Vorkurs Informatik SoSe 18 - TU...

Vorkurs Informatik SoSe 18Java – Einführung

Dr. Werner Struckmann / Maximilian von Unwerth, 23.03.2018

Technische Universität Braunschweig, IPS

Institut für Programmierungund Reaktive Systeme

Der Algorithmusbegriff Darstellung von Algorithmen Programmablaufplan DIN66001-1966 Struktogramme Vorschau: Sortieren Java Arbeitsablauf „Hello World“ Danke

StudiumIm ersten Studium der Informatik wird gelernt (Pflicht):

ProgrammierungAlgorithmen und DatenstrukturenLogik + Theoretische InformatikTechnische InformatikSoftware EngineeringDatenbankenComputernetzeBetriebssystemeIT-Sicherheit

Vorlesungsbeginn: 03. Apr. 2018Vorkurse sollen den Einsteig erleichtern, Vorkurse sind KEINE

Pflichtvoraussetzung fürs Studium!

23.03.2018 Dr. Werner Struckmann / Maximilian von Unwerth Vorkurs Informatik SoSe 18 Seite 2Institut für Programmierung

und Reaktive Systeme


Vorkurs

Ziel des Vorkurses Informatik – AlgorithmenGrundlegende Einführung in algorithmisches Denken

Was ist ein Algorithmus?Was sind Berechnungsschritte?In welcher Reihenfolge sollen sie ausgeführt werden?Eingaben, Ausgaben, Zwischenergebnisse…

an Hand von Beispielen: Sortierverfahren, GraphenalgorithmenZielgruppeStudierende, die wenige Vorkenntnisse mit Informatik haben.Insbesondere, wenn Sie

keinen Grund- oder Leistungskurs Informatik belegt haben,keine Programmiererfahrung haben.




Ablaufplan

23.03 Algorithmen, Java-Einführung

26.03 Einfache Sortierverfahren

27.03 Rucksackprobleme, Suchen

28.03 Bäume und Graphen, Dijkstra

29.03 Mehr...




Übungen

Von 13:00 Uhr bis 16:00 Uhr

Am Dienstag ab 13.30 Uhr.

Theorie

Programmieren (Java)

Werkzeuge (Unix)

Räume:




Einführung

Informatik - Was ist das?Informatik setzt sich aus den Worten Information und Mathematikoder Automatik zusammen.

Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitungvon Informationen, insbesondere der automatischen Verarbeitungdurch Rechenanlagen.

Computer sind die Werkzeuge der Informatiker.

E.W. Dijkstra: „In der Informatik geht es genauso wenig umComputer, wie in der Astronomie um Teleskope.“




Einführung – Gliederung der InformatikHauptgebiete:

Interdisziplinäre Nebengebiete:




Der Algorithmusbegriff – Handlungsvorschriften

Viele Dinge im Leben werden nach einem festgelegtem Schemadurchgeführt

Schemata regeln, welche Schritte mit welchen Objekten in welcherReihenfolge gemacht werden.

Beispiel: Wie heben Sie Geld am Geldautomaten ab?

Von der Handlungsvorschrift zum Algorithmus…



Der Algorithmusbegriff – Rezept für Vanillekipferl

200g Mehl

250g Butter

180g Zucker

200g fein gemahlene Mandeln

1 Päckchen Vanillezucker

Zubereitung:

Aus den Zutaten einen Teig kneten. Eine etwa walnussgroße MengeTeig in der Hand rollen und ein Hörnchen formen. Diese nicht zudicht auf ein mit Backpapier ausgelegtes Blech legen und imvorgeheizten Backofen bei schwacher Hitze (ca. 150 ◦C) für ca. 10-15Minuten goldbraun backen.

Solange sie noch warm sind mit einem Gemisch aus 1 TassePuderzucker und 1 Päckchen Vanillezucker bestäuben.

Abkühlen lassen und in einer gut verschließbaren Dose aufbewahren.


