Folienpaket 4 Themenschwerpunkte: Kontrollstrukturen: Schleifen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
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- Rainer Jaeger
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1 Folienpaket 4 Themenschwerpunkte: Kontrollstrukturen: Schleifen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
2 Konstrollstrukturen Kontrollstrukturen sind Mechanismen in Programmiersprachen, um den Ablauf des Programms zu steuern: Block-Einteilung: Mengenklammern Bedingte Ausführung: if/else Wiederholte Ausführung: while/do/for Sprungbefehle: switch/case/break benutzen wir im Kurs nicht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
3 Bedingte Ausführung Schon gesehen: if (Bedingung ) {Block1 else {Block2 Die Bedingung steuert, welcher der beiden Blöcke ausgeführt wird. Anwendungen: Kontrolle, Fehlervermeidung, Fallunterscheidung etc. Styleguide: Blöcke sind einzurücken, die Bedingung sollte Leerzeichen und Klammern enthalten. Die öffnende Mengenklammer steht in gleicher Zeile wie das if /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
4 Schleifenprogrammierung Manchmal müssen Operationen sehr oft ausgeführt werden: Beispiele: int a, b; a = 123; // Berechne a 4 b = a * a * a * a; // Berechne a 10 b = a * a * a * a * a * a * a * a * a * a; Jetzt wird es unangenehm: // Berechne a b =??? /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
5 Schleifenprogrammierung Eine Schleife ist ein Block, der abhängig von einer Bedingung wiederholt ausgeführt wird. Es gibt drei Arten von Schleifen in Java: while-schleifen: Bedingung steht vor dem Block (wie bei if) do-schleifen: Bedingung steht hinter dem Block for-schleifen: Spezialisierte Zählschleife. Bestimmte Schleifentypen passen zu bestimmten Wiederholungssituationen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
6 Schleifenbefehl while Die while-schleife ist die einfachste Schleife. Die Bedingung im while-ausdruck ist wie beim if-ausdruck ein Vergleich, eine logische Operation oder eine boolean-variable: while (Bedingung ) { Block Typischerweise wird vor dem Start der Schleife eine Kontrollvariable angelegt, die dann in der Bedingung auftaucht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
7 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Für die Kontrolle der Schleife benutzen wir eine Zählvariable n /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
8 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Variable zum Zählen wird deklariert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
9 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Variable zum Zählen wird initialisiert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
10 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n 5, der Block wird betreten /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
11 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Ausgabe von n = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
12 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; n wird auf 2 hochgesetzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
13 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
14 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Ausgabe von n = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
15 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; n wird auf 3 hochgesetzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
16 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
17 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Ausgabe von n = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
18 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; n wird auf 4 hochgesetzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
19 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
20 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Ausgabe von n = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
21 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; n wird auf 5 hochgesetzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
22 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
23 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Ausgabe von n = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
