EINI I. Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure. Vorlesung 2 SWS WS 07/08

Transkript

1 EINI I Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure Vorlesung 2 SWS WS 07/08 FB Informatik - Universität Dortmund lars.hildebrand@udo.edu 1

2 Kap. 0: Prolog Gliederung Kapitel 0: Prolog Organisatorisches Technisches Übungen Anmerkungen zur Informatik Programmiersprachen und Denkweisen Ziel der Veranstaltung Schwerpunkte Literatur 2

3 Organisatorisches Lars Hildebrand FB Informatik, LS 1, Otto-Hahn-Str. 16, Zi. 204 Tel Sprechstunde: Fr, h (oder Vereinbarung) Vorlesung: Fr, HG II, HS 1 (!!!) Volker Weber Otto-Hahn-Strasse 16, Zi. 109, Tel volker.weber@udo.edu Marcel Martin Otto-Hahn-Strasse 14, Zi. 209, Tel marcel.martin@udo.edu 3

4 Organisatorisches HG II, HS3 O-H-16 Z 217 Übungen Campus Süd 4

5 Technisches Stellung der Vorlesung Vorlesung für Studierende anderer Fachbereiche Logistiker (1.Semester) Wirtschaftsingenieure (1.Semester) Chemie... 5

6 Technisches II Wesentliche Inhalte der Vorlesung Exemplarisch: Datenstrukturen + Algorithmen Prozedurale Programmierung mit C und einer Hinwendung zu C++ Teil 2: Objektorientierte Programmierung mit C++ Derzeit nicht für Logistiker und WIngs 6

7 Technisches III Darstellungsform in der Vorlesung: Präsentation: i.w. über Folien, aus dem Rechner heraus Unterlagen Vorab: Literatur (Literaturverweise auf nachfolgenden Folien beachten) Zudem: Online - Zugang zu Materialien/Infos zur Vorlesung: PowerPoint resp. PDF + evtl. Ergänzungen z.b. unter Schriftliche Ausarbeitung als Skript: nein 7

8 Technisches IV Übungen / Praktikum Leitung: Volker Weber, Marcel Martin Leitgedanke: Programmieren lernt man nur durch programmieren Eintragen von Wünschen für Übungs-/Praktikumsgruppen: Mo: & 14-17, Mi: 8-11 & 11-14, Fr: & In der Vorlesung auf den verteilten Zetteln Maximal 30 Teilnehmer pro Übungsgruppe Einteilung auf der Web-Seite Deutlich in Druckbuchstaben schreiben!! Verteilung der Übungsaufgaben in den Praktikumsübungen. Keine Übungsscheine! 8

9 Anregungen zur Veranstaltung EINI Zur Vorlesung Besuch der Vorlesung Nacharbeiten der Vorlesung anhand: Bücher Folien (inkl. eigener Ergänzungen!) zusätzlicher Literatur (angegebene und selbst gefundene; Fachbibliotheken aufsuchen, aus dem Netz!!) Zu Übungen/Praktikum: Besuch (bitte zu Hause vorbereiten!) aktive Teilnahme : Bearbeiten von Aufgaben (am Rechner!) (Vortragen der bearbeiteten Aufgaben) 9

10 Anregungen zur Veranstaltung EINI Zeitaufwand ca. die 2-fache Zeit außer der Zeit für den Besuch von Vorlesung, Übungen/Praktikum. Zu Prüfungen: EINI ist eingebunden in Klausuren Empfehlung: Vorbereitung in (Klein-)Gruppen In der Sache: Schriftlich vorliegendes Material (vor allem revidiertes Material) durcharbeiten. Erst in die "Breite", dann in die "Tiefe" lernen. Überblick bekommen, Zusammenhänge sehen. Dabei die Details auch beherrschen lernen. 10

