Programmierungstechnik © Günter Riedewald Die Folien sind eine Ergänzung zur Vorlesung und nur für den internen Gebrauch konzipiert.

Vorbemerkungen Rolle einer Vorlesung: Grundstruktur für Selbststudium Ermöglichung der selbständigen Nutzung der Literatur Hinweis auf Probleme und Gesamtzusammenhänge

Vorbemerkungen Rolle von Übungen: Ergänzung der Vorlesung durch umfangreichere Beispiele Dialog von Übungsleiter und Student zur Beseitigung von Unklarheiten Aktive Mitarbeit als Voraussetzung der aktiven Auseinandersetzung mit dem Stoff

Vorbemerkungen Vorlesungshilfsmittel: Tafel  - Schreibarbeit für beide Seiten + Hören-Sehen-Schreiben in Kombination erleichtert Verständnis und Merkfähigkeit + Ableitungen besser darstellbar

Vorbemerkungen Folien  +- Vermittlung von mehr Stoff +- Schreibarbeit entfällt - Höherer Aufwand zur Einprägung des Stoffes

Vorbemerkungen Multimedia  - Hoher Entwicklungs- und Wartungsaufwand - Bisher kein Nachweis eines deutlich höheren Lerneffekts + Darstellung dynamischer Vorgänge Hier: Kombination von Tafel und Folien

Vorbemerkungen Literaturstudium: Ausführliche Beschäftigung mit dem Stoff Andere Sichten Mehrmaliges Lesen: 1. Diagonal  Überblick 2. Durcharbeiten  gründliches Verständnis

Vorbemerkungen Prüfungen: Nachweis von Wissen und Fähigkeit der aktiven Nutzung (Verstehen  Wiedergabe  Anwendung) Prüfungsvorbereitung führt zur Verknüpfung von Teilgebieten und mit anderen Lehrgebieten

Vorbemerkungen Abschlüsse und Bedingungen: Studiengang Informatik (Fachprüfung Praktische Informatik): 1. Sem.: schriftliche Prüfung (ca. 150 min) 2. Sem.: benoteter Leistungsnachweis 3. Sem.: mündliche Prüfung (ca. 20 min) über PT und SWT (Vor.: Benoteter Leistungsnachweis)

Vorbemerkungen Studiengang IT/TI: 1. Sem.: schriftliche Prüfung (ca. 150 min) 2. Sem.: mündliche Prüfung (ca. 30 min)

Vorbemerkungen Studiengang WIN/BIN: 2. Sem.: benoteter Leistungsschein 3. Sem.: mündliche Prüfung (ca. 30 min) zu PT und SWT

Vorbemerkungen Rolle der Theorie: Schnelles Veralten von Wissen zu konkreten Systemen Langlebige und allgemeingültige Erkenntnisse in der Theorie Theorie als Basis (Befähigung zur) Weiterbildung

Vorbemerkungen Theorie als Basis der Automatisierung von Prozessen der IV Schnelle Einsatzbereitschaft von Absolventen erfordert Praxiserfahrungen Realitätsnahe Ausbildung an HS schwer zu verwirklichen  Ausbildung als Mix von Theorie und Praxis

Vorbemerkungen Rolle der Theorie nach J. Nievergelt (Informatik-Spektrum, 18(6), S. 342-344, 1995) Anwendungsmethodik Problemlösungen Systemrealisierung Programmsysteme Algorithmik Programmierung Theorie abstrakte math. Fakten

Literatur Alagic’, S., Arbib, M.A.: The Design of Well-Structured and Correct Programs, Springer-Verlag, 1978 Appelrath, H.-J., Ludewig, J.: Skriptum Informatik - eine konventionelle Einführung, B.G. Teubner Stuttgart, 1991

Literatur Bauer, F.L., Goos, G.: Informatik - eine einführende Übersicht Heidelberger Taschenbücher, Sammlung Informatik, Springer-Verlag, Teile 1+2, 3. Auflage, 1982, 1984, 4. Auflage 1991 Berman, K.A., Paul, J.L.: Fundamentals of Sequential and Parallel Algorithms, PWS Publishing Company, 1997

Literatur Forbrig, P.: Introduction to Programming by Abstract Data Type Fachbuchverlag Leipzig, 2001 Goldschlager, L., Lister, A.: Informatik - Eine moderne Einführung, Hanser Verlag, Prentice-Hall International, 3. Auflage 1990

Literatur Hotz, G.: Einführung in die Informatik, B.G. Teubner Stuttgart, 1990 Kröger, F.: Einführung in die Informatik - Algorithmenentwicklung, Springer-Lehrbuch, Springer-Verlag, 1991

Literatur Myers, G.J.: The Art of Software Testing, Wiley-Interscience Publication 1979 oder: Methodisches Testen von Programmen, Oldenbourg Verlag, 4. Auflage, 1991 Pomberger, G.: Softwaretechnik und Modula-2, Hanser Verlag, 1984

Literatur Sedgewick, R.: Algorithmen, Addison-Wesley Publ. Company, 1992, 2002 2.Auflage Sedgewick, R.: Algorithmen in Java Addison-Wesley Publ. Comp., 2003 Sedgewick, R.: Algorithmen in C++ Addison-Wesley Publ. Comp., 2002

Literatur Weitere Literatur: z. B. von den Autoren Broy, Gruska, Kerner, Wilhelm Siehe auch Lehrbücher zu konkreten Programmiersprachen

Inhalt 1. Einleitung 2. Grundbegriffe 3. Algorithmenentwurf und Programmentwicklung 3.1 Einleitung 3.2 Programmierungstechniken 3.3 Techniken der Algorithmenentwicklung (Iteration, Rekursion, nichtdeterministische Algorithmen, Backtracking, parallele Algorithmen)

3.4 Korrektheit, Zuverlässigkeit 3.4.1 Programmteste 3.4.2 Korrektheitsbeweise (Verifikation) 3.4.2.1 Deduktive Methode 3.4.2.2 Model Checking 3.5  Datenstrukturen 3.5.1 Einleitung 3.5.2 Mathematische Grundlagen 3.5.3 Fehlerbehandlung 3.5.4 Datenstrukturen und ihre Implementation

4. Existenz und Durchführbarkeit von Algorithmen 4 4. Existenz und Durchführbarkeit von Algorithmen 4.1 Berechenbarkeit, Terminiertheit, Durchführbarkeit 4.2 Komplexität 4.3 Nichtprozedurale Algorithmen 5. Ausgewählte Algorithmen 5.1 Sortierverfahren 5.1.1 Adressenorientiertes Sortieren 5.1.2 Assoziatives Sortieren

5. 2 Suchverfahren 5. 2. 1 Einleitung 5. 2 5.2 Suchverfahren 5.2.1 Einleitung 5.2.2 Suchalgorithmen auf der Basis von Adressberechnungen (Hashing, perfektes Hashing, digitale Suchbäume, Tries) 5.2.3 Assoziatives Suchen (Suchen in geordneten Mengen) 5.2.3.1 Suchverfahren 5.2.3.2 Gewichtete Bäume 5.2.3.3 Balancierte Bäume (gewichtsbalanciert, höhenbalanciert)

5. 3 Heuristische Algorithmen 5. 4 Evolutionsalgorithmen 6 5.3 Heuristische Algorithmen 5.4 Evolutionsalgorithmen 6. Funktionales Programmieren 6.1 Funktionen in der Mathematik 6.2 Datentypen und Programmierung

Problem 1 Anwendung 1 Problem 2 Mathe Problem 1 Anwendung 1 Problem 2 Mathe. Software Modell Problem n Anwendung m Abstraktion Spezialisierung

Datenverarbeitung:  = (N, I), : D  D N Nachricht Nachricht´  Information Information´ I d  D d´  D

Spezifikation Algorithmus in mathematischer Notation Algorithmus in höherer Programmierung Programmiersprache Algorithmus in Übersetzung Maschinensprache

Flussbilder - Grundelemente Verarbeitungsblock <Anweisungs- x := x + 1 folge> y := 0 Bedingung nein ja nein ja x < 0

Flussbilder - Grundelemente Konnektoren <Zahl> <Zahl> 25 25 Gerichtete Kanten

Motto Bevor ein Zimmermann ein Haus baut, muss er einen Plan dafür erarbeiten. Eine Hundehütte kann er jederzeit auch ohne große Vorbereitung bauen.

