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EINIEINIEinführung in die Informatik Einführung in die Informatik

für Naturwissenschaftler für Naturwissenschaftler und Ingenieure Iund Ingenieure I

Vorlesung 2 SWS WS ‘99/00

Gisbert Dittrich

FBI Unido

[email protected]

Kapitel 0: PrologVorl “EINI-I"Prof. Dr. G. Dittrich

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Gliederung Prolog Teil IIGliederung Prolog Teil II

• Anmerkungen zur "Informatik"• Ziel der Veranstaltung• Schwerpunkte• Aufbau der Veranstaltung• Literatur


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Anmerkungen zur "Informatik"Anmerkungen zur "Informatik"

• Ziel: – Knappen Überblick über die Informatik geben, damit

der Stoff dieser Vorlesung eingeordnet werden kann.

• Kernaspekt der Informatik– Erster Ansatz: (Wie später zu sehen, nur ein Aspekt!)

• Informatik ist die Wissenschaft, die die methodische Beherrschung algorithmisch lösbarer Probleme behandelt.

• Wesentlich: algorithmisch lösbares Problem und damit Begriff des Algorithmus.


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– 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.


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• 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}.


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• 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? Mathematisch korrekt ? (Übung)– Diese Antwort lautet: “ja” oder “nein”.


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• Ableitung typischer Fragestellungen und damit Teilgebiete 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

fA: I -> 0, wobei I die Eingabemenge und 0 die Aus-gabemenge ist.


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Anmerkungen zur "Informatik“Anmerkungen zur "Informatik“

– Verifikation (Fortsetzung)• Man sagt: Der Algorithmus A ist korrekt bezüglich f,

wenn gilt: fA= 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.


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– 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.


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– 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.


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– 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.


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• 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


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Datenverarbeitungssysteme ab; sie 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

– Die Themen in diesen Gebieten umfassen u.a.:


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– 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


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– 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• Mensch-Maschine-Interaktion • .............


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– Technische Informatik• Rechnerarchitektur• Speicherorganisation und -Technologie• Schaltnetzwerke und Mikroprogrammierung• Mikroprozessoren• VLSI Entwurf• Telekommunikation, Rechnerverbund (--> Internet,

WWW)• Peripheriegeräte• Spracheingabe• Bildabtastung• .........


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– Angewandte Informatik• z.B. Medizinische Informatik (d.h. Informatik (resp.

Geräte der Informatik), eingesetzt in der oder für die Medizin)

--> Praktisch alle Lebensbereiche werden heute von der Informatik berührt/ durchsetzt

– Informatik und Gesellschaft• v.a. gesellschaftliche Auswirkungen der Informatik


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• "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“


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• Etwas allgemeiner:– " 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 kommuni-zierenden (in gewissem Maß intelligenten und autono-men) Agenten oder Akteuren, die als Unterstützungs-systeme für den Menschen in unsere Zivilisation eingebettet werden müssen.


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• (Mit Agenten/Akteuren sind Softwaremodule, Maschinen (zum Beispiel Staubsauger) oder roboterartige Geräte gemeint.)"(Interpunktion geändert)

– Geht also deutlich über die Sichtweise von "Informatik" als "Computerwissenschaft" hinaus !!

– Informatik hat Bezug zu fast allen Bereichen !!!


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Programmiersprachen und DenkweisenProgrammiersprachen und Denkweisen

• Vorbemerkung zu "Sprache"– Denken <--> Sprache– Fachsprachen:

• für komplexe Sachverhalte mit akzeptablem Aufwand

• für Fachleute

– Programmiersprache: • syntaktische Form, um Problemlösungen zu beschrei-

ben

• muß von Maschine interpretiert werden können

– >Der Programmierer muß genau wissen, wie die Maschine die vereinbarte Sprache interpretiert.


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• Weniges zur Historie– in den 30er Jahren:

• Präzisierung von - berechenbare Funktion - Algorithmus

– (Turing-Maschine, -rekursive Funktion, -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")


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• "Höhere" Programmiersprachen: abstrakter, verwenden komplexe "Formeln"

Geeignete Übersetzungsalgorithmen (Compiler, Assem-bler, ..) erlauben (automatische) Rückführung auf "niedere" Sprachen.