11 Anregungen zur Veranstaltung EINI Zu Prüfungen: Beispiele zu allen wesentlichen Begriffen zurechtlegen. Üben, sich in Fachsprache auszudrücken (inkl. Formalismen!). Miteinander lernen Reihum Tutor/Prüfer spielen. Sonstige Informationen, insbesondere aus Fachschaft Anmeldung dann, wenn erfolgreiche Prüfungsvorbereitung gesichert ist. Zudem sollten Übungen/ Praktikum erfolgreich absolviert worden sein. Zeitaufwand : Individuell 11

12 Anmerkungen zum Begriff Informatik Ziel dieser Anmerkungen: Knappen Überblick (hier nur in Schlagworten möglich) über die Informatik geben, damit der Stoff dieser Vorlesung eingeordnet werden kann. Kernaspekt der Informatik: Informatik ist die Wissenschaft, die die methodische Beherrschung algorithmisch lösbarer Probleme behandelt. Erster Ansatz. (Wie später zu sehen, nur ein Aspekt!) --> Wesentlich: algorithmisch lösbares Problem und damit Begriff des Algorithmus. 12

13 Anmerkungen zum Begriff Informatik Hier nur intuitive Begriffsbestimmung. "Definition" (korrekt: informelle Umschreibung): Ein Algorithmus ist ein Verfahren zur Lösung von Einzelproblemen einer definierten Problemklasse. Dieses Verfahren ist formal so präzise definiert, dass es im Prinzip von einer Maschine (rein mechanisch) ausgeführt werden kann. 13

14 Anmerkungen zum Begriff Informatik Beispiel: Wir sagen: Eine Zahl n N ist gerade, gdw. es eine Zahl m N gibt, so dass gilt: n = m + m. Diese Eigenschaft kann rein mechanisch an ihrer Dezimaldarstellung entschieden werden: Algorithmus: Test auf Geradheit Gegeben: Ziffernfolge z Gesucht: Ist die dargestellte Zahl gerade? Damit ist die Problemklasse definiert: Jede Ziffernfolge ist ein Einzelproblem der Klasse Lösung: z stellt gerade Zahl dar letzte Ziffer {0,2,4,6,8}. 14

15 Anmerkungen zum Begriff Informatik Algorithmus: Test auf Geradheit Fortsetzung Die Lösung des vorgelegten Einzelproblems ist die (korrekte) Antwort auf die Frage: Stellt die Ziffernfolge eine gerade Zahl dar oder nicht? Diese Antwort lautet: ja, falls letzte Ziffer {0,2,4,6,8} nein sonst Mathematisch korrekt? (Übung) 15

16 Anmerkungen zum Begriff Informatik Ableitung typischer Fragestellungen und damit Abgrenzung von Teilgebieten der Informatik Spezifikation Wie werden Problemklassen und Einzelprobleme genügend exakt formuliert? Verifikation Eine Problemklasse lässt sich häufig durch eine Funktion, d.h. durch eine Abbildung f: I 0 (I: Inputs; O: Outputs) beschreiben. Ein Algorithmus A stellt zwischen den Eingaben und Ausgaben ebenfalls eine solche Abbildung dar f A : I 0, wobei I die Eingabemenge und 0 die Ausgabemenge ist. 16

17 Anmerkungen zum Begriff Informatik Verifikation (Fortsetzung) Man sagt: Der Algorithmus A ist korrekt bezüglich f, wenn gilt: f A = f, d.h. wenn A die spezifizierte Ein- Ausgabefunktion f realisiert. Der Nachweis dieser Korrektheit ist i.a. ein schwieriges Problem und wird mit Verifikation bezeichnet. Programmierung Wie wird das Verfahren beschrieben? Welche sprachlichen Mittel stehen zur Verfügung? Diese Fragen führen auf sehr unterschiedliche Rechenmodelle, die man zur Berechnung der Ein- Ausgabefunktion benutzen kann. 17

18 Anmerkungen zum Begriff Informatik Datenstrukturen: Objekte, auf denen unsere Algorithmen operieren. Die Objekte, die durch Algorithmen manipuliert werden, können strukturiert sein. Die Strukturierung dieser Objekte ist auf das Engste mit der Darstellung des Algorithmus verbunden. Algorithmus und Datenstruktur hängen somit untrennbar zusammen! Jede Formulierung eines Algorithmus enthält eine Beschreibung der Daten, auf denen der Algorithmus operiert. 18