Schrittweise Verfeinerung – Beispiel 1 Zubereitung einer Tasse Kaffee Koche Wasser Kaffee in Tasse Wasser in Tasse Wasser in Einschalten Warten bis Kessel zum Kochen

Schrittweise Verfeinerung – Beispiel 2 Sortieren einer Folge F zu F´ Zerlegung Sortierung Mischen in F1 und F2 von F1 zu F1´ von F1´ und von F2 zu F2´ F2´ zu F´

Schrittweise Verfeinerung Beispiel 3 program ggt( (*a,b*)); (*Vereinbarungen*) begin (* Eingabe a,b *) x := a; y := b; while y<>0 do begin (* Verkleinerung von y; Änderung von x *) end ; (* Ausgabe ggt(a,b)*) end.

Struktogramme Verarbeitungsblock <Anweisungen> Lies N Block mit Bezeichnung <Name> Maxberech

Struktogramme Reihung zweier Blöcke Lies m, k y := m * k Wiederholung (abweisender Zyklus) <Bedingung> x > 0 <Anwei- x := x * 1 sungen> y := y + 2

Struktogramme Wiederholung (nichtabweisender Zyklus) <Anwei- x := x – 1 sungen> y := y + 2 <Bedingung> x < 0 Wiederholung (Zählzyklus) v=a,e,s i=1, 10, 2 <Anweisungen> s := s + 1

Struktogramme Wiederholung (ohne Bedingung) <Anweisungen> Temperatur- messung Alternative (einfach) <Bedingung> x > 0 true false true false <Anw> <Anw> z := 1 z := 0

Struktogramme Fallabfrage (mehrfache Alternative) <Ausdruck> s W1 W2 ... Wn -1 0 1 A1 A2 ... An x := 0 y := 0 z := 0

Struktogramme Abbruchanweisung <Name> S1 B1 B2 true false A1 S1 A2 S2

Beziehungen Dienstmodul - Kundenmodul Datenmodul Dienstmodul Definitionsmodul: Datentypen, Konstanten, Variablen Implementationsmodul: leer Kundenmodul Nutzung der Daten

Beziehungen Dienstmodul - Kundenmodul Funktionsmodul Dienstmodul Definitionsmodul: Prozedur/Funktionsköpfe Implementationsmodul: Prozedur/Funktionsrümpfe Kundenmodul Lokale Daten und Prozedur/Funktionsaufrufe

Beziehungen Dienstmodul - Kundenmodul Datenkapsel Dienstmodul Definitionsmodul: Prozedur/Funktionsköpfe Implementationsmodul: Prozedur/Funktionsrümpfe und Daten Kundenmodul Prozedur/Funktionsaufrufe (keine eigenen Daten)

Beziehungen Dienstmodul - Kundenmodul Abstrakter Datentyp Dienstmodul Definitionsmodul: Prozedur/Funktionsköpfe, Datentyp Implementationsmodul: Struktur des Datentyps, Prozedur/Funktionsrümpfe Kundenmodul Prozedur/Funktionsaufrufe, Daten zum Datentyp

DEFINITION MODULE Dateimanager; (*Dateimanipulationsroutinen*) CONST Endnr = 65535; (* groesste Kontonr*) TYPE Kontonr = CARDINAL;   PROCEDURE AddiereWert; (*addiert Wert des letzten Bewegungsdatensatzes zum Datensatz im Ausgabepuffer*) PROCEDURE SchliesseDateien; (*schliesst alle Dateien*) PROCEDURE AusNeuStamm; (*schreibt Ausgabepuffer in neue Stammdatei*) PROCEDURE EinBewegung(VAR Bewnr: Kontonr); (*liefert einen Datensatz der Bewegungsdatei und seine Nummer*) ... END Dateimanager.

IMPLEMENTATION MODULE Zufall; (*Zufallszahlen nach der Kongruenzmethode*) FROM InOut IMPORT WriteString, WriteLn, WriteCard, ReadCard;   CONST Modulus = 2345; Faktor = 3; Inkrement = 7227; VAR Seed: CARDINAL; PROCEDURE RandomCard(A, B: CARDINAL): CARDINAL; VAR random: REAL; BEGIN Seed := (Faktor*Seed+Inkrement) MOD Modulus; random := FLOAT(Seed)/FLOAT(Modulus); random := random*(FLOAT(B)-FLOAT(A)+1.0)+FLOAT(A); RETURN TRUNC(random) END RandomCard; WriteString(‘Zufallszahlen’); WriteLn; WriteString(‘Startwert?’); ReadCard(Seed); WriteLn END Zufall.

DEFINITION MODULE Konserve; TYPE tName = ARRAY [0..79] OF CHAR; tWochentag = (Montag, Dienstag, Mittwoch, Donnerstag, Freitag, Samstag, Sonntag); tMonat = (Januar, Februar, Maerz, April, Mai, Juni, Juli, August, September, Oktober, November, Dezember); tDatum = RECORD Tag:[1..31]; Monat: tMonat; Jahr: CARDINAL END; VAR Datum: tDatum; Konto: RECORD Name: tName; Kontonr: CARDINAL; datum: tDatum; wert: RECORD mod: (soll, haben); mark: CARDINAL; pfg: CARDINAL CONST MaxCard = 65535; MaxInt = 32767; MinInt = (-32767) - 1 END Konserve.

DEFINITION MODULE Stapel; (*fuer Cardinalzahlen*) VAR Fehler: BOOLEAN; (*Fehler, falls versucht wird, ein Element von einem leeren Stapel zu entnehmen oder ein Element auf einen vollen Stapel abzulegen*) PROCEDURE leererStapel; (*Initialisierung eines Stapels*) PROCEDURE push(c: CARDINAL); (*Zahl auf einen Stapel*) PROCEDURE pop(VAR c: CARDINAL); (*Zahl vom Stapel*) END Stapel.

DEFINITION MODULE ADTPuffer; TYPE Puffer; PROCEDURE leere(VAR R: Puffer); PROCEDURE leer(R: Puffer): BOOLEAN; PROCEDURE voll(R: Puffer): BOOLEAN; PROCEDURE push(VAR R: Puffer; El: CARDINAL); PROCEDURE pop(VAR R: Puffer); PROCEDURE gen(VAR R: Puffer) END ADTPuffer.

IMPLEMENTATION MODULE ADTPuffer; (*Ringpuffer*) IMPORT... FROM... CONST G = 8; (* G-1 Groesse des Ringpuffers*) TYPE Puffer = POINTER TO Ring; Ring = RECORD rng: ARRAY[1..G] OF CARDINAL; kopf, ende: [1..G] END; ... END ADTPuffer.

MODULE Ablage; ... FROM ADTPuffer IMPORT Puffer, gen, leer, voll, push, pop; VAR Ordner1, Ordner2: Puffer; END Ablage.

