Informatik II (Studiengang Informationstechnologie und Elektrotechnik) Vorlesung FS 2019 Friedemann Mattern, Vlad Coroamă Departement Informatik ...
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19. Februar 2019
Informatik II
(Studiengang Informationstechnologie und Elektrotechnik)
Vorlesung FS 2019
Friedemann Mattern, Vlad Coroamă
Departement Informatik, ETH Zürich
© F. Mattern, 2019 1
Inhalt dieser Präsentationskopie
Anklickbare Hyperlinks: Informatik II
(Alternativ: Bookmarks einblenden oder von nachfolgender Slide nutzen Index mit über 100 Hyperlinks)
(Studiengang
1. Ein AlgorithmusInformationstechnologie
und seine und Elektrotechnik)
9. Binärbäume & Suchbäume
Implementierung in Java
Vorlesung FS10.
2019Backtracking
2. Java: Elementare AspekteMattern,11.
Friedemann VladSpielbäume
Coroamă
3. Klassen undDepartement
Referenzen Informatik,
12. Rekursives
ETH ZürichProblemlösen
4. Syntaxanalyse und Compiler 13. Komplexität von
5. Pakete in Java Algorithmen
6. Objektorientierung 14. Modellierung und Simulation
7. Weitere Java-Sprachelemente 15. Heaps
8. Binärsuche auf Arrays 16. Parallele Prozesse / Threads
Relevant für die Prüfung ist der gesamte Inhalt der Vorlesung und Übungen, nicht nur
diese Präsentationskopie – sie stellt auch keinen Ersatz für das genannte Lehrbuch dar.
Seiten mit Zusatz- und Hintergrundmaterial (wie z.B. historische
Anmerkungen) sind am unteren Rand violett markiert:
(Diese können „weggeklickt“ werden)
2
Inhaltsverzeichnis Euler, Königsb. Brückenproblem Tic-Tac (Davies, Kates, DEUCE) Wetterprognose ohne Computer
Bookmarks
1. EIN ALGORITHMUS IN JAVA Postfix NIM, NIMROD Wetterprognose mit Computer
Zum Begriff „Algorithmus“ Rechenschemata Computerschach, Schachtürke ENIAC
Al-Chwarizmi Adam Ries, Abakus Schach: Babbage, Torres Quevedo Supercomputer für numerische
Informatik II
Altägyptische Multiplikation Codegenerierung, Automat Norbert Wiener, Kybernetik Wetterprognosen
Leibniz (Dualsystem, Re- Stackmaschine (Codeerzeugung, 1950er-Jahre: Machine Age, Satellitenwetter
chenmaschine,Mechani- Interpreter) Bewusstsein der Maschinen Chaos und Ensembles
sierung des Intellekts) ETH 1950: Z4, ERMETH, Kybernetik im Sozialismus Heutige Wetter- und Klimamodelle
Überlauf als (Studiengang
Fehler H.Informationstechnologie
Rutishauser, A. Speiser Heinz Zemanek und Elektrotechnik)
Zeitgesteuerte Simulation
Korrektheit, Verifikation Elektronenröhren Automatisches Schachspiel: Weizen-Mäuse-Katzen-Beispiel
Induktion, Russell, Frege ERMETH Alan Turing, Claude Shannon, Grenzen des Wachstums (1972)
(Schleifen)invarianten Wer erfand das Vorlesung
Programmieren? FS 2019
Dietrich Prinz Ereignisgesteuerte Simulation
Babbage, Menabrea, Ada Schachprogramme, Schachcomputer
Hoare-Kalkül Hyperlink- Bytecode, Java-VM Priority Queue
Go
Proof-Carrying Code, Validierung Friedemann
5. PAKETE IN JAVA
Mattern, Vlad Begriffsrelevanz
Automatisierung: Coroamă 15. HEAPS
Heapsort
Aufwand, Effizienz Bruchrechnen in den 1950er- / 1960er-Jahren
Vergleich von Sortierverfahren