Der Algorithmusbegriff – Handlungsvorschrift IImplizit können wir dem Rezept folgende Handlungsvorschriftentnehmen:

Nimm eine Schüssel

Fülle 200g Mehl hinein

Fülle 250g Butter hinein

Fülle 180g Zucker hinein

Fülle 200g fein gemahlene Mandeln hinein

Fülle 1 Päckchen Vanillezucker hinein

Knete den Inhalt der Schüssel, bis ein glatter Teig entsteht

Forme aus walnussgroßen Stückchen Teig kleine Hörnchen und legesie auf ein mit Papier ausgelegtes Blech




Der Algorithmusbegriff – Handlungsvorschrift IISchalte den Backofen auf 150 ◦C

Warte 10 Minuten

Schiebe Blech in den Backofen

Stelle eine Mischung aus einer Tasse Puderzucker und einer PackungVanillezucker her

Warte 10-15 Minuten bis Vanillekipferl goldbraun

Nimm Blech aus dem Backofen heraus

Bestäube die warmen Kipferl mit Mischung aus Puder- undVanillezucker




Der Algorithmusbegriff – Intuitives Verständnis

Gegeben sei ein „Problem“ oder eine „Problemklasse“

Ein Algorithmus ist eine Handlungsvorschrift zum „Lösen“ desProblems, wobei

die Handlungsvorschrift erkennbar einen Anfang und ein Ende hat,

aus einzelnen Schritten besteht, für die jeweils klar ist, was mit welchenDingen zu tun ist

und die Reihenfolge der Schritte festlegt.




Der Algorithmusbegriff – Als Algorithmus I

Nimm eine Schüssel

Fülle 200g Mehl hinein

Fülle 250g Butter hinein

Fülle 180g Zucker hinein

Fülle 200g fein gemahlene Mandeln hinein

Fülle 1 Päckchen Vanillezucker hinein

Knete den Inhalt der Schüssel, bis ein glatter Teig entsteht

Forme aus walnussgroßen Stückchen Teig kleine Hörnchen und legesie auf ein mit Papier ausgelegtes Blech




Der Algorithmusbegriff – Als Algorithmus IISchalte den Backofen auf 150 ◦C

Warte 10 Minuten

Schiebe Blech in den Backofen

Stelle eine Mischung aus einer Tasse Puderzucker und einer PackungVanillezucker her

Warte 10-15 Minuten bis Vanillekipferl goldbraun

Nimm Blech aus dem Backofen heraus

Bestäube die warmen Kipferl mit Mischung aus Puder- undVanillezucker




Der Algorithmusbegriff – Ein Algorithmus?

The one with the power to vanquish the Dark Lord approaches... bornto those who have thrice defied him, born as the seventh month dies...and the Dark Lord will mark him as his equal, but he will have powerthe Dark Lord knows not... and either must die at the hand of the otherfor neither can live while the other survives... the one with the power tovanquish the Dark Lord will be born as the seventh month dies …

J.K. Rowling’s The Order of the Phoenix.




Der Algorithmusbegriff – Ein Algorithmus?Zum Brauen des Vielsaft-Trankes benötigt man folgende Zutaten:

Florfliegen,Blutegel,Flussgras,Knöterich,gemahlenes Horn eines Zweihorns,kleingeschnittene Baumschlangenhaut undein Stück der Person, in die man sich verwandeln möchte (z.B. Haare).

Alle Zutaten sind in der vorgeschriebenen Menge und vorgegebener Reihenfolge und inbestimmten zeitlichen Abständen zu dem Gebräu zusammenzumischen. Die benötigteBaumschlangenhaut sowie das Zweihorn-Horn ist nicht im öffentlichen Handel erhältlich.Die Herstellung des Trankes dauert mehrere Wochen, wobei bestimmte Mondphasen zubeachten sind. Alle Details sind in Zaubertränke und Zauberbräue von Arsenius Bunsennachzulesen. Der fertige Trank sieht aus wie dunkler, träge blubbernder Schleim.




Der Algorithmusbegriff – Beispiele

Koch- und Backrezepte

Bedienungsanleitungen (z.B. für Handys)

Notenfolgen zum Musizieren

Waschmaschinenprogramme

Sortierverfahren

Abfolge in ProduktionsstraßenBerechnungsverfahren:

ggT bestimmen

Funktionen ableiten




Der Algorithmusbegriff – Präzisierung

Ein Algorithmus ist eine wohldefinierte Rechenvorschrift, die eine(eventuell leere) Menge von Eingaben verwendet und eine Menge vonAusgaben erzeugt.Ein Algorithmus ist also eine Abfolge von Berechnungsschritten, diedie Eingabe in die Ausgabe umwandelt.