OOP - Beispiel CLASS Complex(x,y); REAL x,y; BEGIN REAL re,im; REAL PROCEDURE RealPart; BEGIN RealPart := re; END RealPart; REAL PROCEDURE ImaginaryPart; BEGIN ImaginaryPart := im; END ImaginaryPart; PROCEDURE Add(y); REF (COMPLEX) y; BEGIN re := re + y.RealPart; im := im + y.ImaginaryPart; END Add;

... re := x; im := y; END COMPLEX; REF (COMPLEX) C1, C2, C3; C1 :- NEW COMPLEX(-1,1); C2 :- NEW COMPLEX(1,-1); C1.Add(C2);

OOP - Klassenhierarchie Geometrisches Objekt Farbe, Zeichne,... Lineares Objekt 2D-Objekt 3D-Objekt

Beispiel: Türme von Hanoi 1 Turm ti: Bausteine 1 - i 2 ... n-1 n (1) (2) (3)

Reihenberechnung Eingabe x, Anfangswerte für Summand T und Summe S S, T Abbruchtest p(T,S) nicht erfüllt erfüllt Ausgabe

Reihenberechnung für sin x Eingabe x, I:=1; T:=x; S:=0; xq:=-x*x |T|< Ausgabe S erfüllt nicht erfüllt S:=S+T; T:=T*xq/((I+1)*(I+2)); I:=I+2

Vollständige Induktion Vor.: p:N0 Boolean (Prädikat), N0 = {0,1,..} Induktionsanfang: Zu beweisen: p(0) = WAHR (kürzer: p(0)) Induktionsvoraussetzung: Für alle n  N0 ist zu beweisen: p(n) = WAHR  p(n+1)= WAHR Induktionsschluss: Für alle n  N0 gilt p(n) = WAHR.

Allgemeine Induktion Vor.: p: M  Boolean, M induktiv definiert Induktionsanfang: Für die Basiselemente xM ist zu beweisen p(x) = WAHR. Induktionsvoraussetzung: Für alle Konstruktoren C und alle Elemente x1,...,xnM ist zu beweisen: p(xi) = WAHR, i=1,...,n  p(C(x1,...,xn)) = WAHR Induktionsschluss: Für alle Elemente xM gilt p(x) = WAHR.

Struktogramm - Hornerschema i := 1; k := a1 i= 2, n+1 k := k * x + ai

Kantorovič-Baum für Polynome a1 x a2 * + x a3 * ... an+1 +

Labyrinth - Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7

Polynom: a1x4 + a2x3 + a3x2 + a4x + a5 a4 x x * * a5 a3 x + * * a2 x a1 + * +

Paralleles Sortieren – Beispiel Jochen Karin Franz Bernd Sepp Jim Maria Pos Jochen 1 0 1 1 0 1 0 4 Karin 1 1 1 1 0 1 0 5 Franz 0 0 1 1 0 0 0 2 Bernd 0 0 0 1 0 0 0 1 Sepp 1 1 1 1 1 1 1 7 Jim 0 0 1 1 0 1 0 3 Maria 1 1 1 1 0 1 1 6

Korrektheit Intuitive Vorstellungen Formal spezifizierte über Eigenschaften Eigenschaften der der Software Software Durch Software realisierte Eigenschaften

Entwicklung von „funktionstreuer“ Software Korrekte Software: a) Anwendung korrekter Werkzeuge auf Spezifikation b) Verifikation nach Softwareentwicklung c) Softwareentwicklung gekoppelt mit Beweisverfahren Softwareteste zur Fehlerentdeckung (auch fehlende Fälle) Simulation bei Echtzeitsoftware

Aussage zu Testen Es gibt keinen Algorithmus, der für ein beliebiges Programm eine solche Testdatenmenge erzeugen könnte, dass ein korrekter Test für die Testdaten auch die Korrektheit für beliebige andere Daten garantieren würde. (Beweis durch Rekursionssatz)

Testmethoden Kriterium Methoden Art des Test- Durchsicht von Test lauffähiger Program- objekts Dokumenten me durch Ausführung Art der Test- statisch dynamisch (Abarbeitung ausführung (Inspektion) mit Testdaten) Kenntnisse Strukturtest Funktionstest (Struktur über Test- (bekannte unbekannt) objekt Struktur) Komponen- Modultest (einzelner Modul) tenart Integrationstest (Modulverbindung) Systemtest (Gesamtsystem mit BS)

Auswahl von Testdaten – Programmbeispiel 0 (A>1)  (B=0) ja nein 1 X:=X/A 2 3 (A=2)  (X>1) ja nein 4 X:=X+1 5 6

Äquivalenzmethode Bedingung Normalfälle Fehlerfälle Daten aus 1 (im Intervall) 2 („vor“ und Intervall „hinter“ Intervall) Daten sind 1 (erlaubte 2 (zu kleine und zu Anzahl Anzahl) große Anzahl) Daten einer 1 (aus Menge) 1 (nicht aus Menge) Menge

Vor- und Nachteile von Testmethoden Funktionales Testen: + unabhängig von der Implementation + Entwicklung der Testfälle parallel zur Codierung - Redundanz in den Testdaten möglich, aber nicht ausschließbar - evtl. werden Programmteile nicht getestet - Definition von Überdeckungsmaßen schwierig

Vor- und Nachteile von Testmethoden - Fortsetzung Strukturelles Testen: + wenig Redundanz in den Testdaten + alle Programmteile werden erreicht - Testdatenauswahl erst nach Codierung möglich - ausschließlicher Test des programmierten Verhaltens

Ein- und Ausgabeverhalten – Beispiel {x0y0} P {x=q*y+r0ry} Programm Eigenschaften Voraussetzung: x  0, y > 0, x,y ganzzahlig q := 0; r := x; r  0 , y > 0, x = q*y + r WHILE r  y DO r  y, y > 0, r  0, x = q*y + r r := r - y; q := q + 1 r  0, y > 0, x = q*y + r OD; Nach der Schleife: x = q*y + r, 0  r < y

Korrektheit {Q} P {R} bedeutet: Wenn die Aussage Q vor der Abarbeitung des Teilprogrammes P wahr ist und die Abarbeitung von P terminiert, dann ist die Aussage R nach der Abarbeitung wahr (partielle Korrektheit). oder Wenn die Aussage Q vor der Abarbeitung des Teilprogrammes P wahr ist, dann terminiert die Abarbeitung von P und die Aussage R ist wahr (totale Korrektheit).

Axiome und Schlussregeln (Auszug) Axiom für die Wertzuweisung V := E (V Variable, E Ausdruck): {P’} V := E {P} , wobei P’ aus P durch Ersetzen der nichtquantifizierten Auftreten von V durch E entsteht (P’ ist die schwächste Vorbedingung)

Axiome und Schlussregeln (Auszug) Verkettungsregel {P} A1 {Q}, {Q} A2 {R} {P} A1; A2 {R} Regel für die while-Anweisung {PB} A {P} {P} while B do A od {P not B}

Axiome und Schlussregeln (Auszug) Implikationsregeln {P} S {Q}, Q  R {P} S {R} P  R, {R} S {Q} {P} S {Q}

Pfadformeln E F p E G p p

Pfadformeln (Fortsetzung) A F p A G p p p p p p p p p p p

Model Checking – Railroad (1)

Model Checking – Railroad (2)

Model Checking – Railroad (3)

Model Checking – Railroad (4)

Model Checking – Railroad (5) Beispiellauf (Zugautomat):

Betrachtungsebenen von Datenstrukturen Datenstrukturen als abstrakte Objekte: Darstellung von Eigenschaften und Wirkungsweise von Operationen Konkrete Repräsentation Implementation in höherer Programmiersprache Implementation in Maschinensprache

Vorteile der Abstraktion Konzentration auf Wesentliches Unabhängigkeit von Repräsentation und Programmiersprache Austauschbarkeit von Implementationen bei gleicher Schnittstelle Wiederverwendbarkeit der Implementationen Nutzerfreundlichkeit durch Verwendung des Problemniveaus

Algebraische Vorgehensweise der Softwareentwicklung Anforderungsdefinition (informal) Formalisierung Test, Plausibilität Algebraische Spezifikation (Prototyping) Verfeinerung Verifikation Algorithmische Spezifikation Transformation Imperatives Programm

Algebra ganzer Zahlen Trägermenge der Algebra:  = {...,-2,-1,0,1,2,...} Operationen der Algebra: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Vergleiche Funktionalität (Profil) der Operationen: _+_:  x    _*_:  x    _/_:  x    _-_:  x    _<_:  x    ( steht für Boolean) ...

Algebra ganzer Zahlen - Fortsetzung Eigenschaften der Operationen: · Addition, Multiplikation: kommutativ, assoziativ, distributiv a + b = b + a a * b = b * a (a + b) + c = a + (b + c) (a * b) * c = a * (b * c) (a + b) * c = (a * c) + (b * c) a,b,c   · Subtraktion als Umkehrung zur Addition ...