Kryptographie, Sicherheit Departement Informatik,
Euklidischer Algorithmus, ggT Spieltheorie
ETH
John von Neumann und Zürich 16. PARALLELE PROZESSE
2. ELEMENTARES JAVA 6. OBJEKTORIENTIERUNG UND THREADS
Arrays Oskar Morgenstern
Konzepthierarchie, Kategorien, Spielstrategien, Minimax Prozess- / Threadzustände
Typkonversion, Hüllenklassen Instanzen Thread-Erzeugung, start
George Boole, Claude Shannon
Ein- / Ausgabe, Strings Vererbung, Polymorphie Moore‘s Law
Spielbaum-Auswertung
3. KLASSEN UND REFERENZEN 7. WEITERE JAVA- Alpha-Beta Thread-Steuerung (yield, wait,
Class „Datum“ SPRACHELEMENTE Reversi sleep, suspend, resume, stop)
Getter-, Setter-Methoden Interfaces join, Rendezvous-Synchronisation
Exceptions 12. REKURSIVES Thread-Scheduling, Prioritäten
this PROBLEMLÖSEN
static (Variablen) ArrayList, Generics Hilbert-Kurve, Turtle-Grafik Parallele Threads auf dem Mars
static (Klassenmethoden) 8. BINÄRSUCHE AUF ARRAYS Divide et impera Race condition, lost update
Lineare Interpolationssuche Türme von Hanoi Atomarität, Inkonsistenz, kritische
Osterdatum Abschnitte
Komputistik Lukas 11,9-1 Mergesort, Quicksort
9. BINÄRE SUCHBÄUME Ors eirt, beis eilp! E.W. Dijkstra
4. SYNTAXANALYSE Referenzen: Parameterübergabe Dijkstra-Algorithmus (kürzeste Wege)
UND COMPILER 13. KOMPLEXITÄT VON
Bäume, Wurzelbäume immer „by value“! ALGORITHMEN synchronized
Inorder-Traversierung O-Notation Deadlock
Beispiele für Bäume
Binary tree sort 14. MODELLIERUNG UND RESÜMEE DER VORLESUNG
Baumdarstellungen Abstraktion
Zeichen, Bedeutung 10. BACKTRACKING SIMULATION
Labyrinth, edge-matching puzzle Modelle, Modellierung Bonus-Slides: Geschichte, Kontext
Binärbäume n-Damen-Problem Simulationsanwendungen (Beispiele) Wozu wurden Computer erfunden?
Syntaxanalyse Wettermodelle: Simulation, Prognose Astronomie und Schusstabellen
11. SPIELBÄUME,
Rekursiver Abstieg COMPUTERSPIELE, Richardson’s Forecast Factory Prüfungsvorbereitung
Operatorbäume, inorder, postorder SPIELTHEORIE Menschliche Computer Nachdenkliches zum Schluss
Effizientes Suchen in der pdf-Datei (mit Acrobat etc.)
Informatik II
Diese Präsentationskopie enthält einen eingebetteten Suchindex
(Studiengang Informationstechnologie und Elektrotechnik)
Dieser beschleunigt wesentlich die Suche nach Wörtern im Text
Vorlesung FS 2019
Erstellen Sie den Suchindex erneut, wenn Sie die Datei nach Ände-
rungen (z.B. Friedemann
Kommentare Mattern,
anfügen, Vlad
Seiten löschen etc.) speichern
Coroamă
In wenigen Sekunden mit Acrobat: Werkzeuge Dokumentenverarbeitung
Departement
„Eingebetteten Index verwalten“;Informatik, ETH klicken;
„Index einbetten“ ZürichFertigstellung abwar-
ten; „OK“ klicken; danach nicht nochmals explizit (mit „save“ etc.) abspeichern!
Ohne (aktuellen) Index funktioniert die Suche zwar, dauert aber deutlich länger
Leider unterstützen nicht alle anderen pdf-Reader schnelles indexbasiertes Suchen
Um Kontext zum Suchbe-
griff (hier: Wurzelbaum)
angezeigt zu bekommen,
können Sie die „erweiter-
te Suche“ nutzen:
Ctrl + Shift + F
oder ähnlich
4
Wer sind wir?