Der Algorithmus muss durch einen endlichen Text in einerwohldefinierten Sprache beschrieben sein. 1

Die Objekte der Berechnung müssen klar sein.Die elementaren Operationen müssen mechanisch ausführbar sein.Die Reihenfolge der Operationen muss feststehen.

Ein Problem, für dessen Lösung ein Algorithmus existiert, heißtberechenbar.1Die Beschreibung ist ein endlicher Text, die Ausführung der Handlungsvorschrift

dagegen muss nicht enden.




Darstellung von Algorithmen

Man kann einen Algorithmus beispielsweise alsText

Pseudocode oder in einer Programmiersprache

Als Flussdiagramm (Programmablaufplan)

Struktogramm (Nassi-Shneiderman-Diagramm)

…darstellen.

Wir verwenden Struktogramme nach DIN 66261




Programmablaufplan DIN66001-1966 – Sinnbilder

Sinnbild Benennung und Bemerkung

02.04.2014 | Vorkurs Informatik – Algorithmen 1 | Seite 13

Sinnbilder:

Sinnbilder für Programmablaufplan nach DIN66001-1966

Sinnbild Bennenung und Bemerkung

Operation, allgemein (process)

Verzweigung (decision)

Unterprogramm (prefdefinedprocess)

Ein- und Ausgabe (input/output)



Sinnbilder:









Sinnbilder:







Unterprogramm (pre-defined process)


Sinnbilder:











Programmablaufplan DIN66001-1966 – Sinnbilder

Sinnbild Benennung und Bemerkung


Sinnbilder:



Schleifenbegrenzung (loop limit)Anfang

Schleifenbegrenzung (loop limit)Ende

Ablauflinie (flow line)Vorzugsrichtungen (Pfeil optional):a) von oben nach untenb) von links nach rechts

Zusammenführen (junction)Ausgang sollte durch einen Pfeilgekennzeichnet werden



Sinnbilder:









Sinnbilder:







Ablauflinie (flow line) Vorzugsrichtungen(Pfeil optional):a) von oben nach untenb) von links nach rechts


Sinnbilder:







Zusammenführen (junction)Ausgang sollte durch einen Pfeil gekennzeich-net werden




Programmablaufplan DIN66001-1966 – Beispiel


Beispiel für Programmablaufplan nach DIN66001-1966

Beginn

Ende

Dreckwäsche in die

Waschmaschine

Waschmittelin die

Waschmaschine

Wäschezusammenlegen

Wäschein den

Trockner

Waschmaschineanstellen

Warten

Trockneranstellen

Warten

Wäschein den Schrank

räumen

Fertig? Fertig?

nein nein

ja ja




Struktogramme

Linearer Ablauf (Sequenz):

Anweisung 1Anweisung 2Anweisung 3Anweisung 4Anweisung 5

Jede Anweisung wird in einenrechteckigen Strukturblock geschrieben.Strukturblöcke können untereinandergestellt werden.Die Strukturblöcke werden nacheinandervon oben nach unten durchlaufen.




Struktogramme – VanillekipferlNimm eine SchüsselFülle 200g Mehl hineinFülle 250g Butter hineinFülle 180g Zucker hineinFülle 200g fein gemahlene Mandeln hineinFülle 1 Päckchen Vanillezucker hineinKnete den Inhalt der Schüssel, bis ein glatter Teig entstehtForme aus walnussgroßen Stückchen Teig kleine Hörnchen und lege sie aufein mit Papier ausgelegtes BackblechSchalte Backofen auf 150 ◦CWarte 10 MinutenSchiebe Blech in den BackofenWarte 10-15 MinutenStelle eine Mischung aus einer Tasse Puderzucker und einer Packung Vanille-zucker herNimm Blech aus Backofen herausBestäube die noch warmen Kipferl mit Mischung aus Puder- und Vanillezucker




Struktogramme – Alternative Auswahl

Bedingung

Wahr Falsch

Anweisungsblock 1 Anweisungsblock 2

Anweisungsblock 1 wenn Bedingung wahrSonst Block 2Blöcke bestehen wieder aus weiteren BlöckenAm Ende wird die Auswahl verlassen




Struktogramme – Alternative Auswahl

Anweisungen …Fülle ein Päckchen Vanillezucker hinzuKnete den Inhalt der Schüssel, bis ein glatter Teig ent-steht

Ist der Teig fest?