ADT Ganze Zahlen (Ganz) Datensorten: INT Operationssymbole: + - pred succ 0 (für spätere Operationen Addition, Subtraktion, Vorgänger, Nachfolger, Konstante 0) Funktionalität: _+_: INT x INT  INT _-_: INT x INT  INT 0 :  INT Signatur (Syntax) pred: INT  INT succ: INT  INT

ADT Ganze Zahlen (Ganz) - Fortsetzung pred(succ(x)) = x succ(pred(x)) = x Termgleichungen x + 0 = x (Semantik) x + succ(y) = succ(x + y) x + pred(y) = pred(x + y) x - 0 = x x - succ(y) = pred(x - y) x - pred(y) = succ(x - y) x + y = y + x

Algebra Ganze Binärzahlen Sorte: INT Trägermenge: {...,-11,-10,-1,0,1,10,11,...} Operator: + Operation: +B Addition von Binärzahlen Operator: succ Operation: +B 1 Operator: pred Operation: -B 1

Termalgebra Sorte: INT Trägermenge: alle Terme Operator: + Operation: +T „Addition“ von Termen, d.h. t1 +T t2 = t1 + t2 Operator: succ Operation: succT(t) = succ(t) Operator: pred Operation: predT(t) = pred(t)

Eigenschaften von Termgleichungen Notation: - X: t1 = t2 bezeichnet eine Termgleichung mit der Variablenmenge X - x: s bezeichnet eine Variable der Sorte s Eigenschaften: Reflexivität: X: t = t Symmetrie: X: t1 = t2  X: t1 = t2 Transitivität: X1: t1 = t2, X2: t2 = t3  X1  X2: t1 = t3

Eigenschaften von Termgleichungen - Fortsetzung Substituierbarkeit: X1  {xs}: t1 = t2, X2: t3 = t4, xs: S, t3  Ts, t4  Ts  X1  X2: t5 = t6, t5 = t1[xs/t3], t6 = t1[xs/t4] Abstraktion: X: t1 = t2, xs: S, xs  X  X  {xs}: t1 = t2 Konkretisierung: X  {xs}: t1 = t2, t1  ...xs...  t2, Menge der variablenfreien Terme der Sorte s ist nicht leer  X: t1 = t2

Strukturelle Induktion Voraussetzungen:  Signatur mit Sortenmenge S, p Prädikat auf den Termen von  Induktionsschritte: Basis: Beweis für p(t) = WAHR für alle nullstelligen Operationssymbole und Variablen Schritt: Beweis für Für alle Operationssymbole , alle Terme t1,...,tn und (t1,...,tn) gilt: p(ti) = WAHR, i = 1,...,n  p((t1,...,tn)) = WAHR Schlussfolgerung: p(t) = WAHR für alle Terme t

Definition eines abstrakten Datentyps Einführung von Sorten Einführung von Operationssymbolen Definition der Funktionalität der Operationssymbole Definition der Eigenschaften der Operationen (Termgleichungen, Termersetzungsregeln) Schnelles Prototyping Umsetzung (Implementation) in höhere Programmiersprache mit Verifikation

Modulares Programmieren, objektorientiertes Programmieren und Theorie der Algebren im Vergleich Datenkapsel: Daten – Operationen – Import/Export Abstrakter Datentyp: Datentyp – Operationen – Import/Export Beschreibung durch Definitionsmodul (Schnittstelle) und Implementationsmodul

Modulares Programmieren, objektorientiertes Programmieren und Theorie der Algebren im Vergleich (Forts.) Objektorientiertes Programmieren Objekt: Daten (Attribute, Instanzvariablen) – Operationen (Methoden) Klasse (Objektbeschreibung): Datentypen – Operationen- Vererbung Beschreibung durch Schnittstelle und Implementation

Modulares Programmieren, objektorientiertes Programmieren und Theorie der Algebren im Vergleich (Forts.) Theorie der Algebren Algebra: Trägermengen – Operationen – Import/Export Abstrakter Datentyp: Signatur (Sorten, Operationssymbole, Funktionalität) – Operationseigenschaften (Termgleichungen) – Import/Export

Fehlerbehandlung - Beispiel Datensorte: Nat Operationssymbole und ihre Funktionalität: zero:  Nat succ: Nat  Nat pred: Nat  Nat add: Nat x Nat  Nat mult: Nat x Nat  Nat

Fehlerbehandlung – Beispiel (Forts.) Termgleichungen: pred(succ(x)) = x add(zero, x) = x add(succ(x), y) = succ(add(x, y)) mult(zero, x) = zero mult(succ(x), y) = add(y, mult(x, y))

Fehlerbehandlung – Beispiel (Forts.) ==> Ergänzung der Spezifikation: error:  Nat succ(error) = error pred(error) = error add(error, x) = error add(x, error) = error mult(error, x) = error mult(x, error) = error pred(zero) = error

Fehlerbehandlung – Beispiel (Forts.) Operationssymbole: zero:  Nat succ: Nat  Nat pred: Nat  Nat add: Nat x Nat  Nat error:  Nat safe: Nat  Bool

Fehlerbehandlung – Beispiel (Forts.) Termgleichungen: succ(error) = error safe(zero) = true safe(succ(x)) = safe(x) safe(error) = false pred(error) = error pred(succ(x)) = x pred(zero) = error

Fehlerbehandlung – Beispiel (Forts.) add(zero, x) = x add(succ(x), y) = succ(add(x, y)) add(error, x) = error mult(zero, x) = if safe(x) then zero else error fi mult(succ(x), y) = add(y, mult(x, y)) mult(error) = error

Spezifikation eines ADT type <Name> ==<Exportliste> based on <Importliste> sorts <Namenliste> decl <Variablenliste> constructors <kanonische Operationssymbole mit Funktionalität> operations <restliche Operationssymbole mit Funktionalität> axioms <Termgleichungen> end of type

Beispiel – ADT BOOL type BOOL == bool, T, F, ,  based on  sorts bool decl B:bool, B1:bool constructors T:  bool; F :  bool operations : bool  bool; __: bool x bool  bool axioms T = F; (B)) = B; T  B = B; F  B = F; B  B1 = B1  B end of type

Beispiel – ADT BOOL Abgeleitete Operationen B  B1 = (B  B1) B  B1 =  B  B1 B  B1 = (B  B1)  (B1  B)

Transformation arithmetischer Ausdrücke in IPN Voraussetzungen: zu transformierender Ausdruck wird mit einem Endezeichen beendet und Operatoren haben Prioritäten · „(„ wird im Keller abgelegt · „)“ entkellert alle Operatoren bis einschließlich der zugehörigen öffnenden Klammer mit anschließender Beseitigung beider Klammern und Einfügen der Operatoren in die IPN

Transformation arithmetischer Ausdrücke in IPN (Fortsetzung) ·  Variablen und Konstanten gehen sofort in die IPN über ·  Operatoren entkellern alle Operatoren mit größerer oder gleicher Priorität und werden anschließend gekellert; die entkellerten Operatoren werden der IPN hinzugefügt ·  Entkellerung aller Operatoren durch Endezeichen „!“ mit Löschen des Zeichens

Transformation arithmetischer Ausdrücke in IPN (Fortsetzung) Prioritäten: 1  2  3  4  5 = 6 + - 7 / * 8 **

Abstrakter Datentyp Keller – Signatur   erelement init push element stack erstack top pop

Keller – Eigenschaften der Operationen a) Aus einem nichtleeren Keller kann nur das zuletzt hinzugefügte Element entfernt werden. b) Von einem nichtleeren Keller kann nur das zuletzt hinzugefügte Element gelesen werden. c) Im Falle eines leeren Kellers kann weder ein Element entfernt noch gelesen werden. In beiden Fällen erfolgt eine Fehlermeldung.