24 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; n wird auf 6 hochgesetzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
25 Schleifenbefehl while Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 int n; n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Überprüfung, ob n 5 Abbruch /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
26 Schleifenbefehl while Anderes Beispiel: Zähle Vielfache von 3 bis 30 short n; n = 3; while (n <= 30) { System.out.print(n + " "); n = n + 3; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
27 Variableneinsatz In einer Schleife gibt es drei Einsatzmöglichkeiten für Variablen: Ergebnisvariablen: Werden zur Berechnung verwendet und müssen vor Beginn der Schleife initialisiert werden. Kontrollvariablen: Tauchen in der while-bedingung auf. Hilfsvariablen: Werden in der Schleife deklariert und von Java nach Beendigung der Schleife aus dem Speicher entfernt. Beispiel: Um den Wert n! = n auszurechnen benötigt man drei Variablen: Ein k zum Zählen (Kontrolle), ein f für den Fakultätswert (Ergebnisvariable) und das n (Ergebnisvariable) /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
28 Beispiel Ergebnis- und Kontrollvariablen müssen vor der Schleife deklariert werden: // Startwerte muessen stimmen! int n = eingabe.nextint(); int k = 1; int m = 1; while (k <= n) { m = m * k; k = k + 1; System.out.println("n! ist " + m); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
29 Beispiel Berechne die Summe k = k=0 Hier wird eine Hilfsvariable eingesetzt, es gibt sie nur im Schleifenblock: int k = 0; double m = 0; // It's just too long while (k <= 100) { double d = Math.pow(2.0, k); m = m + d; k = k + 1; double d = -3; // Muss hier neu deklariert werden /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
30 Aufgabe Schreiben Sie eine while-schleife, die aufaddiert. y = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
31 Aufgabe Schreiben Sie eine while-schleife, die y = aufaddiert. Eine mögliche Lösung: int y = 0; // Ergebnisvariable int k = 1; // Kontrollvariable while (k <= 100) { y = y + k * k; k = k + 1; y = y + 2; System.out.println("Die Summe ist " + y); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
32 Aufgabe Es sei f (x) = x 3 6x 2 25x 18. Schreiben Sie eine while-schleife, die ein n N sucht mit f (n) = /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
33 Aufgabe Es sei f (x) = x 3 6x 2 25x 18. Schreiben Sie eine while-schleife, die ein n N sucht mit f (n) = 0. int n = 1; while ((n * n * n - 6 * n * n - 25 * n - 18)!= 0) { n = n + 1; System.out.println("Nullstelle ist " + n); In der Bedingung steht die negierte Zielaussage, die Schleife soll weiterlaufen wenn die Zielaussage noch nicht erfüllt ist. Sehr unschön: n ist gleichzeitig Ergebnis und Kontrollvariable und wir vertrauen dem Autor hier, dass es wirklich eine Nullstelle n < 2 31 gibt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
34 Aufgabe Es sei f (x) = x 3 6x 2 25x 18. Schreiben Sie eine while-schleife, die ein n N sucht mit f (n) = 0. int n = 0; boolean gefunden = false; while ( (!gefunden) && (n >= 0) ) { n = n + 1; if ((n * n * n - 6 * n * n - 25 * n - 18) == 0) { gefunden = true; if (gefunden) System.out.println("Nullstelle ist " + n); Wenn keine Nullstelle dabei ist, tritt ein Überlauf zu n = 2 31 auf und die Schleife endet mit gefunden==false /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
35 Schleifenbefehl do Die do-schleife funktioniert wie die while-schleife, nur wird die Bedingung am Ende des Blocks geprüft und nicht am Anfang. Dadurch wird der Block mindestens einmal ausgeführt. do { Block while (Bedingung ); Styleguide: Schlüsselwörter do und schließende Mengenklammer des Blocks auf gleicher Höhe und der Schleifenblock selbst wird eingerückt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
36 Schleifenbefehl do Ein Beispiel: Zähle von 1 bis 5 byte n; n = 1; do { System.out.print(n + " "); n = n + 1; while (n <= 5); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
37 Schleifenbefehl do Ein Beispiel: Benutzereingabe kontrollieren double x; do { System.out.println("Geben Sie ein x>0 ein:"); x = eingabe.nextdouble(); while (x <= 0); Das geht nicht mit einer while-schleife: Der Benutzer muss etwas eingegeben haben bevor die Bedingung geprüft wird /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