Ja Nein

Fortfahren Füge einen Esslöffel Mehlhinzu




Struktogramme – Verschachtelte Auswahl

Anweisungen …Wird Mehl für das Rezept benötigt?

Ja NeinIst Mehl vorrätig?

Ja NeinFortfahren Setze Mehl auf

EinkaufslisteAnweisungen …∅

Fortfahren

∅




Struktogramme – Fallauswahl

Variable

Wert 1Anweisungsblock 1

Wert 2Anweisungsblock 2

Wert nAnweisungsblock n

SonstAlternativblock (op-tional)

Prüft auf mehrere Bedingungen

Reihenfolge wichtig

Gleichheits- oder Bereichsprüfung möglich

Besitzt Standardfall

Sonst wie „Auswahl“




Struktogramme – Abweisende Schleife

Anweisungen …Bedingung

AnweisungsblockAnweisungen …

Wiederholungsstruktur mit vorausgehender Bedingungsprüfung:Zuerst Bedingung auswerten:

Bei wahr: Schleifenkörper ausführenSonst: Beende die Schleife ohne Ausführung des Körpers

Nach jeder Ausführung des Körpers wird die Bedingung erneut geprüftBedingungen sollten keine Konstanten sein⇒ EndlosschleifeSchleifen führen solange ihren Körper aus bis die Bedingung falsch ist.




Struktogramme – Abweisende Schleife – Beispiel

Anweisungen …Schiebe das Blech in den BackofenKipferl im Backofen noch nicht goldbraun

warte eine MinuteNimm das Blech aus dem OfenAnweisungen …




Struktogramme – Durchführung

Probieren Sie diesen Algorithmus doch zu Hause einmal aus.

Wir würden uns im Laufe des Vorkurses über einen Nachweis dererfolgreichen Durchführung freuen!




Vorschau: Sortieren – Einführung

Sortieren als eines der Standardprobleme der InformatikVerschiedenste Algorithmen– Unterschiedliche Laufzeiten

– Schlecht im Extremfall, gut im MittelWichtige Unterschiede zum menschlichen Sortieren

Um sich einen Überblick über mehrere Elemente zu verschaffen, müssensie einzeln angesehen und Zwischenergebnisse gebildet werden.

Jedes „sich Merken“ oder „Ablegen“ muss in eigens angelegtenSpeicherstellen stattfinden.

Unterschiedliche Arten des Zugriffs auf das n-te Element.




Vorschau: Sortieren

Struktogramm für die Feststellung der kleinsten Zahl in einem StapelLege eine Leerkarte zum Merken der kleinsten bisher gefundenen Zahl (lo-kale Variable)Schreibe die Zahl auf der ersten Karte des Stapels auf die Leerkarte (Sie istja in jedem Fall erstmal die kleinste, da wir nur die eine Karte kennen)Für jede weitere Karte aus dem Stapel

Zahl der Karte < der bisher kleinsten Zahl?

Ja Nein

Schreibe die Zahl als bisher kleinstegefundene Karte auf die Leerkarte

Fahre fort∅




Vorschau: Sortieren – Algorithmus?

Ist das beschriebene Verfahren ein Algorithmus?Das Verfahren ist in einer endlichen Beschreibung durch einStruktogramm beschrieben.

Die Objekte der Berechnung sind die Zahlen des Stapels.

Die elementaren Operationen sind das Vergleichen von zwei Zahlenund das Ablegen des Wertes in einer lokalen Variable.

Die Reihenfolge der Operationen ist ebenfalls durch dasStruktogramm festgelegt.

Das Verfahren ist ein Algorithmus.




Vorschau: Sortieren – Selection-Sort

Idee:1. Zu Beginn liegt der Stapel unsortierter Zahlen verdeckt vor einem.