Kellerspezifikation type Keller1 == stack, push, pop, top, init, erstack based on ELEMENT sorts stack decl e: element, s: stack; constructors init:  stack; push: element x stack  stack; erstack:  stack operations pop: stack  stack; top: stack  element

Kellerspezifikation (Fortsetzung) axioms pop(push(e, s)) = s top(push(e, s)) = e pop(init) = erstack top(init) = erelement end of type

Abstrakter Datentyp Keller (erweitert) – Signatur   max erelement init nat push over lng = element stack erstack empty top pop bool full

Keller – Eigenschaften der neuen Operationen a) lng gibt die Anzahl der Elemente eines Kellers an, wobei der leere Keller die Anzahl 0 hat und durch jedes in den Keller abgespeicherte Element die Anzahl um 1 vergrößert wird. b) Ein Keller ist leer, wenn die Anzahl seiner Elemente 0 ist. Ein Keller ist gefüllt, wenn die Anzahl eine vorgegebene Größe max erreicht hat.

Keller – Eigenschaften der neuen Operationen (Fortsetzung) c) Der Initialisierungskeller ist leer. d) Die Abspeicherung eines Elements in einen vollen Keller führt zu einem Fehler.

Kellerspezifikation (erweitert) type Keller2 == stack, push, pop, top, init, erstack, full, empty, lng, max, over based on NAT, BOOL, ELEMENT sorts stack decl e:element, s:stack constructors init:  stack; push: element x stack  stack; erstack:  stack; over:  stack

Kellerspezifikation (erweitert) - Fortsetzung operations pop: stack  stack; top: stack  element; lng: stack  nat; max:  nat; empty: stack  bool; full: stack  bool; _=_: nat x nat  bool

Kellerspezifikation (erweitert) - Fortsetzung axioms push(e, s) = if full(s) then over else push(e, s) fi pop(push(e, s)) = s top(push(e, s)) = e pop(init) = erstack top(init) = erelement lng(init) = 0 lng(push(e,s)) = lng(s) + 1 empty(init) = T empty(push(e, s)) = F full(s) = (lng(s) = max) end of type

Abstrakter Datentyp Schlange – Signatur   max erelement init nat   over insert length = element queue erqueue qempty front remove bool qfull

Schlange – Eigenschaften der Operationen Eine nur initialisierte Schlange ist leer und hat die Länge 0. Mit jedem hinzugefügten Element wächst die Länge um 1. Eine Schlange mit mindestens 1 Element ist nicht leer. Eine volle Schlange hat die maximale Länge erreicht. Es kann dann kein Element hinzugefügt werden.

Schlange – Eigenschaften der Operationen (Fortsetzung) Einer leeren Schlange kann kein Element entnommen werden. Elemente werden bei einer nichtleeren Schlange vorn weggenommen. Das Anfügen von Elementen geschieht am Ende der Schlange. Gelesen werden kann grundsätzlich nur das erste Element und das nur bei nichtleeren Schlangen.

Schlange - Spezifikation type Schlange == queue, front, insert, remove, init, erqueue, over, qempty, qfull, length based on NAT, BOOL, ELEMENT sorts queue decl e:element, q:queue constructors init:  queue; erqueue:  queue; over:  queue; insert: element x queue  queue

Schlange – Spezifikation (Forts.) operations front: queue  element; remove: queue  queue; length: queue  nat; max:  nat; qempty: queue  bool; qfull: queue  bool; _=_: nat x nat  bool axioms length(init) = 0 length(insert(e, q)) = length(q) + 1

Schlange – Spezifikation (Forts.) qempty(init) = T qempty(insert(e, q)) = F qfull(q) = (length(q) = max) front(init) = erelement front(insert(e, q)) = if qempty(q) then e else front(q) fi insert(e, q) = if qfull(q) then over else insert(e, q) fi remove(init) = erqueue remove(insert(e, q)) = if qempty(q) then init else insert(e, remove(q)) fi end of type

Abstrakter Datentyp Tabelle – Signatur  isdef bool key read erelement delete add, update full element empty table = size init over ertable nat max

Abstrakter Datentyp Tabelle – Signatur (andere Variante – unvoll.) element add mentry entry table key

Tabelle – Eigenschaften der Operationen - Eine nur initialisierte Tabelle ist leer und hat den Umfang 0. Mit jeder Eintragung wächst ihr Umfang um 1. - Die Aktualisierung einer leeren Tabelle ist ohne Effekt. Hingegen ist das Lesen einer Eintragung aus einer leeren Tabelle ein Fehler. - In eine gefüllte Tabelle kann keine weitere Eintragung vorgenommen werden.

Tabelle - Spezifikation type TABLE == key, table, read, add, update, delete, isdef, empty, full,init, over, ertable, size based on NAT, ELEMENT, BOOL sorts key, table decl k:key, l:key,t:table,e:element,f:element constructors init:  table; over:  table; ertable:  table; add: table x key x element  table

Tabelle – Spezifikation (Forts.) operations read: table x key  element; update: table x key x element  table; delete: table x key  table; __: key x key  bool; isdef: table x key  bool; empty: table  bool; full: table  bool; _=_: nat x nat  bool; size: table  nat; max:  nat

Tabelle – Spezifikation (Forts.) axioms delete(init, k) = ertable delete(add(t, k, e), l) = if k  l then t else add(delete(t, l), k, e) fi isdef(init, k) = F isdef(add(t, k, e), l) = if k  l then T else isdef(t, l) fi add(t, k, e) = if full(t) then over else if isdef(t, k) then ertable else add(t, k, e) fi fi

Tabelle – Spezifikation (Forts.) update(init, k, e) = init update(add(t, k, e), l, f) = if k  l then add(t, k, f) else add(update(t, l, f), k, e) fi read(init, k) = erelement read(add(t, k, e), l) = if k  l then e else read(t, l) fi size(init) = 0 size(add(t, k, e) = 1 + size(t) empty(t) = (size(t) = 0) full(t) = (size(t) = max) end of type

Liste – informale Beschreibung · Modellierung eines Karteikastens (Folge von Karteikarten) · Kennzeichnung der bearbeiteten Karte durch Einschub einer Spezialkarte (Markierungskarte) und damit Unterteilung der Karten in Karten des vorderen und hinteren Teils des Karteikastens · Einfügen und Entfernen von Karten stets vor der Markierungskarte

Liste – informale Beschreibung (Fortsetzung) · Verschiebung der Markierungskarte um 1 Position nach vorn oder hinten oder nach ganz vorn bzw. ganz hinten · Lesen der Karte vor der Markierungskarte hinten Markierungskarte vorn

Liste - Signatur max mlist erlist over nat erelement read init element list = insert length delete, first, bool last, next, prev empty, full, atbeg, atend

Liste - Operationen insert Einfügen einer Karte vor der Markierungskarte delete Entfernen der Karte vor der Markierungskarte read Lesen der Karte vor der Markierungskarte init Initialisierung der Kartei (nur Markierungskarte vorhanden)

Liste – Operationen (Forts.) first,last Setzen der Markierungskarte auf Anfang bzw. Ende next, prev 1 Karte nach hinten bzw. vorn length Anzahl der Karteikarten max maximale Kartenanzahl empty, full Ist der Karteikasten leer bzw. voll? atbeg,atend Ist die Markierungskarte am Anfang bzw. Ende des Kastens?

Liste – Eigenschaften von Operationen (Auszug) Befindet sich die Markierungskarte am Anfang des Kastens, so ist weder Lesen noch das Entfernen einer Karte möglich. Die Anwendung der prev-Operation ist dann nicht gestattet und die first-Operation hat keine Wirkung. Steht die Markierungskarte am Ende des Kastens, dann ist die next-Operation nicht erlaubt und die last-Operation ohne Wirkung.

