Programmieren für Ingenieure und Naturwissenschaftler: Grundlagen

474 Pages·2016·10.889 MB·German

by  Sebastian Dörn (auth.)

SEBASTIAN DÖRN
Programmieren für
Ingenieure und Natur-
wissenschaftler
Grundlagen
eXXamen.press
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieundPraxisausallenBereichenderInformatik
fürdieHochschulausbildungvermittelt.
Sebastian Dörn
Programmieren für
Ingenieure und
Naturwissenschaftler
Grundlagen
SebastianDörn
HochschulcampusTuttlingen,
HochschuleFurtwangen
Tuttlingen,Deutschland
ISSN1614-5216
eXamen.press
ISBN978-3-662-50456-7 ISBN978-3-662-50457-4(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-50457-4
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Einleitung
InderheutigenInformationsgesellschaftbesitztdieInformatik,spezielldieProgrammier-
technikunddieAlgorithmik,einegroßewirtschaftlicheBedeutung.VieleDienstleistun-
gen,ProdukteunddiegesamteArbeitswelt basieren immer mehrauf Softwarelösungen.
Viele Ingenieure und Naturwissenschaftler haben an ihrem Arbeitsplatz in irgendeiner
WeisemitSoftwareoderderEntwicklungvonComputerprogrammenfürverschiedenste
Anwendungsfelderzutun.
AlgorithmensindwieComputerhardwarealsTechnologiezuverstehen,dasieimMit-
telpunktneuerundinnovativerProdukteundTechnikenstehen.Algorithmenhabeninsbe-
sonderedurchdiefortschreitendeDigitalisierunginnahezuallenBereichenderTechnik,
GesellschaftundAlltageineherausragendeBedeutung:
(cid:2) Rechnergestützte Konstruktion und Entwicklung: Viele Entwicklungsschritte im
BereichMaschinenbau-,Automobil-,Medizin-oderLuft-undRaumfahrtindustrieba-
sieren auf der rechnergestützten Entwicklung. Oftmals führt dieser Prozess über die
Entwicklung von Computerprogrammen für unterschiedlichste Anwendungsberech-
nungen hinaus. Beispiele sind die Verarbeitung und Auswertung von Konstruktions-
oderMessdatensätzenoderdieoptimaleAuslegungvonSystemparametern.
(cid:2) Steuerung von Maschinen und Geräten: Im Bereich der Automatisierungstechnik
werden in vielen unterschiedlichen Bereichen Computerprogramme verwendet, um
Werkzeugmaschinen,ProduktionsmaschinenoderelektronischeGerätezusteuern.
(cid:2) Entwicklung von Oberflächen: Die Entwicklung von grafischen Oberflächen spielt
nichtnurfürSoftwareprodukteeinegroßeRolle,auchvieleMaschinenwerdenheute
überTouchbildschirmemithilfevonausgereiftenSoftwarelösungenbedient.
(cid:2) IntelligenteDatenanalyse:DieErfassung,AuswertungundInterpretationvonDaten,
sowiedieGestaltunghierfürgeeigneterDokumentations-undInformationssystemege-
hörenzudenAufgabendesInformationsmanagements.DiesesGebietübernimmteine
wichtigeSchlüsselrollein vielen UnternehmenundschafftoftmalsdieGrundlagefür
dieEntwicklungvonneuenundinnovativenProduktenoderDienstleistungen.
(cid:2) Predictive Analytics und Big Data: Mithilfe von Predictive Analytics können Un-
ternehmenkomplexewirtschaftlicheZusammenhängevorhersagenunddiesesWissen
V
VI Einleitung
dazunutzen,bessereEntscheidungenzutreffen.DasZielistes,ausvorhandenenDa-
tenmengen (Big Data) Informationen so zu extrahieren, dass Trends und zukünftige
Verhaltensmustervorhergesagtwerdenkönnen.InUnternehmenkönnendieseVorher-
sagemodellegenutztwerden,umausTransaktionsdatenneueProdukteoderDienstleis-
tungenzugenerieren.EbensokönnensiebeiRessourcenplanungenundRisikobeurtei-
lungenunverzichtbareDiensteleisten.
(cid:2) Planungs-undEntscheidungsfindung:VielePlanungs-undEntscheidungsverfahren,
insbesondereim BereichdesOperationsResearchoderder Spieltheorie,basieren auf
leistungsfähigen algorithmischen Verfahren. Für deren gezielten und gewinnbringen-
denEinsatzineinemUnternehmenistWissenüberdieFunktionsweisedieserVerfah-
rendringenderforderlich.
