Untersuchung der Anwendbarkeit, Wirtschaftsinformatik,... Bio-Informatik (Studiengang am Fachbereich) Genomfunktionsanalyse,... Informatik und Gesellschaft: (andere Fachbereiche) ethische, rechtliche und soziale Aspekte,... Erforderlich im Lehramtsstudiengang (L3)

7 Informatik im Beruf DV-Industrie Entwicklung von Hardware- und System-Software Vertrieb Ausbildung Management Anwendung Entwicklung, Pflege von Anwendungssoftware Organisation des DV-Einsatzes Ausbildung Management Grundlagen- und Anwendungsforschung Industrie öffentliche Forschungsinstitute Hochschulen P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 7

8 kommerzielle DV Einsatzgebiete Buchhaltung, Lagerhaltung, Kontoführung, Reservierungen,... einfache Berechnungen, umfangreiche Daten, viele Datenbewegungen Abbildung der Realität in ein Modell, Umfang der Programme Datenverwaltung Dokumentenarchiv, Literaturdatenbank, Web Server,... Sortier- und Such-Probleme Menge der Daten, Klassifikation, Abspeicherung, Zugriffszeit Kommunikation, Multimedia WorldWideWeb, Internet, , Telefon,... Suchmaschinen, Digitalisierung, Geldtransfer,... Verfügbarkeit, Sicherheit, Ausführungszeiten, Datenvolumen, verschiedene Sprachen, Alphabete,... P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 8

9 Unterhaltung und Ausbildung Computerspiele, Lernprogramme,... Ergonomie, didaktische Gestaltung Grafik, Multimedia, Ausführungszeiten, Peripherieanschlüsse

10 Einsatzgebiete wissenschaftlich-technische DV Wettervorhersage, Konstruktion, Optimierung,... umfangreiche numerische Berechnungen, relativ wenig ext. Daten numerische Exaktheit, Modellierung, Ausführungszeit Prozesssteuerung Fertigungsstraße, Flugsicherung, Kraftwerk,... einfache Berechnungen, Echtzeit, kurze Reaktionszeiten Zuverlässigkeit, Antwortzeit, Vernetzung Eingebettete Systeme Handy, Automobil, Waschmaschine,... einfache Berechnungen, geringer Speicherbedarf Zuverlässigkeit, Antwortzeit, Robustheit Automobil, Airbus,... sicherheitskritische Anwendungen Zuverlässigkeit, Antwortzeit, Robustheit P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 10

11 Qualitätskriterien bei Entwicklung und Einsatz von Software Korrektheit Effizienz Zuverlässigkeit Benutzerfreundlichkeit Erweiterbarkeit Soziale Verträglichkeit P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 11

12 Informatiker Vereinigungen Gesellschaft für Informatik (GI) Association for Computing Machinery (ACM) Viele weitere lokale und spezialisierte... P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 12

13 Nochmal: Was ist Informatik? Informatik (Computer Science) die Wissenschaft, Technik und Anwendung der automatischen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Information. P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 13

14 Informatik: Aufgaben und Ziele Automatisierung: elektronisches Gerät (Rechner, Chip,... ) Modellierung und Abstraktion: Vermeidung von Fehlfunktion Reduktion von Komplexität Schnittstellen algorithmische Modellierung Verifikation, Sicherheit, Kryptographie P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 14

15 Abstraktionen und Schnittstellen Beispiele: Betriebssystem Programmiersprache Compiler Hardware-Entwurf OSI-Schichtenmodell Schnittstelle zur Hardware Abstraktion und Modellierungsmöglichkeiten Verbindet verschiedene Abstraktions-Schichten Logische Ebene ; Gatter-Ebene definiert 7 (Abstraktions-) Schichten 1. Bitübertragungsschicht 2. Sicherungsschicht 3. Vermittlungsschicht 4. Transportschicht 5. Kommunikationssteuerungsschicht 6. Darstellungsschicht 7. Anwendungsschicht P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 15

16 Programmierung = Modellierung Realität, reale Sachverhalte Kodierung Eingabe Abstraktion Darstellung im Rechner kausale Veränderungen veränderte Sachverhalte Dekodierung Ausgabe Interpretation Algorithmus Darstellung im Rechner P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 16

17 Beispiele von Programmier- und Beschreibungssprachen Zur Modellierung / Beschreibung je nach Ziel und Anwendung: Rohdaten Zahlen, Strings,... Strukturierte Daten Listen, Bäume, Graphen,... Dokumente und HTML, XML,... Datenbeschreibungen Abfragen SQL, XQuery,... Algorithmen Assembler, Cobol, Fortran, C, C++, Java, Pascal, Haskell, Python, Visual Basic,... Spezifikationen UML, Z,... P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 17

18 theoretische Grenzen Grenzen der Informatik Berechenbarkeit: es gibt algorithmisch unlösbare Probleme, d.h. Klassen von Problemen, für die es kein Programm gibt, das für alle Probleme dieser Klasse terminiert und die richtige Lösung liefert. Komplexität: es gibt Problemklassen, in denen zu schwierige Probleme sind: Die Eingabe ist einfach, aber die Bearbeitung (Lösung) braucht zuviel Zeit oder Platz. physikalische / technische Grenzen Lichtgeschwindigkeit, Informationsgehalt,... Fehleranfälligkeit großer Programme (-Systeme) P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 18

19 Modellierung entspricht nicht genau der Realität Reelle Zahlen sind nur approximiert (Float, Double,...) Simulationen, Wettervorhersage,... ethische / soziale Grenzen gesellschaftliche Verantwortung des Entwicklers? welche Tätigkeiten wollen wir dem Computer nicht überlassen?

20 Modellierung in der Informatik Beobachter Repräsentation Deutung A b 001 Verarbeitung B Z $ 981 Der Computer verarbeitet nur Repräsentationen! P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 20

21 Syntax und Semantik Syntax Semantik digitale Repräsentation Regeln zur Bildung von Programmen einer Programmiersprache Bedeutung der Repräsentation inhaltliche Bedeutung formale (mathematische) Bedeutung Beispiel Zahlen Syntax Semantik XXIV 24 (römische Zahl) einmal als Zeichen, einmal als Zahl 8 Strichzählung P raktische Informatik 1, W S 2004/05, F olien Anfang,(19. Oktober2004) Seite 21