Vorkurs Informatik: Der Einstieg ins Informatikstudium

333 Pages·2012·8.276 MB·German

by  Heinrich Müller, Frank Weichert (auth.)

Heinrich Müller | Frank Weichert

Vorkurs Informatik
Leitfäden der Informatik
Herausgegeben von
Prof. Dr. Bernd Becker
Prof. Dr. Friedemann Mattern
Prof. Dr. Heinrich Müller
Prof. Dr. Wilhelm Schäfer
Prof. Dr. Dorothea Wagner
Prof. Dr. Ingo Wegener
Die Leitfäden der Informatik behandeln
■ Themen aus der Theoretischen, Praktischen und Technischen
Informatik entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft in einer
systematischen und fundierten Darstellung des jeweiligen Gebietes
■ Methoden und Ergebnisse der Informatik, ausgearbeitet und dargestellt
aus der Sicht der Anwendung in einer für Anwender verständlichen,
exakten und präzisen Form.
Die Bände der Reihe wenden sich zum einen als Grundlage und
Ergänzung zu Vorlesungen der Informatik an Studierende und Lehrende
in Informatik-Studiengängen an Hochschulen, zum anderen an
„Praktiker“, die sich einen Überblick über die Anwendungen der
Informatik (-Methoden) verschaffen wollen; sie dienen aber auch in
Wirtschaft, Industrie und Verwaltung tätigen Informatikerinnen und
Informatikern zur Fortbildung in praxisrelevanten Fragestellungen
ihres Faches.
www.viewegteubner.de
Heinrich Müller | Frank Weichert
V orkurs
I nformatik
Der Einstieg ins Informatikstudium

2., überarbeitete und erweiterte Aufl age
STUDIUM
B ibliografi sche Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
Prof. Dr. Heinrich Müller
1 978 Diplom in Informatik und in Mathematik, Universität Stuttgart. 1981 Promotion in Informa-
tik, Universität Stuttgart. 1987 Habilitation in Informatik, Universität Karlsruhe. 1988 Professor
für Praktische Informatik, Universität Freiburg. Seit 1992 Lehrstuhl für Graphische Systeme an
der Technischen Universität Dortmund.
Dr. Frank Weichert
2000 Diplom und 2010 Promotion in Informatik, Technische Universität Dortmund. Seit 2000
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Graphische Systeme an der Technischen Uni-
versität Dortmund.

1. Aufl age 2005
2., überarbeitete und erweiterte Aufl age 2011
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Lektorat: Ulrich Sandten | Kerstin Hoffmann
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von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0959-9
Vorwort
DiesesBuchistausdemVorkursInformatikentstanden,dervondenAutorenseit2001ander
UniversitätDortmundetwaeinenMonatvorBeginnderVorlesungszeitdesWintersemestersver-
anstaltetwird.DieIdeezurEinführungeinesVorkursesInformatikkamdurchErfahrungeninder
Vorlesung„EinführungindieProgrammierung“imWS2000/2001auf.DieseVorlesung,ander
bedingtdurchdenIT-BoomjenerZeitmehrals1000Studierendeteilnahmen,machtebesonders
deutlich,dassdieStudienanfängerinnenund-anfängereinesehrunterschiedlicheGrundausbil-
dunginInformatikausderSchulemitbringen.DiesmachtdieDurchführungeinerEinführungs-
vorlesung,welchefürdieMehrzahlderTeilnehmerinnenundTeilnehmerangemessenist,recht
schwer.DasZieldesVorkursesist,eineneinheitlichenKenntnisstandzuerreichen.