Liste - Signaturänderung element cons seq list clist nil

Beispiel – kanonischer Term a b & c d Kanonischer Term – alte Form prev(prev(insert(d, insert(c, insert(b, insert(a, init)))))) Kanonischer Term – neue Form clist(cons(b, cons(a, nil)), cons(c, cons(d, nil)))

Liste - Spezifikation type LIST == list, read, insert, mlist, init, erlist, over, delete, first, last, next, prev, length, empty, full, atbeg, atend based on ELEMENT, NAT, BOOL sorts list, seq decl e:element, f:seq, b:seq, l:list constructors mlist:  list; erlist:  list; over:  list; nil:  seq;

Liste – Spezifikation (Forts.) cons: element x seq  seq; clist: seq x seq  list operations init:  list; insert: element x list  list; delete: list  list; first: list  list; last: list  list; next: list  list; prev: list  list;

Liste – Spezifikation (Forts.) read: list  element; length: list  nat; empty: list  bool; full: list  bool; atbeg: list  bool; atend: list  bool; max:  nat; _=_: nat x nat  bool

Liste – Spezifikation (Forts.) axioms init = clist(nil, nil) insert(e, clist(f, b)) = if full(clist(f, b)) then over else clist(cons(e, f), b) fi delete(clist(nil, b)) = erlist delete(clist(cons(e, f), b)) = clist(f, b) read(clist(nil, b)) = erelement read(clist(cons(e, f), b)) = e

Liste – Spezifikation (Forts.) last(clist(f, nil)) = clist(f, nil) last(clist(f, cons(e, b))) = last(clist(cons(e, f), b)) first(clist(nil, b)) = clist(nil, b) first(clist(cons(e, f), b)) = first(clist(f, cons(e, b))) next(clist(f, nil)) = mlist next(clist(f, cons(e, b))) = clist(cons(e, f), b) prev(clist(nil, b)) = mlist prev(clist(cons(e, f), b) = clist(f, cons(e, b)) length(init) = 0

Liste – Spezifikation (Forts.) length(clist(cons(e, f), b)) = 1 + length(clist(f, b)) length(clist(nil, cons(e, b))) = 1 + length(clist(nil, b)) empty(l) = (length(l) = 0) full(l) = (length(l) = max) atbeg(clist(nil, b)) = T atbeg(clist(cons(e, f), b)) = F atend(clist(f, nil)) = T atend(clist(f, cons(e, b))) = F end of type

Baumdurchlaufalgorithmen Inorder PROCEDURE inorder(t: IN tree); IF NOT null(t) THEN BEGIN inorder(left(t)); write(root(t)); inorder(right(t)) END FI END inorder

Baumdurchlaufalgorithmen Präorder PROCEDURE preorder(t: IN tree); IF NOT null(t) THEN BEGIN write(root(t)); preorder(left(t)); preorder(right(t)) END FI END preorder

Baumdurchlaufalgorithmen Postorder PROCEDURE postorder(t: IN tree); IF NOT null(t) THEN BEGIN postorder(left(t)); postorder(right(t)); write(root(t)) END FI END postorder

Treesort PROCEDURE treesort(x:IN array[1..n] of Elem); {x ist die zu sortierende Folge} VAR t, q, help, tree, y, z:Elem; i:1..n; {t Gesamtbaum; help und q sind Unterbäume zur Bestimmung der Stelle, wo ein neuer Knoten angehangen werden soll} t := leaf(x[1]); {erstes Element wird zum Baum} FOR i:= 2 TO n DO {weitere Elemente werden in den Baum einsortiert} BEGIN y := x[i]; {einzusortierendes Element} help := t;

Treesort (Forts.) WHILE NOT null(help) DO {Abwärtshangeln im Baum} q := help; {Merken des Ausgangsknotens} z := root(help); {Bestimmung des Elements an der Wurzel von help} IF keyof(y) < keyof(z) THEN help := left(help) ELSE help := right(help) FI {Fortsetzung im linken oder rechten Unterbaum} OD;

Treesort (Forts.) IF keyof(y) < keyof(z) THEN setleft(q, leaf(y)) ELSE setright(q, leaf(y)) FI {Anhängen eines Elements} OD; inorder(t); {Durchlauf durch t in Inorder} END treesort

Suche in einem treesort-Baum FUNCTION find(t:IN tree; k:IN key): Boolean; VAR p:tree; found:Boolean; x:Elem; found := FALSE; p := t; WHILE (NOT null(p)) AND (NOT found) DO root(p, x); IF k = keyof(x) THEN found := true ELSE IF k < keyof(x) THEN p := left(p) ELSE p := right(p) FI OD; find := found END find

Binärbaum - Signatur max setleft,setright nat leaf left, right noden = elem tree null, maxtree root over, ertree, empty bool cons setroot

Binärbaum - Operationen root liefert Element der Wurzel setroot, setright, setleft Aktualisierung der Baum- komponenten noden liefert Knotenanzahl eines Baumes left (right) linker (rechter) Unterbaum wird geliefert cons Konstruktion eines Baumes aus Wurzelelement, linkem und rechtem Unterbaum

Binärbaum – Operationen (Forts.) leaf ein Element wird zu einem Baum, bestehend aus einem Blatt (wird eigentlich nicht benötigt, ergibt aber kürzere Darstellungen) null Test auf leeren Baum maxtree Test auf maximale Knotenanzahl empty Bauminitialisierung

Binärbaum - Spezifikation type B-TREE == tree, root, leaf, left, right, empty, cons, over, ertree, setroot, setleft, setright, noden, null, maxtree based on NAT, BOOL, ELEM sorts tree decl w:elem, r:tree, l:tree, e:elem, t:tree constructors empty:  tree; over:  tree; ertree:  tree; cons: elem x tree x tree  tree;

Binärbaum – Spezifikation (Forts.) leaf:  tree operations root: tree  elem; left: tree  tree; right: tree  tree; setleft: tree x tree  tree; setright: tree x tree  tree; setroot: tree x elem  tree; null: tree  bool; maxtree: tree  bool;

Binärbaum – Spezifikation (Forts.) noden: tree  nat; max:  nat; _=_: nat x nat  bool axioms root(empty) = erelem right(empty) = ertree left(empty) = ertree leaf(w) = cons(w, empty, empty) root(cons(w, l, r)) = w

Binärbaum – Spezifikation (Forts.) left(cons(w, l, r)) = l right(cons(w, l, r)) = r setleft(empty, t) = ertree setright(empty, t) = ertree setroot(empty, e) = ertree setleft(cons(w, l, r), t) = cons(w, t, r) setright(cons(w, l, r), t) = cons(w, l, t) setroot(cons(w, l, r), e) = cons(e, l, r)

Binärbaum – Spezifikation (Forts.) null(t) = (noden(t) = 0) noden(empty) = 0 noden(leaf(w)) = 1 noden(cons(w, l, r)) = 1 + noden(l) + noden(r) maxtree(t) = (noden(t) = max) cons(w, l, r) = if noden(cons(w, l, r)) > max then over else cons(w, l, r) fi end of type

Beispielbaum T / T1 + / T3 a T2 * a c b c right(T) = cons(/, leaf(a), leaf(c)) left(left(T)) = left( cons(+, leaf(a), cons(*, leaf(b), leaf(c)))) = leaf(a)

Beispielbaum – Implementierung Index Wert lr rr   1 / 2 4 2 + 5 3 3 * 6 7 4 / 8 9 5 a 6 b 7 c 8 a 9 c

Beispiel – Freispeicherkette Index Wert lr rr   1 2 6 besetzter Speicher 3 4 2 5 6 7 Anfang der Frei- 7 9 speicherkette 8 9 nil  

Fragen zu Algorithmen Existiert (im mathematischen Sinn) zu einer gegebenen Aufgabe ein Lösungsalgorithmus? Welche Ressourcen benötigt er und ist er überhaupt durchführbar (Komplexität)? Wie beeinflusst ein gegebenes Rechnersystem die effiziente Ausführung eines Algorithmus? In welcher Programmiersprache kann der Algorithmus am besten notiert werden?

Church-Turing-These Alle (existierenden) „vernünftigen“ Definitionen des Begriffs „Algorithmus“ sind gleichwertig. (Formale Beweise der Äquivalenz der Formalisierungen existieren.) Jede (neue) „vernünftige“ Definition des Begriffs ist gleichwertig mit den obigen.

