Grundlagen der Informatik für Wissenschaftliche Anwendungen

Transkript

1 Grundlagen der Informatik für Wissenschaftliche Anwendungen Dr.-Ing. Eike Schallehn OvG Universität Magdeburg Fakultät für Informatik Institut für Technische und Betriebliche Informationssysteme 2017

2 Organisatorisches zu Vorlesung und Übung

3 Zum Inhalt (Planung)... 1 Einführung Informatik Informatik als Wissenschaft Bereiche der Informatik Geschichte der Informatik 2 Programmierung für wissenschaftliche Anwendung Grundlagen und Arten von Programmiersprachen Wissenschaftliche Programmierung mit Matlab Grundlagen: Funktionen, Variablen, Felder, Matrizen Kontrollstrukturen (Schleifen, Verzweigungen, etc.) Interaktion und Visualisierung 3 Modellierung Modellierung von Daten und Verhalten (UML, Alternativen) Grundlagen Objektorientierung (OO in Matlab) Modellbildung und Simulation (Matlab/Simulink) 4 Problemlösungsstrategien (mit Beispielen in Matlab) Optimierung/Algorithmenmuster Eigenschaften von Algorithmen Datenstrukturen Künstliche Intelligenz

4 Zugrundeliegende Literatur Programmieren mit MATLAB Von: Ulrich Stein Carl Hanser Verlag, 5. Auflage (2015) ISBN: Grundlagen der Informatik für Ingenieure Einführung in die Programmierung mit C / C++ Von: Paul, Georg / Hollatz, Meike / Jesko, Dirk / Mähne, Torsten B.G. Teubner Verlag ISBN: Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure Levi, Paul / Rembold, Ulrich Hanser Fachbuchverlag; Auflage: 4., aktualis. u. überarb. A. (Januar 2003) ISBN:

5 Zum Ablauf... Alle Infos unter Anmeldung zur Vorlesung Anmeldung zu Übungsgruppen Folien der Vorlesung Aufgaben zu Übungen Einreichung der Lösung zu Übungsaufgaben Veranstaltung besteht aus: Wöchentliche Vorlesung Wöchentliche Übungen Schriftliche Klausur am Ende des Sommersemesters

6 Prüfungen Zweistündige (Bearbeitungszeit 120 Minuten) schriftliche Prüfung in der vorlesungsfreien Zeit am Ende des Sommersemsters Inhaltlich abgedeckt durch Vorlesung und Übung Zuvor genannte Prüfungsvoraussetzung notwendige Bedingung für Zulassung Keine Hilfsmittel erlaubt!

7 Alles klar?

8 Teil I Einführung

9 Überblick 1 Was ist Informatik? 2 Bereiche der Informatik 3 Kurzvorstellung MATLAB 4 Geschichte der Informatik

10 Was ist Informatik? Informatik=?

11 Computer als Arbeitsmittel In der Informatik geht es genauso wenig um Computer wie in der Astronomie um Teleskope. Edsger Wybe Dijkstra

12 Der Begriff Informatik Kunstwort aus den 60ern Informatik Information + Technik oder Informatik Information + Mathematik oder Informatik Information + Automatik... Definition (Informatik) Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere mit Hilfe von Computern. Im Englischen: Computer Science + Information Science

13 Bereiche der Informatik Angewandte Informatik Entwicklung und Verwendung von speziellen Informationsverarbeitungslösungen für bestimmte Anwendungen: Ingenieurinformatik, Wirtschaftsinformatik, Geoinformatik, Bioinformatik, Medieninformatik, etc. Praktische Informatik Techniken der Programmierung und Entwicklung von Lösungen zur Informationsverarbeitung (Software): Programmiersprachen, Algorithmen, Datenstrukturen, Betriebssysteme, Datenbanken, etc. Technische Informatik Struktur, Aufbau und Funktionsweise von Computern (Hardware): Elektround Schalttechnik, Speicher, Prozessoren, Bussysteme, Schnittstellen und Peripherie Theoretische Informatik Theoretische und mathematische Modelle der Informationsverarbeitung: Entscheidbarkeit und Komplexität von Problemen, Eigenschaften von Berechnungsmodellen und Sprachen