19 Anmerkungen zum Begriff Informatik Effizienz Frage: Wenn verschiedene Algorithmen, etwa A und B, die gleiche Funktion zwischen Eingaben und Ausgaben herstellen (realisieren), wie kann man beurteilen, ob einer von ihnen besser ist als der andere? Zwei wichtige Maße zur Beurteilung von Algorithmen: Zeitkomplexität Raumkomplexität Diese Maße können zum Vergleichen von Algorithmen verwendet werden. 19

20 Anmerkungen zum Begriff Informatik Entwurfsmethodik ( Software Engineering) Wie entwickelt man komplexe Algorithmen/Systeme? Behandlung von Fehlern? Wiederverwendbarkeit Modifizierbarkeit Projektmanagement... Syntax-Semantik: Beispiel: ROM Informatik ist nicht: akademischer Programmierkurs Einweihung in die letzten noch offenen Geheimnisse eines konkreten Rechners. 20

21 Anmerkungen zum Begriff Informatik Weitere Versuche, den Begriff "Informatik" zu erfassen "Informatik" nach Informatik Spektrum (1985) Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatisierten Verarbeitung von Informationen. Sie erforscht grundsätzliche Verfahrensweisen der Informationsverarbeitung und allgemeine Methoden ihrer Anwendung in den verschiedensten Bereichen. Für diese Aufgabe wendet die Informatik vorwiegend formale und ingenieurmäßig orientierte Techniken an. Durch Verfahren der Modellbildung sieht sie beispielsweise von den Besonderheiten spezieller Datenverarbeitungssysteme ab; 21

22 Anmerkungen zum Begriff Informatik Die Informatik entwickelt Standardlösungen für die Aufgaben der Praxis. Diese Umschreibung sagt wenig über Inhalte, jedoch viel über die Methodik dieser Wissenschaft. Formale Methoden Modellbildung: Modelle = Abstraktionen von realen Sachverhalten 22

23 Anmerkungen zum Begriff Informatik Die Themen in diesen Gebieten umfassen u.a. Theoretische Informatik Mathematische Maschinen Automatentheorie Formale Sprachen (Syntax Theorie) Semantik von Programmiersprachen Berechenbarkeit Komplexität von Algorithmen Schaltwerktheorie/Theorie des Logikentwurfs Abstrakte Datentypen Theorie paralleler Prozesse Künstliche Intelligenz... 23

24 Anmerkungen zum Begriff Informatik Die Themen in diesen Gebieten umfassen u.a. Praktische Informatik Programmiersprachen (Anwendung, Methodik) Datenstrukturen und ihre Implementationen Compilerbau Betriebssysteme Datenbanken und Informationssysteme Software Engineering Computer Grafik und CAD Kommunikations-Software, Rechnernetze Expertensysteme Bildverarbeitung... 24

25 Anmerkungen zum Begriff Informatik Die Themen in diesen Gebieten umfassen u.a. Technische Informatik Rechnerarchitektur Speicherorganisation und -Technologie Schaltnetzwerke und Mikroprogrammierung Mikroprozessoren VLSI Entwurf Telekommunikation, Rechnerverbund (--> Internet, WWW) Peripheriegeräte Spracheingabe... 25

26 Anmerkungen zum Begriff Informatik Die Themen in diesen Gebieten umfassen u.a. Angewandte Informatik Praktisch alle Lebensbereiche werden heute von der Informatik berührt/ durchsetzt Medizinische Informatik (d.h. Informatik (resp. Geräte der Informatik), eingesetzt in der oder für die Medizin) Eingebettete Systeme Automobilindustrie Unterhaltungsindustrie Informatik und Gesellschaft v.a. gesellschaftliche Auswirkungen der Informatik IT-Sicherheit IP-Rechte, Open Source Software... 26