Bemerkungen Intuitive Vorstellungen über Algorithmen lassen sich durch Turingmaschine, Markovalgorithmen usw. formalisieren. Ein Beweis der Äquivalenz ist allerdings nicht möglich. Die Formalisierungen des Algorithmenbegriffs kommen ohne den Rechnerbegriff aus. Demzufolge muss ein Algorithmus prinzipiell auf jedem Rechner ausführbar sein. Algorithmen können in Software oder Hardware umgesetzt werden.

Fermatsche Vermutung Stoppt der nachfolgende Algorithmus? Eingabe n; Für a = 1, 2, 3,... Für b = 1, 2,..., a Für c = 2, 3,..., a + b Wenn an + bn = cn, dann gib a, b, c und n aus und stoppe.

Totalitätsproblem Äquivalenzproblem Gibt es einen Algorithmus, der für ein beliebiges Programm P feststellen kann, ob P für alle Eingaben D stoppt oder nicht stoppt? Äquivalenzproblem Gibt es einen Algorithmus, der für beliebige zwei Programme feststellen kann, ob sie die gleiche Aufgabe lösen.

Beispiel: Suchproblem Gegeben: endliche Folge F von Elementen einer Menge S F = A1,..., An, Element a  S Gesucht: Position von a in der Folge Algorithmus: FUNCTION LinSu(F: IN ARRAY [1..n] OF real; a: IN real): natural; FOR i := 1 TO n DO IF a = F[i] THEN RETURN(i) FI OD; RETURN(0) END LinSu

O/Ω/Θ-Notation g(n) = O(f(n)) bedeutet: Es existieren eine positive Konstante M und eine Konstante n0, so dass (n  n0) |g(n)|  M*|f(n)|. g(n) = (f(n)) bedeutet: Es existieren eine positive Konstante M und eine Konstante n0, so dass (n  n0) |g(n)|  M*|f(n)|. g(n) = (f(n)) bedeutet: Es existieren eine positive Konstante M und eine Konstante n0, so dass (n  n0) |f(n)|/M  |g(n)|  M*|f(n)|.

Rechenregeln für die O-Notation f(n) = O(f(n)) O(O(f(n))) = O(f(n)) c*O(f(n)) = O(f(n)) O(f(n))*O(g(n)) = O(f(n)*g(n)) O(f(n)*g(n)) = O(f(n))*O(g(n)) O(f(n)*g(n)) = f(n)*O(g(n))

Beispiel Eine Operation benötige 0,000001 sec  Anzahl der Asymptotischer Zeitbedarf bei Eingabedaten Komplexität n log2 n n n2 2n 10 0,000003 0,00001 0,0001 0,001 sec sec sec sec 100 0,000007 0,0001 0,01 1014 sec sec sec Jhd. 1000 0,00001 0,001 1 sec sec sec 10000 0,000013 0,01 1,7 sec sec min 100000 0,000017 0,1 2,8 sec sec h  

Häufig auftretende Komplexitäten (in wachsender Reihenfolge) O(1) konstant O(log n) logarithmisch O(n) O(n) linear O(n*log n) O(n2) quadratisch O(nk), k konstant polynomial O(kn), k konstant exponentiell O(n*2n) O(n!)

Menge M mit Halbordnung (partieller Ordnung) R: R  M x M, R binäre Relation auf M, wobei gilt R ist reflexiv: (x  M) (xRx) R ist transitiv: (x, y, z  M) (xRy  yRz  xRz) R ist antisymmetrisch: (x, y  M) (xRy  yRx  x = y) R ist eine (totale) Ordnung, wenn zusätzlich gilt: (x, y  M) (xRy  yRx)

Sortierproblem: Gegeben: U Universum mit Ordnung R M = {a1, Sortierproblem: Gegeben: U Universum mit Ordnung R M = {a1,..., an}, ai  U Gesucht: Permutation P = (p1,..., pn) von (1, ...,n), so dass apiRapi+1, i = 1,...,n-1 Beispiel: U = {0, 1, 2,...}, M = {5, 4, 8, 2} = {a1,...,a4}  P = (4, 2, 1, 3), da a4  a2  a1  a3

Grad der Unsortiertheit einer Menge: Anzahl der Inversionen der Menge Inversion: M = {a1,..., an} (ai, aj), wobei ai > aj und i < j Maximale Anzahl: (n2 – n)/2 Beispiel: Im obigen Beispiel: (5, 4), (5, 2), (4, 2), (8, 2)

Klassifikation von Sortierverfahren: 1 Klassifikation von Sortierverfahren: 1. Nach der Art der Elemente: - Elementsortierung - Schlüsselsortierung Schlüssel Assoziierte Information Element Argument Wert  Sortieren mit vollständiger Umspeicherung der Elemente oder nur mit Schlüsselumspeicherung (siehe auch Implementation des ADT Tabelle)

Stabile Sortierung: relative Ordnung zwischen zwei gleichen Schlüsseln bleibt erhalten Beispiel: Eine alphabetisch geordnete Liste von Prüfungsnoten wird nach den Noten geordnet. Dann sind alle Namen zur gleichen Note immer noch in alphabetischer Reihenfolge.

2. Nach dem Speicher: - Innere Sortierverfahren: Sortieren auf dem Hauptspeicher - Externe Sortierverfahren: Sortieren von Daten auf externen Speichern unter Nutzung innerer Verfahren für kleine Datenportionen 3. Nach der Rechnerarchitektur: Sequentielles und paralleles Sortieren 4. Nach der zeitlichen Komplexität 5. Nach den Methoden: adressenorientiert, assoziativ, hybrid

Adressenorientiertes Sortieren

Adressenorientiertes Sortieren Grundalgorithmus Voraussetzung: U = {u1,..., um} Universum, M = {a1,..., an}, ai  U, zu sortierende Menge Algorithmusschritte: 1) Initialisierung: Anlegen von m leeren Listen (zugeordnet zu den Elementen des Universums) 2) Verteilung: Abarbeitung von M von links nach rechts und Anhängen des Indexes i an die Liste j, wenn ai = uj. 3) Verkettung: Verbindung des Endes der i. Liste mit dem Anfang der (i+1). Liste ==> Indizes der Elemente der sortierten Folge bezogen auf ursprüngliche Folge

Adressenorientiertes Sortieren Beispiel U = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} = {u1,..., u7} M = {5, 4, 3, 4, 5, 0, 2, 1} = {a1,..., a8} Listen: Liste(Element) 1(0) 2(1) 3(2) 4(3) 5(4) 6(5) 7(6)   6 8 7 3 2 1 4 5  M sortiert: {a6, a8, a7, a3, a2, a4, a1, a5} = {0, 1, 2, 3, 4, 4, 5, 5}

Adressenorientiertes Sortieren Eigenschaften Komplexität: Zeitlich: - Typische Operationen: Einsortieren eines Elements in eine Liste (c1*n), Listen-verknüpfung (c2* (m – 1))  c3* (n + m)  O(n+m)  O(n) Speicher: O(n*m)  O(n) Stabilität: ja

Adressenorientiertes Sortieren Lexikographisches Sortieren Lexikographische Ordnung: U = {u1,..., un}, ui Zahlen gleicher Länge bestehend aus den Ziffern 0, 1,..., m-1 Dabei gilt: ui < uj, i < j, ui = a1...ak, uj = b1...bk  l: (1  l  k)  (ar = br, r=1,...,l-1)  (al < bl) Eine analoge Definition gilt für Wörter.