Fachgebiet „Verteilte Systeme“
im Departement Informatik
Vlad
Coroamă
Friedemann
Mattern
Vincent Becker
(Übungsbetrieb
und organisato-
rische Aspekte)
5
Mit was beschäftigen wir uns sonst?
Interaction
Smart Environment
Communication
Context Awareness Web Technologies
Internet of Things
Service Discovery
Cyber-Physical Systems
Sensor Networks
Privacy
Ubiquitous Computing
Security
Augmented Reality
Social Impact
Smart Energy
Web of Things
Mehr zu uns:
www.vs.inf.ethz.ch Distributed Systems
6
Themen der
Vorlesung
1. Ein Algorithmus und seine 9. Binärbäume & Suchbäume
Implementierung in Java 10. Backtracking
2. Java: Elementare Aspekte 11. Spielbäume
3. Klassen und Referenzen 12. Rekursives Problemlösen
4. Syntaxanalyse und Compiler 13. Komplexität von
5. Pakete in Java Algorithmen
6. Objektorientierung 14. Modellierung und Simulation
7. Weitere Java-Sprachelemente 15. Heaps
8. Binärsuche auf Arrays 16. Parallele Prozesse / Threads
7
Um was geht es in der Vorlesung?
(Text im Vorlesungsverzeichnis)
Kurzbeschreibung (Diploma Supplement)
Algorithmen und Datenstrukturen Die Vorlesung vermittelt die gebräuchlichsten Pro-
blemlösungsverfahren, Algorithmen und Datenstruk-
Fortgeschrittenes Programmieren turen. Themen sind u.a.: Divide & Conquer-Prinzip,
Java, Objektorientierung Rekursion, Sortieralgorithmen, Backtracking, Suche
in Spielbäumen, Datenstrukturen (Listen, Stacks,
Prinzipielle Grundlagen Binärbäume etc.) zeitdiskrete Simulation, Neben-
Abstraktion, Modellbildung, läufigkeit, Komplexität, Verifikation. Bei den Übung-
Formalisierung, Korrektheit,… en wird die Programmiersprache Java verwendet.
Lernziel
Teilaspekte aus Anwendungen Einführung in die Methoden der Informatik sowie
Simulation, Multitasking Vermittlung von Grundlagen zur selbständigen Be-
„praktische Informatik“ wältigung von anspruchsvolleren Übungen und
Studienarbeiten mit Informatikkomponente im nach-
Inhalt folgenden Bachelor- und Masterstudium.
Die Vorlesung vermittelt die gebräuchlichsten Problemlösungsverfahren, Algorithmen und Datenstrukturen.
Der Stoff umfasst auch grundlegende Konzepte und Mechanismen der Programmstrukturierung. Darüber
hinaus wird generell das Denken in formalen Systemen, die Notwendigkeit zur Abstraktion, sowie die Be-
deutung geeigneter Modellbildungen für die Informatik motiviert. Der Schwerpunkt der Vorlesung liegt auf
der praktischen Informatik; konkrete Themen sind u.a.: Komplexität und Korrektheit von Algorithmen, Di-
vide and Conquer-Prinzip, Rekursion, Sortieralgorithmen, Backtracking, Suche in Spielbäumen, Datenstruk-
turen (Listen, Stacks, binäre Bäume etc.), zeitdiskrete Simulation, Nebenläufigkeit, Verifikation. Bei den
praktischen Übungen wird die Programmiersprache Java verwendet, dabei werden auch Aspekte wie
Modularisierung, Abstraktion und Objektkapselung behandelt. Gelegentlich werden auch kurze Hinweise
zum geschichtlichen Kontext der jeweiligen Konzepte gegeben. In den Übungen wird u.a. in Gruppen
ein Spielprogramm für „Reversi“ programmiert, am Ende des Semesters findet dazu ein Turnier statt.
8
Um was geht es NICHT in der Vorlesung?
Sie ist KEIN umfassender
Java-Programmierkurs!
Programmieren mit Java eher
Thema in praktischen Übungs-
aufgaben und der Tutorien
Vorlesungsthema sind aber
einige relevante Programmier-
konzepte am Beispiel von Java
Nötig auch für die Prüfungsklausur
Bezüglich Java sind Vorlesung / Tutorien komplementär
Programmierpraxis mittels Übungsaufgaben trainieren
(Klavierspielen lernt man auch nicht durch Zuhören eines Pianisten!)