27 Anmerkungen zum Begriff Informatik "Informatik" nach "Brauer-Münch: Studien- und Forschungsführer Informatik, 3. Auflage, Springer 1996" " Das Gebiet der Informatik lässt sich wegen ihres universellen Charakters nicht einfach eingrenzen; der Begriff Informatik kann nicht knapp definiert werden, er hat sich in den letzten Jahren stark erweitert und wird sich schnell weiterentwickeln." Dennoch: "Informatik lässt sich... kennzeichnen durch die drei Begriffe Intelligenz-Formalismen-Technik 27

28 Anmerkungen zum Begriff Informatik Etwas konkreter: "Informatik ist die (Ingenieur-) Wissenschaft von der theoretischen Analyse und Konzeption der organisatorischen und technischen Gestaltung sowie konkreten Realisierung von (komplexen) Systemen aus miteinander und mit ihrer Umwelt kommunizierenden (in gewissem Maß intelligenten und autonomen) Agenten oder Akteuren, die als Unterstützungssysteme für den Menschen in unsere Zivilisation eingebettet werden müssen 28

29 Programmiersprachen und Denkweisen Vorbemerkung zu "Sprache" Denken Sprache Fachsprachen: für komplexe Sachverhalte mit akzeptablem Aufwand für Fachleute Programmiersprache: syntaktische Form, um Problemlösungen zu beschreiben muss von Maschine interpretiert werden können Der Programmierer muss genau wissen, wie die Maschine die vereinbarte Sprache interpretiert. 29

30 Programmiersprachen und Denkweisen Weniges zur Historie in den 30er Jahren: Präzisierung von - berechenbare Funktion Algorithmus (Turing-Maschine, µ-rekursive Funktion, λ-kalkül) in den 40er Jahren: Reale technische Entwicklung von Rechenmaschinen: K. Zuse, J. v. Neumann,... Auf Maschinen bezogene Programmiersprachen: Maschinensprache: nutzt direkt Registerstruktur, ALU der konkreten Maschine. Assemblersprache: symbolische Namen, mnemonische Bezeichnungen für Operationen ("Add") 30

31 Programmiersprachen und Denkweisen "Höhere" Programmiersprachen: abstrakter, verwenden komplexe "Formeln Geeignete Übersetzungsalgorithmen (Compiler, Assembler,...) erlauben (automatische) Rückführung auf "niedere" Sprachen. Unterschiedlich ausgeprägte Sprachen gestatten unterschiedlich gut, gewisse Denkweisen (siehe unten) zu unterstützen. 31

32 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen" (Paradigmen) Imperative/prozedurale Programmiersprachen Erlauben, eine abstrakte Maschine zu definieren mit: Speicherplätze für Datenobjekte, beschrieben durch (Programm-)Variable Wertzuweisung (Assignment) Expliziter Kontrollfluß (GOTO, FOR-Schleife,...) (Jedoch abstrakt an Maschine (- nach "unten" -) orientiert) Beispielsprachen: FORTRAN BASIC PASCAL C... 32

33 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen (Forts.) Funktionsbezogene Programmiersprachen Spezifikation des Eingabe - Ausgabeverhaltens für ein Problem als Funktion f : I O Black-Box: Beispielsprachen: LISP (List Processing, Datenstruktur: Listen (MacCarthy seit 1960)) Abkömmlinge/Dialekte:.. SCHEME (am MIT entwickelt) Möglich, hierin rein funktional zu programmieren Syntax sehr einfach Konzentration auf die Semantik Programme werden i. d. R. mit Hilfe eines Interpreters ausgeführt. 33

34 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen (Forts.) Relationen- (Logik-)bezogene Programmiersprachen Relation, aufzufassen als Menge von Beziehungen zwischen Objekten. Beispiel einer Relation: ist_kind_von Datenbasis (Fakten): Beispiel: Peter ist_kind_von Ursula Ursula ist_kind_von Ute Relationen mit Mitteln der Prädikatenlogik formalisierbar. 34