DerVorkursInformatikanderUniversitätDortmundwirdsehrgutnachgefragt.Etwasmehrals
dieHälftederspäterenStudienanfängerinnenundundAnfängerdesFachesInformatiknehmen
teil.HinzukommenangehendeStudierendeausanderenFächern(Mathematik,Wirtschaftsinge-
nieurwesen,Betriebswirtschaftslehre,Informationstechnik),derenTeilnahmesichjedochoftauf
denerstenTeil,eineEinführungindieProgrammierung,beschränkt.Zuerwähnenist,dasssich
dasbisherverfügbareFolienskriptauchbeiStudierendendererstenSemestergroßerBeliebtheit
erfreut,wieDownload-Zahlenzeigen.AnonymefragebogenbasierteNachfragenzuBeginndes
drittenSemesterszeigen,dassderVorkurstrotzderbisdahinnichtnurpositivenPrüfungserfah-
rungenderStudierendenvon40%alsnützlichundvon51%etwasnützlicheingestuftwird.
Alldieshatunsbewogen,diesesBuchzuschreiben.
Dem Vorkurs und dementsprechend diesem Buch liegt das Konzept „vom Konkreten zum Ab-
strakten“zugrunde.DabeikonzentriertsichderVorkursimUnterschiedzuregulärenVorlesun-
genmehraufdasKonkrete.AbstraktionisteinwesentlicherAspektdesInformatikstudiums,sie
erscheintunsabervordemHintergrunddesKonkretenfürangehendeStudierendebessernach-
vollziehbar.
AufderEntwurfsebenederLösungvoninformatikbezogenenProblemenistdieDarstellungzu-
nächstalgorithmenorientiert,dannwerdenGrundkonzeptedesobjektorientiertenEntwurfsskiz-
ziert. Diese möglicherweise etwas konventionell wirkende Vorgehensweise erleichtert unserer
Meinung nach den Zugang zur Informatik, ähnlich wie Rechnen zugänglicher zur Elementar-
mathematikalsMengenlehreerscheint.DerEinführungindieProgrammierungliegteinestark
reduzierteDarstellungderProgrammierspracheJavazugrunde.DasZielist,Grundprinzipiender
Programmierung zu vermitteln, die zum allgemeinen Kenntnisstand einer Abiturientin oder ei-
nesAbiturientengehörensollten,zumindestwenneineVertiefungdesFachesInformatikinder
Schulestattgefundenhat.
AusgehendvonderProgrammierungwirdzumAufbauvonRechnernundzumZusammenhang
zwischen Hard- und Software am Konzept der Übersetzung von Programmen hingeführt. Hier
sollein,wennauchvereinfachtes,„Weltbild“derFunktionsweisevonRechnernimSinneeiner
vertieftenAllgemeinbildunggeschaffenwerden,dasdenEinstieginmaschinennähereTeiledes
Informatikstudiumsvorbereitensoll.
Eingebettet in die Darstellung von Programmierung und Rechnerstrukturen ist die Vorstellung
wichtigermethodischerKonzeptewiedieRekursionunddieInduktionsowieausgewählterDa-
VI
tenstrukturen. Die Kenntnis solcher Methoden ist von hoher Bedeutung für das Informatikstu-
diumundsolltebeiAbsolventinnenundAbsolventenzumindestvoneinschlägigenschulischen
Leistungskursenvorhandensein.
DerVorgehensweise„vomKonkretenzumAbstrakten“folgend,führendiemeistenAbschnitte
ausgehend von Beispielen, an denen das darzustellende Konzept erläutert wird, zu generalisie-
renden Definitionen hin. In den Text ist eine große Anzahl Übungsaufgaben eingearbeitet, die
soangeordnetsind,dasssichdieLeserinnenundLeserunmittelbaraktivmitdempräsentierten
Konzeptauseinandersetzen können.Dieser AufbausolldasBuch übereinvorkursbegleitendes
LehrbuchhinauszumselbstständigenStudiumverwendbarmachen.DieEinleitunggibtentspre-
chendeHinweisezurVerwendungdesBuches.
