Vorkurs Informatik. Der Einstieg ins Informatikstudium [5. Auflage]

381 Pages·2017·3.527 MB·German

by  Heinrich Müller, Frank Weichert

(cid:2)
Heinrich Müller Frank Weichert
Vorkurs Informatik
Der Einstieg ins Informatikstudium
5., erweiterte und überarbeitete Auflage
HeinrichMüller FrankWeichert
FakultätfürInformatik FakultätfürInformatik
TechnischeUniversitätDortmund TechnischeUniversitätDortmund
Dortmund,Deutschland Dortmund,Deutschland
ISBN978-3-658-16140-8 ISBN978-3-658-16141-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-16141-5
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH2005,2011,2013,2015,2017
Vorwort
Dieses Buch ist aus dem Vorkurs Informatik entstanden, der von den Autoren seit 2001 an der
UniversitätDortmundetwaeinenMonatvorBeginnderVorlesungszeitdesWintersemestersver-
anstaltetwird.DieIdeezurEinführungeinesVorkursesInformatikkamdurchErfahrungeninder
Vorlesung„EinführungindieProgrammierung“imWS2000/2001auf.DieseVorlesung,ander
bedingtdurchdenIT-BoomjenerZeitmehrals1000Studierendeteilnahmen,machtebesonders
deutlich, dass die Studienanfängerinnen und -anfänger eine sehr unterschiedliche Grundausbil-
dunginInformatikausderSchulemitbringen.DiesmachtdieDurchführungeinerEinführungs-
vorlesung,welchefürdieMehrzahlderTeilnehmerinnenundTeilnehmerangemessenist,recht
schwer.DasZieldesVorkursesist,eineneinheitlichenKenntnisstandzuerreichen.
Der Vorkurs Informatik an der Universität Dortmund wird sehr gut nachgefragt. Etwas mehr
als die Hälfte der späteren Studienanfängerinnen und Anfänger des Faches Informatik nehmen
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-
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
Konzept auseinandersetzen können. Dieser Aufbau soll das Buch über ein vorkursbegleitendes
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-
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
Vorwort zur dritten Auflage
Die Neuauflage des Buches „Vorkurs Informatik - der Einstieg ins Informatikstudium“ in der
mittlerweile dritten Auflage wurde dadurch angeregt, dass dieses Buch sowohl Studierenden
derInformatikalsauchausanderenFachrichtungenzurEinführungindieInformatikdient.Da
in diesen nicht Informatik-assoziierten Fachrichtungen vielfach die Programmiersprache C++
genutztwird, habenwirdies zumAnlassgenommen, dasBuchum einentsprechendesKapitel
zuerweitern.
DerAnhangzuC++solldenLeserinnenundLeserneinenerstenEinstiegindieC++-Program-
mierung vermitteln und ihnen ermöglichen, die allgemeinen Programmierkonzepte, welche im
Haupttext anhand der Programmiersprache Java exemplarisch erklärt werden, auch in C++ an-
zuwenden.DabeiwerdenbeideProgrammiersprachengegenübergestelltundGemeinsamkeiten
sowieUnterschiedeverdeutlicht.
EinbesondererDankfürdieUnterstützungbeiderÜberarbeitunggehtanFrauHeikeRappund
anHerrnDanielBachmannfürdasKorrekturlesendesneuenKapitelszurProgrammiersprache
C++. Schließlich sei die wie immer freundliche Betreuung durch das Lektorat des Verlags bei
derErstellungderneuenAuflageerwähnt.
Dortmund,imOktober2012 HeinrichMüller
FrankWeichert
Vorwort zur vierten Auflage
Die wesentliche Neuerung der vorliegenden vierten Auflage des Buches „Vorkurs Informatik -
derEinstieginsInformatikstudium“bestehtinderErweiterungdesAnhangsumeinneuesKapi-
telzurmodellgestütztenSoftwareentwicklung.DabeifolgtdasKapiteldemAnsatzdesBuches,
grundlegende Konzepte der Informatik unabhängig von einer expliziten Programmiersprache
zu vermitteln. Mit der Einführung in die „Unified Modeling Language“, welche im Buch bis-
her schon zur intuitiven Darstellung von Mechanismen der objektorientierten Programmierung
genutztwurde,werdenallgemeineProgrammiersprachen-unabhängigeKonzeptezurgrafischen
Modellierung von gegebenen Anwendungsszenarien vermittelt. Thematisiert werden hierzu re-
levanteStruktur-undVerhaltensdiagramme.DurchdieErgänzungsollderNutzungdesBuches
als Einführung in die Informatik durch Studierende anderer Fachrichtungen noch weitergehen-
derentsprochenwerden.AberauchfürLeserinnenundLeserimÜbergangzwischenSchuleund
Studium,diebereitsüberInformatikkenntnisseverfügen,kanndieErweiterungwertvollsein.
AuchdieNeuauflageeinesbereitsetabliertenWerkserforderteinigenArbeitsaufwand.Wirmöch-
tenunsbeimLektoratdesVerlagsfürdieGeduldunddieanhaltendefreundlicheBetreuungbei
der Erstellung der neuen Auflage bedanken. Ferner danken wir Frau Heike Rapp und Herrn
DanielHegelsfürdashilfreicheKorrekturlesendesneuenKapitels.
Dortmund,imFebruar2015 HeinrichMüller
FrankWeichert
Vorwort zur fünften Auflage
DievorliegendefünfteAuflagedesBuches„VorkursInformatik-derEinstieginsInformatikstu-
dium“weistgrößereÄnderungengegenüberdervorherigenAuflageauf.Soergänzteinweiterer
Teil „Erweiterte Programmierkonzepte“ die bisherigen vier Teile „Was ist Informatik?“, „Pro-
grammierung“, „Algorithmen und Datenstrukturen“ und „Vom Programm zum Rechner“. Der
neueTeilschließtsichandenTeil„Programmierung“an.DessenbisherigefünfletzteKapitel,
die weitergehenden Konzepten der objektorientierten Programmierung gewidmet sind, bilden
den Anfang des neuen Teils. Zudem beinhaltet der neue Teil die vormals im Anhang befind-
lichen Kapitel „Programmieren in C++“ und „Modellgestützte Softwareentwicklung“ in einer
überarbeitetenundergänztenForm.
Diese Neustrukturierung bewirkt eine klarere Trennung von Basiswissen und weitergehendem
Wissen. Es übernimmt zudem Konzepte aus den immer weiter gewachsenen Anhänge in den
HauptteildesBuchs,ohnedasbewährteGrundkonzeptnegativzubeeinflussen.Derverbleibende
Teil„Programmierung“kannsichdamitaufdasBasiswissenderobjektorientiertenProgrammie-
rungimSinneeinesVorkurseskonzentrierenundderneueTeil„ErweiterteProgrammierkonzep-
te“weitergehendinteressierteLeserinnenundLeserüberdieseEinführunghinausbegleiten.