35 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen (Forts.) Logisches Programm Datenbasis (Menge von vorgegebenen Relationen) (s.o.) Menge von Regeln Beispiel: (x ist_enkel_von y) falls ((x ist_kind_von z) und (z ist_kind_von y)) Goal (Anfrage): Behauptung, dass eine Beziehung besteht. Beispiel: Gilt: Peter ist_enkel_von Ute? Interpreter versucht hier, mit Hilfe der Methoden des formalen Beweisens der Prädikatenlogik Goals zu beweisen. Beispielsprache: PROLOG 35

36 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen (Forts.) Objektorientierte Programmiersprachen Zentraler Begriff: Objekt: Größe/Entität beschrieben durch: Eigenschaften, die einem Objekt eigen sind. Z.B. Punkt "hat" die Koordinaten (x,y) Operationen, die daran ausgeführt werden können. Verschieben eines Punktes um (x,y) Abfrage, in welchem Quadranten ein Punkt liegt. Zentrales Vorgehen Operationen an Objekten ausführen Message passing 36

37 Programmiersprachen und Denkweisen Klassifikation nach "Denkweisen (Forts.) Objektorientierte Programmiersprachen Zentrales Anliegen: Effizientes Strukturieren der Beschreibung von Objekten Klassen, Klassenhierarchie Vererbung "Objektorientiertes" Programm beschreibt i.a. Kommunikation zwischen Objekten Beispielsprachen: Smalltalk, Eiffel, BETA (Vorläufer: Simula), C++ Erweiterungen imperativer Sprachen (z.b. Objective C, Delphi) Java 37

38 Ziel der Veranstaltung Praktische Einführung in einige Methoden der Informatik, insbesondere in die Programmierung. Einführung in eine Programmiersprache [C++] Einblick in wichtige Algorithmen [Sortieren, Suchen, Numerik,...] Überlegungen zur systematischen Konstruktion von Programmen 38

39 Schwerpunkte Erlernen einer Programmiersprache Studium wichtiger Grundalgorithmen Prozedurale Programmierung mit C und einer Hinwendung zu C++ Objektorientierte Programmierung mit C++ 39

40 Literatur Doberkat, E.E.: Das siebte Buch: Objektorientierung mit C++, Teubner Verlag, Stuttgart..., 2000 Stroustrup, B.: Die C++ Programmiersprache, Addison-Wesley-Longman, Bonn, Reading MA,... 3.Auflage 1998 Ellis,M., Stroustrup, B.: The annotated C++ Reference Manual, Addison-Wesley, Reading MA, 1990 Willms, A.: C++-Programmierung lernen, Addison-Wesley-Longman, Bonn, 1998 Im Netz z.b.: 40

41 Literatur Kernighan, B., Ritchie, D.: Programmieren in C, Hanser Verlag, München, (1.Auflage), 1990 (2.Auflage) Josuttis, N. : Objektorientiertes Programmieren Addison- Wesley, Bonn, 1994 (I) Josuttis, N. : Die C++-Standardbibliothek. Addison-Wesley, Bonn, 1996 (I/II) Schader, M.- Kuhlins, S.: Programmieren in C++, Springer-Verlag, Berlin, 1993 (I) Prinz, P., Kirch-Prinz, U.: C++,Lernen und professionell anwenden mitp-verlag, Bonn 2002 (2.Auflage) 41

42 Literatur Güting, H.: Datenstrukturen und Algorithmen, Teubner Verlag Stuttgart, 1992 Aho, A. E. -Ullman, J. D.: Foundations of Computer Science, Computer Science Press, Rockville, MD, 1992/1996 (Teil I) Aho, A. E.- Hopcroft, J.E.- Ullman, J.D.: Data Structures and Algorithms, Addison-Wesley, Reading, MA, 1982 (II) Corman, T. H. -Leiserson, C.E.- Rivest, R. L.: Introduction to Algorithms, The MIT Press, Cambridge, MA, 1990 (II) 42