14 Was ist MATLAB? MATrix LABoratory Spezialsoftware für numerische und symbolische Mathematik Stark ausgerichtet auf Arbeit mit Feldern und Matrizen Umfasst eigene Programmiersprache Bedeutung in zahlreichen wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Anwendungsfeldern Erweiterung Simulink häufig Grundlage für Simulation in Ingenieuranwendungen

15 MATLAB Entwicklungsumgebung

16 MATLAB als Programmiersprache Vollständige Programmiersprache Zahlreiche vordefinierte Bibliotheken für mathematische Funktionen und Nutzerinteraktion Einfaches Typsystem, das, wo immer möglich, Typen automatisch impliziert Objektorientierung als erweitertes Modellierungskonzept unterstützt Kopplung mit anderen Programmiersprachen möglich Intertpretierte, d.h. zur Laufzeit übersetzte, Skriptsprache Hello World-Programm: disp( Hello, World! );

17 Geschichte der Informatik Entwicklung von Informationstechnik und Durchdringung des Alltags seit der 2. Hälfte des 20 Jahrhunderts explosionsartig Informationsgesellschaft Zunehmende Bedeutung und Wert von Informationen Schnelle Entwicklung von Technologien zur Verarbeitung und Kommunikation Historische Wurzeln der Informatik reichen zum Teil erheblich weiter Zurück Rechenautomaten programmierbare Maschinen Grundlagen aus Mathematik, Elektrotechnik, Linguistik, Kodierungs- und Informationstheorie Seit 50er Jahren: Relativ schnelle Folge von Rechnergenerationen Immer mehr Anwendungen der Informationstechnik in Wirtschaft und Privatbereich

18 Geschichte der Informatik / v. Chr.: erste mechanische Rechenhilfen in Indien/China, z.b. bis heute benutzter Abakus auf Basis des Dezimalsystems Beschreibung von reproduzierbaren Rechenverfahren, z.b. größter gemeinsamer Teiler durch Euklid (300 v. Chr). Al-Chwarizmi (820) beschreibt Grundlagen von Rechenvorschriften, die nach ihm als Algorithmen bezeichnet werden Im 17. Jh.: Erste mechanische Rechenautomaten von Wilhelm Schickard (1623), Blaise Pascal (1641) und Gottfried Wilhelm Leibniz (1673)

19 Geschichte der Informatik /2 Abbildung: Blaise Pascals Pascaline

20 Geschichte der Informatik /3 Gottfried Wilhelm Leibniz beschreibt 1679 erstmals Dualsystem (Binärsystem), welches heute Grundlage für elektronische Rechner (Speicher, Prozessoren) ist 1110 = x x x x x x 101 Entwicklung erster mechanischer, programmgesteuerte Maschinen durch Joseph-Marie Jacquard (1805, Webstühle) und Charles Babbage (1822, mathematische Berechnungen) und Hollerith (1886, Lochkartensysteme, z.b. für Wahlmaschinen)

21 Geschichte der Informatik /4 George Boole entwickelt 1854 Boolsche Logik und Algebra, welche grundlegende logische Operatoren umfasst und damit Grundlage für Funktionsweise von heutigen Prozessoren ist 1936 entwickelt Alan Turing theoretische Turingmaschine und schafft Grundlagen der Theoretischen Informatik Entwicklung erster elektronischer Rechenmaschinen durch Konrad Zuse (1941), Howard Hathaway Aiken (1944) sowie J. Presper Eckert und John W. Mauchly (1946)

22 Geschichte der Informatik /5 John von Neumann entwirft grundlegende Von-Neumann-Architektur als bis heute aktuelle Referenz für Aufbau von speicherprogrammierbaren Rechnersystemen Zentrale Vearbeitungseinheit Rechenwerk Steuerwerk Bus Ein-/Ausgabe Speicherwerk Erstes Computerspiel: Spacewar (1962) Unix als Mehrbenutzer-/Multitasking-Betriebssystem (1969) Arpanet mit TCP/IP Grundlage für heutiges Internet (1969) Grundlagen des World Wide Web: HTML und erster Web Browser (1990)

23 Zusammenfassung: Geschichte der Informatik Wurzeln der Informatik Algorithmen Rechentechnik Mathematische Grundlagen reichen weit zurück Seit 1950 sprunghafte Entwicklung Aber: trotz stetiger Neuerungen Grundlagen heutiger Technik seit Jahrzehnten relativ stabil Informatik ist nicht so schnelllebig, wie man vielleicht denkt