Auf Wunsch einiger Leserinnen und Leser wurde ferner der Anhang „Grundlagen der Java-
Programmierumgebung“ dahingehend überarbeitet, dass er sowohl Schritt für Schritt in die In-
stallationderJava-EntwicklungsumgebungeinführtalsauchdetailliertdieÜbersetzungundAus-
führungeineserstenJava-Programmsbeschreibt.DurchdieweitergehendenInformationenver-
bessertsichdieMöglichkeitzumSelbststudium.
WirmöchtenunsbeimLektoratdesVerlagsfürdieGeduldundUnterstützungbeiderErstellung
derneuenAuflagebedanken.FernerdankenwirFrauHeikeRappfürdashilfreicheKorrekturle-
senderÜberarbeitungen.
Dortmund,imMai2017 HeinrichMüller
FrankWeichert
Inhalt
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 KompilierenundAusführeneinesJava-Programms . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 Beispiel:MinimumeinerMengevonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5 Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.6 Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7 OperatorenundAusdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.8 Typkonvertierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.9 AnweisungenundAblaufstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.10 Konventionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.11 Beispiel:MittelwerteinerFolgevonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Funktionen 79
5.1 Beispiel:SortiereneinerMengevonZahlendurchMinimumsuche . . . . . . . . 79
5.2 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3 GültigkeitsbereichvonDeklarationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6 Rekursion 95
6.1 Beispiel:SortiereneinerMengevonZahlendurchMischen . . . . . . . . . . . . 95
6.2 PrinzipderRekursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7 KlassenundObjekte 111
7.1 Beispiel:SuchenineinemDatenbestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2 Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3 Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
ErweiterteProgrammierkonzepte 139
8 StrukturierungvonProgrammiersprachen 141
8.1 FormaleStrukturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2 Programmierparadigmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.3 ErgänzendeAbstraktionsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9 ObjektorientierteProgrammierung 149
9.1 ObjektorientierteModellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2 Klassendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.3 Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.4 SichtbarkeitvonInformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.5 Polymorphismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10 Klassenbibliotheken 177
10.1 EinbindenvonKlassenbibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.2 Applets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.3 Systemzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.4 Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.5 Paketsichtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
11 GrafikprogrammierungmitSwing 191
11.1 GrundlagenvongrafischenBenutzungsoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . 191
11.2 EinfacheBenutzungsoberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
11.3 BeispielfüreinfacheGrafikbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12 ProgrammiereninC++ 217
12.1 ProgrammierspracheC++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.2 VergleichzwischenJavaundC++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
12.3 Grundkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
12.4 ZeigerundReferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.5 KlassenundObjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.6 ÜbersetzungsprozessvonC++-Programmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
13 ModellgestützteSoftwareentwicklung 249
13.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
13.2 Anwendungsfalldiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
13.3 Klassendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
13.4 Sequenzdiagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
AlgorithmenundDatenstrukturen 263
14 AsymptotischeAufwandsanalyse 265
14.1 Zeitaufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
14.2 Speicheraufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
15 Sortieren 271
15.1 SortierendurchMinimumsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
15.2 SortierendurchMischen(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
15.3 Exkurs:VollständigeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.4 SortierendurchMischen(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
15.5 EinigeBemerkungenzumSortierproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
16 Mengen 285
16.1 OperationenaufMengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
16.2 MengenverwaltungmitunsortiertemArray. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
16.3 MengenverwaltungmitsortiertemArray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
16.4 MengenverwaltungmitausgeglichenembinärenSuchbaum . . . . . . . . . . . . 296
16.5 MengenverwaltungmitHashing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
VomProgrammzumRechner 307
17 HardwareundProgrammierung 309
18 RechnerarchitekturundMaschinensprache 311
18.1 Rechnerarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
18.2 Hauptspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
18.3 Prozessor,BefehlssatzundMaschinensprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
19 Schaltungen 319
19.1 ZweiwertigeInformationsdarstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
19.2 BoolescheFunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
19.3 Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326