Es soll hier die Gelegenheit genutzt werden, Personen und Institutionen zu würdigen, die zur
EntstehungdesVorkursesInformatikbeigetragenhaben:dasLandNordrhein-Westfalen,dasim
RahmendesSofortprogrammszurWeiterentwicklungdesInformatikstudiumsandendeutschen
Hochschulen (WIS) Mittel zur Verfügung gestellt hat, die WIS-Kommission des Fachbereichs
InformatikderUniversitätDortmund,diedasProjektdesVorkursesindiesemRahmenalsför-
derungswürdigempfand,dieInformatikrechnerbetriebsgruppedesFachbereichsInformatik,die
technischeUnterstützungbeiderRealisierungderbisherangebotenenVorkursegegebenhatund
schließlichJörgKnoche,„der“Vorkurstutor,dersichinüberausbegeisternderWeiseindieÜbun-
genzumVorkurseingebracht,aberauchdiearbeitsintensiveAuswertungderbegleitendenFra-
gebögenübernommenhat.
Am Zustandekommen des Buches waren zahlreiche Personen beteiligt. Zu nennen sind hier
KlausHäming,derdie„fachfremden“Illustrationenerstellthat,diedasBuchetwasauflockern
sollen,MarionHolm,diedieTextverarbeitungundRealisierungvielerfachbezogenerGrafiken
undTabellenübernommenundzudemdasKorrekturlesenmitübernommenhat,Prof.Dr.Micha-
elStark,OliverHengesbach,MartinaVaupel,diedurchinhaltlicheAnregungenundKorrekturle-
senoptimierendmitgewirkthaben,undderTeubner-Verlag,insbesonderevertretendurchHerrn
Sandten,dersichintensivumdiezahlreichenDinge,diebeiderRealisierungeinesBuchesan-
fallen,gekümmerthat.IhnenallenmöchtenwirfürihrenBeitragherzlichdanken.
Dortmund,imJuli2005 HeinrichMüller
FrankWeichert
Vorwort zur zweiten Auflage
Die anhaltende positive Resonanz von Teilnehmern und Absolventen des Vorkurses Informa-
tik hat uns bewogen, das Buch „Vorkurs Informatik - der Einstieg ins Informatikstudium“ neu
aufzulegen.
Die Neuauflage ist inhaltlich weitgehend gleich geblieben. Änderungen betreffen im Wesentli-
chenpraktischeAspekte.SowurdeneineAnpassungandasaktuelleJavaRuntimeEnvironment
durchgeführtundeinneuesKapitelzurVerwendungeinerJava-EntwicklungsumgebungamBei-
spielvonEclipseaufgenommen.ImalgorithmischenTeilwurdenAblaufdiagrammedurchStruk-
VII
togrammeersetzt.DieDarstellungdesobjektorientiertenEntwurfsbefasstsichnunetwasmehr
mitUML.
DiebeiliegendeCDwurdedurchdieBereitstellungdesdaraufenthaltendenergänzendenMate-
rialsimInternetersetzt.Dieserscheintakzeptabel,dadasInternetseitdererstenAuflageallge-
genwärtigwurde.ZudemkanndasMaterialaufdieseWeisestetsaktuellgehaltenwerden.
NatürlichwurdedieNeuauflageauchzurKorrekturvonFehlerngenutzt,dieüberdieJahrevon
aufmerksamen Lesern gefunden wurden, denen dafür gedankt sei. Und schließlich fand eine
UmformatierungaufdasneueBuchformatstatt,wobeidasbewährteprinzipielleLayoutimWe-
sentlichenbeibehaltenwurde.
EinbesondererDankfürdieUnterstützungbeiderÜberarbeitunggehtanFrauHeikeRapp,die
insbesondere mit der Elimination von Inkonsistenzen durch die umgesetzten Änderungen be-
fasstwar.SchließlichseidiefreundlicheBetreuungdurchFrauKerstinHoffmannvomLektorat
erwähnt,diesehrgeholfenhat,dieneueAuflageaufdenWegzubringen.