38 Aufgabe Schreiben Sie eine do-schleife, die Zahlen vom Benutzer abfragt bis er Null eingibt. Danach soll der Mittelwert der Zahlen ausgegeben werden /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
39 Aufgabe Schreiben Sie eine do-schleife, die Zahlen vom Benutzer abfragt bis er Null eingibt. Danach soll der Mittelwert der Zahlen ausgegeben werden. double s = 0; double x; int n = 0; do { x = eingabe.nextdouble(); s = s + x; n = n + 1; while(x!= 0); s = s / (n - 1); System.out.println("Mittelwert ist " + s); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
40 Zählschleifen Es fällt auf, dass Zählschleifen immer die gleiche Form haben: int n = 1; while (n <= 5) { System.out.println(n); n = n + 1; Es wird eine Zählvariable deklariert, eine Bedingung festgelegt und die Zählvariable gezählt. Diese drei Komponenten werden im for-befehl kombiniert /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
41 Schleifenbefehl for Die häufigste Schleife in Java ist die for-schleife: for (Startanweisung ; Bedingung ; Zählbefehl ) {. Schleifenblock. Dabei wird der Block wiederholt, solange die Bedingung richtig ist (Prüfung vor dem Block). Die drei Bestandteile des for-befehls werden durch Semikolon getrennt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
42 Schleifenbefehl for Praktisch: Im Programmblock steht nur, was in der Schleife wirklich produziert/berechnet werden soll. Befehle zur Kontrolle der Schleife stehen nur im for-ausdruck. Dieses Programm gibt 10mal HelloWorld aus: for (int n = 1; n <= 10; n = n + 1) { System.out.println("HelloWorld"); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
43 Schleifenbefehl for Dieses Programm gibt 10mal HelloWorld aus: for (int n = 1; n <= 10; n = n + 1) { System.out.println("HelloWorld"); Eine Zählvariable n vom Datentyp int startet bei /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
44 Schleifenbefehl for Dieses Programm gibt 10mal HelloWorld aus: for (int n = 1; n <= 10; n = n + 1) { System.out.println("HelloWorld"); Der Block wird wiederholt, solange sie 10 ist, also 10mal /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
45 Schleifenbefehl for Dieses Programm gibt 10mal HelloWorld aus: for (int n = 1; n <= 10; n = n + 1) { System.out.println("HelloWorld"); Nach jedem Block wird n um Eins erhöht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
46 Schleifenbefehl for Dieses Programm gibt 10mal HelloWorld aus: for (int n = 1; n <= 10; n = n + 1) { System.out.println("HelloWorld"); Wichtig: Die Variable n existiert nur in der Schleife. Variablen für Ergebnisse müssen schon vor der eigentlichen Schleife deklariert werden! /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
47 Schleifenbefehl for Dieses Programm berechnet y = : double y = 1; double x = 0.2; for (int n = 1; n <= 100; n = n + 1) { y = y * x; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
48 Schleifenbefehl for Dabei ist es nicht notwendig, dass der Zähler immer um Eins erhöht wird: double y = 1; for (int n = 1; n <= 7; n = n + 2) { y = y * n; System.out.println(y); Dieses Programm ergibt die Ausgabe /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
49 Aufgabe Lassen Sie a und b eingeben und berechnen Sie y = b a : /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
50 Aufgabe Lassen Sie a und b eingeben und berechnen Sie y = b a : int a = eingabe.nextint(); double b = eingabe.nextdouble(); double y = 1; for (int n = 1; n <= a; n = n + 1) { y = y * b; System.out.println("Potenz ist " + y); Was passiert bei Eingabe a = 0? /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
51 Beispiel Gesucht sind 10 Zahlen in N mit Rest 5 bei Division durch 11. Idee: Kombiniere for und if. int k = 1; for (int n = 1; n <= 10; k = k + 1) { if ((k % 11) == 5) { System.out.println(k); n = n + 1; In der Schleife wird k statt n gezählt, damit stoppt die Schleife nicht nach den ersten zehn natürlichen Zahlen, sondern nach den ersten zehn Zahlen, welche die if-bedingung erfüllen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