(cid:2) MedizinischeInformatik:DieVerwendungvonKonzeptenundMethodenderInfor-
matikbekommtinderMedizintechnikeineimmergrößereBedeutung.Ohnesystema-
tischeInformationserfassung,InformationsaufarbeitungundInformationsverarbeitung
wärediemoderneMedizinvonheuteundenkbar.BeispielesindVerfahrenderdigita-
lenBildverarbeitungfürMagnetresonanztomografien,medizinischeOperationsroboter
oderDatenbanksystemezurVerwaltungvonPatientendaten.
(cid:2) Autonome Roboterentwicklung: Für die Entwicklung von autonomenRobotern für
verschiedensteAnwendungsbereiche,beispielsweisebeiautonomenFahrzeugen,istei-
neganzeReihehochkomplexerSoftwareprogrammezurVerarbeitungvonSensor-und
Bilddatennotwendig.
(cid:2) App-ProgrammierungfürmobileGeräte:DieErstellungvonAppsfürSmartphones
undTabletsisteingroßerMarktinderheutigenmobilenGesellschaft.InvielenBerei-
chen, beispielsweise im Gesundheitssektor, sind große Wachstumspotenziale in den
nächstenJahrenzuerwarten.
(cid:2) Simulation von technischen Systemen oder Prozessen: Die Entwicklung von leis-
tungsfähigen Simulationsprogrammen zur schnellen und sicheren Entwicklung von
Produkten oder Prozessen ist immer mehr im Vormarsch. Technische Weiterent-
wicklungen oder Prognosen des Verhaltens komplexer Systeme führen häufig zu
praktischenProblemen,diesichnurmitfortgeschrittenenBerechnungsmethodenlösen
lassen. Praktische Beispiele sind die Optimierung von Baugruppen oder Fertigungs-
zeiten mithilfe von Monte-Carlo-Methoden oder die Anwendung von FEM- oder
CFD-Simulationenim Bereichder Strukturmechanik,StrömungsmechanikundTher-
modynamik.
(cid:2) Bioinformatik:DieBioinformatikisteineinterdisziplinäreWissenschaft,dieProble-
meausdenLebenswissenschaftenmitMethodenderInformatikundMathematiklöst.
Die Aufgaben der Bioinformatik sind die Entwicklung von Datenbanken, Software
undmathematischenWerkzeugenzurAnalyse,OrganisationundInterpretationbiolo-
gischer Daten. Die Bioinformatik hat zu grundlegendenErkenntnissen der modernen
BiologieundMedizinbeigetragen.InsbesondereerreichtedieBioinformatikimJahre
2001einenbedeutendenFortschrittbeiderSequenzierungdesmenschlichenGenoms.
Einleitung VII
Eine qualifizierte Ausbildung im Bereich der Programmierung und Algorithmik ist
somit unerlässlich, um bei der Entwicklung moderner Produkte mitwirken zu können.
Der Erwerb von Programmierkenntnissen ist ein wichtiger und zentraler Bestandteil in
denNatur-undIngenieurwissenschaften.InvielenFällenistessogarso,dassmaneinen
mathematischen, technischen oder naturwissenschaftlichen Sachverhalterst dann richtig
verstandenhat,wennmanihnalsComputerprogrammimplementiertunddiverseAnwen-
dungsfälledamitgelösthat.
Ziel dieses Buches ist es, Studierenden der Ingenieur- oder Naturwissenschaften1
als auch im Berufsleben stehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren das Gebiet der
Programmierung mit deren Anwendungsmöglichkeiten näherzubringen. Es gehört zur
Schlüsselqualifikation eines Ingenieurs oder Naturwissenschaftlers, Problemstellungen
mithilfe von algorithmischen oder mathematischen Methoden schnell und zielsicher zu
lösen.
DieGrundlagenderProgrammierungmitihrenGrundkonzeptenändernsichnursehr
wenig.VieleBücherinderInformatik,besondersimBereichderProgrammiersprachen,
leiden unter dem „Semikolon-Syndrom“, d.h., der Leser wird in die Grundlagen einer
speziellenProgrammierspracheeingeführt.BeidieserArtderEinführungindieProgram-
mierungbeschäftigtmansich wenigermitdenKonzeptenderProgrammierung,sondern
mitdenEigenschafteneinerbestimmtenProgrammiersprache.DieseSyntaxeigenschaften
werdendannoftmalsbisinsletzte Detailbehandelt,wasjedochvieleAnfängerüberfor-
dert,dasieoftmalsdiezugehörigenAnwendungsbereichenichtkennen.Andererseitswird
indenmeistenLehrbüchernzumThemaAlgorithmenoftWissenvorausgesetzt,dasviele
Anfängernochnichtbesitzen.