Dortmund,imJuli2011 HeinrichMüller
FrankWeichert
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
WasistInformatik? 5
1 Informatik 7
1.1 WasistInformatik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 TeilgebietederInformatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Programmierung 13
2 VomProblemüberdenAlgorithmuszumProgramm 15
2.1 VorgehensweisebeiderLösungvonProgrammierproblemen . . . . . . . . . . . 15
2.2 Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Beispiel:JüngsterStudierender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Algorithmenentwurf 23
3.1 Beispiel:MinimumeinerMengevonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 GrundkonzeptevonAlgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 GrundkonzeptederProgrammierung 37
4.1 ProgrammierungundProgrammierspracheJava . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 GrundstrukturvonJava-Programmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Beispiel:MinimumeinerMengevonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5 Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 OperatorenundAusdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.7 Typkonvertierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.8 AnweisungenundAblaufstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.9 Konventionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.10 Beispiel:MittelwerteinerFolgevonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Funktionen 77
5.1 Beispiel:SortiereneinerMengevonZahlendurchMinimumsuche . . . . . . . . 77
5.2 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 GültigkeitsbereichvonDeklarationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
X Inhaltsverzeichnis
6 Rekursion 93
6.1 Beispiel:SortiereneinerMengevonZahlendurchMischen . . . . . . . . . . . . 93
6.2 PrinzipderRekursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7 KlassenundObjekte 109
7.1 Beispiel:SuchenineinemDatenbestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2 Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.3 Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 ObjektorientierteProgrammierung 137
8.1 ObjektorientierteModellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.2 UML-Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.3 Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.4 SichtbarkeitvonInformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.5 Polymorphismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9 Klassenbibliotheken 167
9.1 EinbindenvonKlassenbibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.2 Applets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.3 Systemzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.4 Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.5 Paketsichtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10 GrafikprogrammierungmitSwing 181
10.1 GrundlagenvongrafischenBenutzungsoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.2 EinfacheBenutzungsoberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.3 BeispielfüreinfacheGrafikbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
11 AndereProgrammierstile 207
11.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.2 ImperativeProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
11.3 FunktionaleProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
11.4 LogischeProgrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
AlgorithmenundDatenstrukturen 211
12 AsymptotischeAufwandsanalyse 213
12.1 Zeitaufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
12.2 Speicheraufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13 Sortieren 219
13.1 SortierendurchMinimumsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.2 SortierendurchMischen(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
13.3 Exkurs:VollständigeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Inhaltsverzeichnis XI
13.4 SortierendurchMischen(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
13.5 EinigeBemerkungenzumSortierproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14 Mengen 233
14.1 OperationenaufMengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
14.2 MengenverwaltungmitunsortiertemArray. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.3 MengenverwaltungmitsortiertemArray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
14.4 MengenverwaltungmitausgeglichenembinärenSuchbaum . . . . . . . . . . . . 244
14.5 MengenverwaltungmitHashing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
VomProgrammzumRechner 255
15 HardwareundProgrammierung 257
16 RechnerarchitekturundMaschinensprache 259
16.1 Rechnerarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
16.2 Hauptspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
16.3 Prozessor,BefehlssatzundMaschinensprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
17 Schaltungen 267
17.1 ZweiwertigeInformationsdarstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
17.2 BoolescheFunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
17.3 Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
18 FormaleSprachenundCompiler 283
18.1 Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
18.2 FormaleSprachenundGrammatiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
18.3 SprachtypennachChomsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
18.4 Übersetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
18.5 Automaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
18.6 EndlicherAutomat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
18.7 Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Anhang
307
A SchlüsselwörterimSprachumfangvonJava 309
B GrundlagenderJava-Programmierumgebung 313
B.1 InstallationderJava-Programmierumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
B.2 AufrufsyntaxderJava-Entwicklungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
B.3 IntegrierteJava-Programmierumgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
C Literaturverzeichnis 327
Stichwortverzeichnis 329