2. Man sucht die kleinste Karte und legt sie vor sich.

3. Man wiederholt 2. so lange bis der Stapel leer istUmsetzung:

Benutzt den Algorithmus von eben zum Finden der kleinen Zahl

Anpassen des Algorithmus damit die Position der Karte im Stapelzurückgegeben wird.




Zusammenfassung

InformatikAlgorithmus

BackenSortieren

Darstellung von Algorithmen

Morgen:Sortieren

Gleich:Programmieren

Literatur:Abenteuer Informatik, 3. Auflage Jens Gallenbacher SpringerSpektrum




Überblick

Einführung in die Programmierung zur Vereinfachung des Einstiegsins StudiumErstellung von ausführbaren Programmen für den ComputerDenk- und Vorgehensweisen beim ProgrammierenInhalte:

Hello WorldDatentypenAusdrückeVariablenArraysMethodenRekursionObjektorientierte Programmierung




Die Java-Programmiersprache

Ursprünglich entwickelt von Sun Microsystems

Gehört nun zu Oracle

Plattformunabhängig

Kompilierte Sprache

Objektorientiert

Kompilierte Programme werden auf einer virtuellen Maschineausgeführt




Arbeitsumgebung

Um Java-Programme zu schreiben, wird folgendes benötigtEin Text-Editor

Notepad++VimEmacsSublime Text

Alternativ: Eine integrierte EntwicklungsumgebungIntellij IDEANetbeansEclipse

Das Java Development Kit JDK (nicht zu verwechseln mit der JavaRuntime Edition JRE)




Arbeitsablauf

1. PlanungAnalyse des ProblemsAnalyse der Anforderungen an die LösungBenötigte DatenobjekteLaufzeitumgebungMögliche Ansätze

2. ProgrammierungProgramm wird geschriebenFür kompilierte Sprachen: Kompilieren des ProgrammsAusführen des Programms

3. TestenMacht das Programm, was es soll?

Zwischen den Phasen wird hin und her gewechselt, je nachEntwicklungsmodell (siehe Software Engineering 1)




Programmierung

Erstellen einer Textdatei mit Programmcode

Tipp: Texteditor auf UTF-8 umstellen, erspart Ärger mit Umlauten!

Programmcode in ausführbaren (Byte)Code übersetzen (.class-Datei)

Befehl: javac Quelldatei

Bytecode auf der JVM ausführen

Ausführung startet mit der main-Methode

Ausführung: java Klassenname




„Hello World“

public class Hello {public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World!");}

}

Programm besteht aus mindestens einer KlasseKlassenname steht hinter classDateiname muss Klassenname + .java seinmain-Methode ist Ausgangspunkt für die AusführungProgramm führt Folge von Anweisungen aus, von oben nach untenAnweisungen (Statements) enden mit einem Semikolon (;)Aufruf von System.out.println() gibt etwas aus.




Die main-Methode

Ausführung startet mit der ersten Anweisung der main-Methode

public static void main(String[] args)

Muss in einer Klasse stehen

Signatur wird verständlicher, sobald Methoden behandelt werden

Bis dahin: Programmgerüst mit Klasse und main-Methodeübernehmen




Ausgeben von Text

System.out.println("Text") gibt Text mit Zeilenumbruch am Endeaus

System.out.print("Text") gibt Text ohne Zeilenumbruch am Ende aus

"Text" kann durch eine Zahl ersetzen werden: System.out.println(42)




Rechnen mit Java

public class Rechnen {public static void main(String[] args) {System.out.println(1 + 1);System.out.println(2 * 2.5);System.out.println(4 - 0.5);System.out.println(4.0 / 3);System.out.println(4 / 3); // Warum 1?System.out.println(7 % 3); // Was wird hier berechnet?System.out.println(8 % 3); // Was wird hier berechnet?System.out.println(9 % 3); // Was wird hier berechnet?System.out.println(1 + 2 * 2 / 3);

}}




Überblick und Ausblick

Die Sprache Java

Arbeitsablauf

„Hello World“

main-Methode als Ausgangspunkt

Ausgabe mit Java

Rechnen mit Java

Morgen: Ausdrücke, Variablen, Datentypen




Danke

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



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