Zu Java wird hier vorausgesetzt, dass man C++ beherrscht
(auf dem Niveau von „Informatik I“: darauf bauen wir auf)
9
Programmieren vs. Konzepte
Programmieren
Wichtig, da Voraussetzung
für viele Berufe
Faktenorientiert
Erfordert Training
Muss selbst praktiziert werden
Üben und lernen aus Fehlern
Kostet relativ viel Zeit
Tutorien, Übungsaufgaben
Vorlesung und Übungen sind
Konzepte komplementär, nicht disjunkt
Erkenntnisorientiert
Verallgemeinerbares Wissen
Langlebigeres, bedeutsameres Wissen
Auch das praktische Programmieren fundiert auf Konzepten
Vorlesung (Abklärung und Festigung Tutorien, Übungsaufgaben)
10Organisatorisches
Vorlesungswebseite für weitere Informationen
www.vs.inf.ethz.ch/edu/I2/ (bzw. auch via http://lec.inf.ethz.ch)
Folienkopien zum Herunterladen dort
Diverse Formate (auch zum Ausdrucken) – update Semesterende
Empfehlung: Einmalig herunterladen und lokal speichern (> 250 MB)
50% Zusatz- / Hintergrundmaterial: Fussleiste in hellem Violett:
Klick darauf Sprung zur nächsten „echten“ Vorlesungsfolie:
Inhalts-
angabe
Bookmark1
Bookmark2
Diese pdf-Version der slides
ist zum Betrachten unter Acro-
bat getestet; andere pdf-Viewer Wenn man die violetten Bonus-Slides überhaupt nicht sehen will: Auf
(z.B. in Browsern) könnten evtl. eigene Verantwortung alle aus dem pdf-Dokument entfernen (z.B.
unerwartete Effekte aufweisen in der Seitenminiaturansicht die violetten markieren und löschen)
„Bonus-Slides“ so markiert (dortige weiterführende Themen sind kein Prüfungsstoff) 11Organisatorisches (2)
Übungsbetrieb beginnt nächste Woche!
Baldmöglichst Anmeldung via CodeExpert für Übungsgruppen!
Anmeldungslink: https://expert.ethz.ch/enroll/SS19/ifee2
Das Echo-System wird nicht mehr verwendet!
Gleiche Gruppe während des Semesters ( zusammengehöriges Team)
Aufgabenblatt jede Woche via CodeExpert
Prüfung: Sessionsprüfung schriftlich als Klausur
Prüfungsstoff: Inhalt der Vorlesung + Übungsaufgaben / -stunden
Bonus: ¼-Note (max.) bei Lösung speziell gekennzeichneter Übungen
Dabei nur selbständig verfasste Lösungen abgeben; wir prüfen (z.T.
automatisiert) auf Plagiate etc. ggf. disziplinarische Massnahmen
Kompliziertere Fragen zur Vorlesung: Am besten in den Pausen
Oder in den Übungen an den Tutor oder per E-Mail an uns
12Materialien und ergänzende Literatur
1) Folienkopien Evtl. aus-
drucken?
Zum Herunterladen als pdf
auf der Vorlesungswebseite
2) Lehrbuch !
Mark Allen Weiss: Data Structures & Problem Sol-
ving Using Java, Addison Wesley, 4th Ed., 2010,
ISBN-13: 978-0321541406
Achtung: Es gibt diverse „international editions“, bei
denen
Wie einTeile
Autofehlen, z.B. das Kapitel
ohne Rückspiegel, über Simulation
Scheibenwischer, Licht, Seitenfenster...
(Originalversion hat 985 Seiten)
Falls man überhaupt wohlbehalten ankommt, dann war man zwar etwas
schneller, hat aber von der schönen Umgebung nichts mitbekommen...