– Unterschiedlich ausgeprägte Sprachen gestatten unterschiedlich gut, gewisse Denkweisen (siehe unten) zu unterstützen.


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• Klassifikation nach "Denkweisen" (Paradigmen)– "Problemorientiert":

• Erlaubt, 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)

• Diese Sprachen werden auch imperative/prozedurale Sprachen genannt.

• Beispielsprachen:– FORTRAN - BASIC - PASCAL - C - ..........


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• 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.

fi ∈ I( ) = f i o∈ O


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• Klassifikation nach "Denkweisen“ (Forts.)– Relationen- (Logik-)bezogene Programmiersprachen:

• Relation auffaßbar als Menge von Beziehungen zwischen Objekten.

• Beispiel: - ist Kind von -: Peter ist Kind von Ursula Ursula ist Kind von Ute

• Relationen mit Mitteln der Prädikatenlogik formalisier-bar.


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• Klassifikation nach "Denkweisen“ (Forts.)• Logisches Programm:

– Datenbasis (Menge von vorgegebenen Relationen)– Menge von Regeln– Goal (Anfrage): Behauptung, daß eine Beziehung

besteht.

• Interpreter versucht hier, mit Hilfe der Methoden des formalen Beweisens der Prädikatenlogik Goals zu beweisen.

• Beispielsprache: PROLOG


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• 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.– Z.B.: - Verschieben eines Punktes um (x,y)

- Abfrage, in welchem Quadranten ein Punkt liegt.

- Zentrales Vorgehen:• Operationen an Objekten ausführen --> Message passing


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• Klassifikation nach "Denkweisen“ (Forts.)– 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++, • weitere Erweiterungen imperativer Sprachen

(z.B. Objective C, Object Pascal, ...)

• Java


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Ziel der VeranstaltungZiel der Veranstaltung

• Praktische Einführung in einige Methoden der

Informatik, insbesondere in die Programmie-

rung.

• Einführung in eine Programmiersprache [C++]

• Einblick in wichtige Algorithmen [Sortieren,

Suchen, Numerik,...]

• Überlegungen zur systematischen Konstruktion

von Programmen


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SchwerpunkteSchwerpunkte

• Erlernen einer Programmiersprache• Studium wichtiger Grundalgorithmen

• In diesem Semester: prozedurale Programmierung mit C und einer Hinwendung zu C++

• Im nächsten Semester: objektorientierte Programmierung mit C++


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Vorlesung

Übungen

Praktikum

Aufbau der VeranstaltungAufbau der Veranstaltung


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LiteraturLiteratur

• A. E. Aho, J. D. Ullman: Foundations of Computer

Science. Computer Science Press, Rockville, MD,

1992/1996 (Teil I)

• A. E. Aho, J.E. Hopcroft, J.D. Ullman: Data Structures and Algorithms. Addison-Wesley, Reading, MA, 1982 (II)

• T. H. Corman, C.E. Leiserson, R. L. Rivest: Introduction to

Algorithms. The MIT Press, Cambridge, MA, 1990 (II)

• N. Josuttis: Objektorientiertes Programmieren Addison-

Wesley, Bonn, 1994 (I)


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LiteraturLiteratur

• N. Josuttis: Die C++-Standardbibliothek. Addison-Wesley,

Bonn, 1996 (I/II)

• Kernighan, B., Ritchie, D.: Programmieren in C, Hanser

Verlag, München, .. 1983 (I)

• Prinz, P., Kirch-Prinz, U.: Objektorientiert programmie-ren

mit ANSI C++, Prentice Hall, München, 1998 (II)

• Ellis,M., Stroustrup, B.: The annotated C++ Reference

Manual, Addison-Wesley, Reading MA, 1990

• M. Schader, S. Kuhlins: Programmieren in C++. Springer-

Verlag, Berlin, 1993 (I)

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