IndieserdreibändigenBuchreihewerdendieMethodenderProgrammierungundAl-
gorithmenvonihrenGrundlagenbiszuleistungsfähigenMethodenausdemBereichder
künstlichen Intelligenz besprochen. In den Ingenieur- und Naturwissenschaften haben
diese Verfahren heute durch die zunehmendeDigitalisierung einen sehr großen Anwen-
dungsbereich.Die Umsetzungder ProgrammierkonzepteundalgorithmischenVerfahren
erfolgt in der Programmiersprache Java, einer der bedeutendsten Programmiersprachen
unserer heutigen Zeit. Wir wollen in dieser Darstellung versuchen, nicht nur Syntax,
sondern auch das Konzept von Algorithmen- und Programmentwicklung zu verstehen.
Wir werden die in diesem Buch vorgestellten Algorithmen durch eine schrittweise Ver-
feinerungvom GrobeninsFeine vornehmen.AllevorhandenalgorithmischenVerfahren
werdenvondenGrundlagenbiszurImplementierunginJavadetailliertvorgestellt.Hier-
zu erfolgt unsere Vorgehensweise in den nachfolgenden Kapiteln nach dem folgenden
einheitlichenSchema.
1SelbstverständlichsindauchStudierendeandererFachrichtungenherzlichwillkommen.
VIII Einleitung
1. Problemstellung
BeschreibungderallgemeinenProblemstellung,diederAlgorithmuszulösenhat.
2. GrundlegendeLösungsprinzipien
Erläuterungder Lösungsideedurch Skizzierung der groben Lösungsschritte des Ver-
fahrensinnatürlicherSprache,mittelsmathematischerFormeln,alsAufzählung,Skiz-
zenoderBeispielen.
3. Algorithmus
Schrittweise VerfeinerungdesVerfahrensin detaillierterenAnweisungenalsPseudo-
code.
4. Implementierung
ÜbertragungdesPseudocodesindieProgrammierspracheJavamitgeeignetenUnter-
routinenundzugehörigenDatenstrukturenfürdieverwendetenVariablen.
5. Anwendungen
Vorstellungpraktischer,technischerodernaturwissenschaftlicherAnwendungen.
Dieses einheitliche Schema soll den Lesern und Leserinnen helfen, die oftmals nicht
einfachen algorithmischen Verfahren zu verstehen und in der Programmiersprache Java
umzusetzen. Eine große Reihe von praktischen Anwendungsbeispielen und Übungsauf-
gaben runden die einzelnen Kapitel ab. Falls der eine oder andere Leser nur an den
allgemeinen Prinzipien von Algorithmen interessiert ist, und weniger an der konkreten
ImplementierunginJava,kannerdenAbschnittAlgorithmusundImplementierungüber-
springen.
Danksagung Für die Erstellung der Abbildungen zu den einzelnen Kapiteln bin ich
SonjaJenisch,AlineWinterundDavidSchulzsehrdankbar.FürwertvolleHinweiseund
VerbesserungsvorschlägegiltmeinDankanMartinaWarmer,LilliReiner,SonjaJenisch,
AndreasGollwitzer, Mike VanDoan, AlbrechtSwietlik, MikeFornefett,Heinz Gründe-
mann,KevinAlber,AlinaMeier,ErwinBürk,undMayaOelke.
Hinweise und Verbesserungsvorschläge sind sehr willkommen, per Email an
[email protected].
Tuttlingen,Mai2016 SebastianDörn
Inhaltsverzeichnis
1 GrundbegriffederProgrammierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 DasersteProgramm:„HalloWelt“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 VomProblemzumAlgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 BegriffdesAlgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 EigenschafteneinesAlgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 ElementareBestandteilevonAlgorithmen. . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.4 SpezifikationvonAlgorithmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.5 DarstellungsformenvonAlgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 VomAlgorithmuszurProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 AufbaueinerProgrammiersprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 GrundsätzezurProgrammentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 Programmierfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.4 ProgrammierunginJava. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 StrukturelleProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Variablen,AusdrückeundOperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 VariablenundDatentypen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 OperatorenundAusdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Aus-undEingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Kontrollstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Anweisungsfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Auswahlanweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3 IterationundSchleifen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.4 SchachtelungvonKontrollstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.5 Sprunganweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.6 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
IX