13Materialien und ergänzende Literatur (2)
Viele Grundalgorithmen der Informatik
(Sortieren, Suchen etc.) werden hier
besonders anschaulich erläutert:
Berthold Vöcking, Helmut Alt, Martin Dietzfel-
binger, Rüdiger Reischuk, Christian Scheideler,
Heribert Vollmer, Dorothea Wagner (Hg.):
Taschenbuch der Algorithmen, Springer 2008
Aus dem Vorwort: „Dieses Buch unternimmt einen umfangreichen Streifzug durch die faszi-
nierende Welt der Algorithmen. Es verlangt keine besonderen Vorkenntnisse, so dass Schü-
lerinnen und Schüler ab der Mittelstufe und auch Informatik-interessierte Laien neue und
überraschende Einblicke gewinnen können. In 43 Artikeln von Informatikern, die an Univer-
sitäten im In- und Ausland lehren, werden wichtige und besonders elegante Algorithmen
anschaulich und verständlich erklärt.“
Dagegen A. Kreye in einem Artikel „Bedeutung von Algorithmen – Neue Weltsprache“ in der Süddeutschen
Zeitung vom 22. Juli 2014: „Kurzer Selbstversuch - das «Taschenbuch der Algorithmen», ein Lehrbuch
[...]. Die Frustration kommt ähnlich rasch, wie bei Versuchen, Arabisch zu lernen, Chinesisch oder was
einen sonst für Flausen reiten, sich aus dem indogermanischen Sprachraum zu entfernen. Da muss man
offensichtlich erst einmal die nötigen Hirnwindungen zurechtbiegen, um nur eine Ahnung zu bekommen.“
14Materialien...?
Aus: Visionen 3/2018, Verein der Informatik-
Studierenden an der ETH Zürich, S. 6 - 9
15FAQ
Wieso werden in Informatik I / Informatik II
verschiedene Programmiersprachen verwendet?
Was unterscheidet Teil 2 von Teil 1 der Vorlesung?
Wieso gibt es zunächst keine Beispiellösungen?
Wären die Konzerte von Beethoven
nicht viel weniger chaotisch, wenn erst
das Klavier alleine seinen Teil spielen
würde und dann der Reihe nach...?
Der rote Faden
16Der rote Faden zur Orientierung
Welt am Sonntag (9.9.12), Art Glazer
17Die „Komposition“
Konzepte der Vorlesung Java
Korrektheitsnachweis (Invarianten und vollst. Indukt.)
Kryptographie
Java: Basics
Java-Klassen als Datenstrukturen
Dynamische Klassen und Referenzen
Bäume
Syntaxdiagramme
Rekursiver Abstieg Der rote Faden
Infix, Postfix, Operatorbaum, Stack
Codegenerierung, Compiler, Interpreter
Java-VM als Bytecode-Interpreter
Verzahnte und verwobene Einführung konzeptionel- Pakete
ler Aspekte und programmiersprachlicher Konstrukte Klassenhierarchie
Polymorphie
Abstrakte Klassen
Exceptions
Suchbäume, Sortieren
Backtracking
Spieltheorie, Minimax, Alpha-Beta
Programmbeispiele dienen gleichzeitig der
Rekursives Problemlösen
Einführung programmiersprachlicher Konstrukte
Effizienz, O-Notation
und der Illustration von Informatikkonzepten
Modellierung und Simulation
Heap, Heapsort
Pseudoparallelität
Threads in Java
18Laptops, Tablets, Smartphones, Wearables...?
Notizen machen?
Web? Ihre
Google, Mitstu-
Wikipedia,… dieren-
den
Kommunikation?
Whatsapp,
Facebook,
E-Mail,
Twitter,…
Games? Mit Laptop etc. bitte möglichst Plätze am Rand nutzen;
Tablets sind bzgl. Ablenkung Anderer weniger kritisch
…
19Laptops, Tablets, Smartphones, Wearables...?
Notizen machen
“… Recent … studies …
investigating the differ-
ences between note-
taking on a laptop and
note-taking by hand.