52 Details zur for-schleife Bei einer for-schleife sind die im for-befehl angelegten Variablen nur zur Kontrolle der Schleife da und werden nach Abschluss der Schleife gelöscht. Außerhalb der Schleife existieren Sie nicht. Die für das Ergebnis notwendigen Variablen müssen vor der Schleife angelegt werden, damit sie auch nach Abschluss der Schleife noch vorhanden sind und benutzt werden können. Typischerweise nimmt man kurze Namen wie k oder j zum Zählen: double y = 1; for (int j = 0; j < 10; j = j + 1) { y = y * 2; for (int j = 0; j < 10; j = j + 1) { y = y * 3; System.out.println("Das j ist weg, und y ist " + y); int j = 10; // muss neu deklariert werden wenn man es braucht /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
53 Schleifen Nochmal zur Erinnerung: javac übersetzt nur Befehle int m=0;for (int n=0;n<=10;n=n+1) {m=m+n; m=m/2; ergibt das gleiche Programm wie int m = 0; for (int n = 0; n <= 10; n = n + 1) { m = m + n; m = m / 2; Das letzte kann man aber besser lesen und verstehen /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
54 Planung einer Schleife Bevor Sie eine Schleife programmieren müssen Sie planen: Was soll die Schleife erledigen? ( Befehlsblock) Wie oft soll sie wiederholt werden? ( Bedingung) Womit kann man sie kontrollieren? ( Variablen) Welcher Schleifentyp? ( while/do/for) Schleifentypen sind für bestimmte Probleme geeignet: Interaktion/Eingabe vom Benutzer: do-schleife Zählen, Summieren, Suchen, usw: for-schleife Alles andere: while-schleife /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
55 Erste Hausaufgabe Heute erste Hausaufgabe auf dem Übungsblatt: Kann im Rechenzentrum oder zu Hause bearbeitet werden, fertiger Java-Quelltext wird im ILIAS des KIT hochgeladen. Wenn es nicht anders geht: Lösung per Mail an Dozenten, Keine Note/Bewertung, dient der Selbsteinschätzung und Rückmeldung, ist aber alleine zu bearbeiten ohne Hilfestellung. Schicken Sie nur Programme ab, für die eclipse keine Fehler (rot) mehr zeigt. Warnungen (gelb) sind ok, insb. beim Scanner /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
56 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
57 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); Zähler nicht richtig initialisiert: Schleife tut garnichts int k = 1; while(k < 9) { System.out.print("!"); /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
58 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); Zähler nicht richtig initialisiert: Schleife tut garnichts int k = 1; while(k < 9) { System.out.print("!"); Kontrollvariable in Block vergessen: Endlosschleife Rettung: Abbruch-Knopf oder Strg-C im Konsolenfenster. int k = 1; while(k < 9) { k = 2; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
59 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); Zähler nicht richtig initialisiert: Schleife tut garnichts int k = 1; while(k < 9) { System.out.print("!"); Kontrollvariable in Block vergessen: Endlosschleife Rettung: Abbruch-Knopf oder Strg-C im Konsolenfenster. int k = 1; while(k < 9) { k = 2; Ausgabe in Block vergessen: Programm friert ein byte k = 1; while(k < 300) { System.out.println("byte me"); k = k + 1; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
60 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); Zähler nicht richtig initialisiert: Schleife tut garnichts int k = 1; while(k < 9) { System.out.print("!"); Kontrollvariable in Block vergessen: Endlosschleife Rettung: Abbruch-Knopf oder Strg-C im Konsolenfenster. int k = 1; while(k < 9) { k = 2; Ausgabe in Block vergessen: Programm friert ein byte k = 1; while(k < 300) { System.out.println("byte me"); k = k + 1; Variablenüberlauf führt zu Endlosschleife short k = 10; while (k!= 1) { System.out.println("too short?"); k=k+1; /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
61 Typische Fehler in Schleifen int k = 10; while(k < 9) { System.out.print("Hmmm"); Zähler nicht richtig initialisiert: Schleife tut garnichts int k = 1; while(k < 9) { System.out.print("!"); Kontrollvariable in Block vergessen: Endlosschleife Rettung: Abbruch-Knopf oder Strg-C im Konsolenfenster. int k = 1; while(k < 9) { k = 2; Ausgabe in Block vergessen: Programm friert ein byte k = 1; while(k < 300) { System.out.println("byte me"); k = k + 1; Variablenüberlauf führt zu Endlosschleife short k = 10; while (k!= 1) { System.out.println("too short?"); k=k+1; 1 wird nach erstem Überlauf erreicht, der k auf setzt /2016 Dr. Daniel Haase - Vorkurse Informatik V3/V4
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