While more words were
recorded, with more
precision, by laptop
typists, more ended up
being less: regardless of
whether a quiz on the
material immediately
followed the lecture or
took place after a week,
the pen-and-paper stu-
Mit Laptop etc. bitte möglichst Plätze am Rand nutzen;
dents performed better. Tablets sind bzgl. Ablenkung Anderer weniger kritisch
The act of typing effectively turns the note-taker into a transcription zombie.” (The Case
for Banning Laptops in the Classroom, by Dan Rockmore, The New Yorker, June 6, 2014,
www.newyorker.com/tech/elements/the-case-for-banning-laptops-in-the-classroom)
20Henricus de Alemannia hält eine Vorlesung in Bologna
Laptops,deTablets,
(Laurentius Smartphones,
Voltolina, 14. Jhd.) Wearables...
Henricus de Alemannia hält eine Vorlesung in Bologna
“…haben wir
“…haben wir studentische
studentische Medien-
Medien-
nutzung anonym
nutzung anonym und und verdeckt
verdeckt be-
be-
obachtet. ...Fokussieren
obachtet. ...Fokussieren Studieren-
Studieren-
de überwiegend
de überwiegend auf auf vorlesungsfer-
vorlesungsfer-
ne Inhalte
ne Inhalte auf
auf sozialen
sozialen Webseiten
Webseiten
...Einzelne Studierende
...Einzelne Studierende verwenden
verwenden
die gesamte
die gesamte Vorlesungszeit
Vorlesungszeit darauf,
darauf,
auf dem
auf dem Laptop
Laptop zuzu spielen
spielenoder
odermit
mit
Kopfhörer sich
Kopfhörer sich Filme
Filme und
undSerien
Serienan-
an-
zusehen. Der
zusehen. Der Vergleich
Vergleich mit
mit Selbst-
Selbst-
berichtsdaten zeigt,
berichtsdaten zeigt, dass
dassStudieren-
Studieren-
de dabei
de dabei unterschätzen,
unterschätzen, wie wiehäufig
häufig
sie sich
sie sich von
von vorlesungsfernen
vorlesungsfernen In- In-
halten ablenken
halten ablenken lassen
lassen und
und wie
wieun-
un-
günstig sich
günstig sich diese
diese Ablenkungen
Ablenkungen auf auf
ihren Lernerfolg
ihren Lernerfolg auswirken.
auswirken.
Verschiedene Motive
Verschiedene Motive existieren
existieren für
für
den ablenkenden
den ablenkenden und und daher
dahernach-
nach-
teil
teiligen Gebrauch
teiligen Gebrauch mobiler
mobiler Geräte
Geräte in
in Vorlesungen.
Vorlesungen. Eines
Eines davon
davon ist
ist die
die Angst,
Angst, etwas
etwas zu
zu versäumen,
versäumen,
was sich
was sich freilich
freilich nicht
nicht auf
auf die
die Vorlesungsinhalte
Vorlesungsinhalte sondern
sondern auf
auf soziale
soziale Online-Informationen
Online-Informationen bezieht.
bezieht.
Die stets
Die stets verfügbaren
verfügbaren Online-Ablenkungen
Online-Ablenkungen scheinen
scheinen kleine
kleine Belohnungen
Belohnungen darzustellen,
darzustellen, und
und viele
viele
Studierende haben
Studierende haben eses sich
sich zur
zur Gewohnheit
Gewohnheit gemacht,
gemacht, hochfrequent
hochfrequent Online-Informationen
Online-Informationen abzurufen.
abzurufen.
Armin Weinberger:
Armin Weinberger: Vorlesung
Vorlesung und
und Ablenkung.
Ablenkung. Forschung
Forschung und
und Lehre
Lehre 10,
10, Oktober
Oktober 2014,
2014, S.
S. 838-839
838-839
21Wissenschaftliches Ethos auch bei den Übungen
Alle Quellen / Ko-Autoren zitieren
Web, Bücher
Studierende anderer Übungsgruppen
(z.B. bei Lerngruppen)
Studierende früherer Jahrgängen
…
Nur Eigenbeitrag wird bewertet
Unehrliches Handeln führt zumin-
http://geek-and-poke.com
dest zur Annullierung des gesam-
ten Übungsblatts
Vgl. auch Zitierhinweise bei
www.ethz.ch/studierende/de/studium/
leistungskontrollen/plagiate.html
22Sie können auch lesen