Adressenorientiertes Sortieren Lexikographisches Sortieren Algorithmusschritte: 1) Initialisierung: Anlegen von m leeren Listen (m Anzahl der Ziffern bzw. Buchstaben) 2) k Durchläufe: i. Durchlauf: · Verteilung: Zahlen (Wörter) des letzten Durchlaufs werden gemäß i. Ziffer (Buchstaben) einer Zahl (eines Wortes) von rechts betrachtet in die Listen einsortiert · Verkettung: Verbindung des Endes der i. Liste mit dem Anfang der (i+1). Liste

Beispiel U = {affe, alf_, duo_, elch, esel, maus, tanz, tor_, zart, zoo_} S = {zoo_, affe, tor_, maus, alf_}   _ a e f l m o r s t u z zoo_ affe maus tor_ alf_ alf_ zoo_ tor_ maus affe maus affe alf_ zoo_ affe maus tor_ zoo_

Adressenorientiertes Sortieren Lexikographisches Sortieren Komplexität: Zeitlich: O(k * (m + n))  O(n) Speicher: O(n * m)  O(n)

Assoziatives Sortieren Prinzip: Vergleich der Elemente untereinander Grundmethode (rekursive Beschreibung): 1. Analyse: Überführung des ursprünglichen Sortierproblems in Sortierprobleme geringeren Umfangs 2. Rekursion: Lösung der kleineren Probleme gemäß 1.-3. 3. Synthese: Zusammensetzung der Lösungen der kleineren Probleme zur Lösung des Gesamtproblems  

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Algorithmus (rekursive Version): 1. Analyse: Zerlegung von M = {a1,..., an} in M1 = {a1,..., an-1} und M2 ={an} 2. Rekursion: Sortieren von M1 nach 1. - 3. mit Ergebnis M1’ 3. Synthese: Einfügen von an an die richtige Stelle in M1’

Beispiel: Sortieren von M = {4, 5, 0, 2, 1} Zerlegung {4, 5, 0, 2, 1}     {4, 5, 0, 2} {1}  {0, 1, 2, 4, 5} {4, 5, 0} {2}  {0, 2, 4, 5} {4, 5} {0}  {0, 4, 5} {4} {5}  {4, 5} Einsortierung

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Komplexität: Typische Operationen: Vergleich zweier Elemente, Verschiebung eines Elements um 1 Platz Zeitlich: O(n2) Speicher: O(n)

Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Iterative Version procedure insertion(a : array of integer); var i, j, v: integer; begin for i := 2 to N do v := a[i]; j := i; while a[j – 1] > v do begin a[j] := a[j – 1]; j := j – 1 end; a[j] := v end

Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Iterative Version Beispiel: a0 a1 a2 a3 a4 a5 - 4 5 0 2 1 - 4 - 4 5 - 0 4 5 - 0 2 4 5 - 0 1 2 4 5

Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Eigenschaften n Wegen der quadratischen zeitlichen Komplexität ist es ungeeignet für große Mengen, aber sehr wohl anwendbar für kleine. n Ist die zu sortierende Menge gut vorsortiert, dann sind auch große Mengen gut sortierbar (Annäherung an minimale Komplexität). n Es ist gut für on-line Sortierung geeignet. n Der durch den Algorithmus zusätzlich benötigte Speicherplatz ist unabhängig von der Größe der zu sortierenden Menge konstant. n Das Verfahren ist stabil.

Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Verbesserungen Beginn der Suche der Einfügungsstelle ca. von der Mitte der sortierten Menge an Beginn des Aufbaues der sortierten Menge von der Mitte her

Sortieren durch Einfügen (INSERTSORT) Verbesserungen Beispiel: S = {4, 5, 0, 2, 1, 6} Aufbau der sortierten Menge: 4  5 4 5  0 0 4 5  2 0 2 4 5  1 0 1 2 4 5  6 0 1 2 4 5 6

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Auswahl (SELECTSORT) Algorithmus (rekursive Version): 1. M = {a1,..., an} wird zerlegt in M1 = {a11,..., a1n-1} = M - M2 und M2 = {min(M)} bzw. M2 = {max(M)} 2. Sortieren von M1 nach den Schritten 1. - 3. mit der Ergebnismenge M1’ 3. M’ = M2  M1’ bzw. M’ = M1’  M2

Sortieren durch Auswahl (SELECTSORT) Rekursive Variante Beispiel: Sortieren mit Minimum {4, 5, 0, 2, 1} Zerlegung {4, 5, 2, 1} {0}   {0, 1, 2, 4, 5}   {4, 5, 2} {1}     {4, 5} {2}  {5} {4} Aneinanderreihung

Sortieren durch Auswahl (SELECTSORT) Iterative Variante Beispiel: M = {4, 5, 0, 2, 1} Schritt Sortierte Menge Restmenge 1 0 4 5 2 1 2 0 1 4 5 2 3 0 1 2 4 5 4 0 1 2 4 5 5 0 1 2 4 5

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Vertauschen (BUBBLESORT) Prinzip: Vergleich von unmittelbar benachbarten Elementen mit anschließender Vertauschung bei falscher Reihenfolge

Sortieren durch Vertauschen (BUBBLESORT) Beispiel: M = {4, 5, 0, 2, 1, 6} Vertauschungsschritte: 4 5 0 2 1 6 4 0 5 2 1 6 4 0 2 5 1 6 4 0 2 1 5 6 0 4 2 1 5 6 0 2 4 1 5 6 0 2 1 4 5 6 0 1 2 4 5 6

Sortieren durch Vertauschen (BUBBLESORT) Verbesserungen: 1. Auslassen der Vergleiche von der Stelle an, von der im letzten Durchlauf die letzte Vertauschung stattfand (Elemente sind bereits in richtiger Reihenfolge) 2. Vergleich mit alternierender Richtung und Verbesserung 1. (SHEAKSORT)

Sortieren durch Vertauschen (BUBBLESORT) 3. Idee von D. L. Shell (1959): i. Sortierschritt auf der Basis des Vergleichs von Elementen, die hi Elemente voneinander entfernt liegen, wobei hi > hi+1, hk = 1 Empfehlung von Knuth: hi = 3*hi+1 + 1 (..., 40, 13, 4, 1)

Sortieren durch Vertauschen (BUBBLESORT) Beispiel: SHELLSORT für {4, 5, 0, 2, 1, 6} Vergleich und Vertauschung mit h1 = 4 4 5 0 2 1 6   1 5 0 2 4 6

Vergleich und Vertauschung mit h2 = 2 1 5 0 2 4 6 0 5 1 2 4 6 0 2 1 5 4 6 Vergleich und Vertauschung mit h3 = 1 0 1 2 4 5 6

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Mischen (MERGESORT) Algorithmus: 1. M = {a1,..., an} wird zerlegt in M1 und M2, die von gleicher Größe sein sollten 2. Sortieren von M1 und M2 gemäß 1. - 3.; Ergebnismengen M1’ und M2’ 3. Mischen der Mengen M1’ und M2’ zur sortierten Menge unter Verwendung des nachfolgenden Algorithmus’

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Mischen (MERGESORT) Mischalgorithmus: Gegeben: Sortierte Mengen M1’ und M2’ Gesucht: Sortierte Menge M’ bestehend aus den Elementen von M1’ und M2’ Schritte: Initialisierung von M’: M’ :=  Solange M1’ und M2’ beide nicht leer sind, führe aus: Übernahme des kleineren der beiden ersten Elemente von M1’ und M2’ nach M’ und Entfernung aus M1’ bzw. M2’. Ist M1’ oder M2’ leer, dann Übernahme der anderen Menge nach M’.

Sortieren durch Mischen (MERGESORT) Beispiel: Zerlegung {4, 5, 0, 2, 1, 6}     {4, 5, 0} {2, 1, 6}   {4, 5} {0} {2, 1} {6}   {4} {5} {2} {1}

Mischung: {0, 1, 2, 4, 5, 6} {0, 4, 5} {1, 2, 6} {4, 5} {0} {1, 2} {6}

Assoziatives Sortieren QUICKSORT Verbesserung von MERGESORT zu QUICKSORT (Hoare 1961): 1. Auswahl eines Pivotelements P aus M = {a1,..., an} und Zerlegung von M in zwei Mengen M1 und M2, wobei M1 alle Elemente aus M enthält, die kleiner als P sind. 2. Sortieren von M1 und M2 gemäß den Schritten 1. - 3. mit den Ergebnismengen M1’ und M2’ 3. M’ = M1’ . {P} . M2’

Beispiel: M = {207, 095, 646, 198, 809, 376, 917, 534, 310} Zerlegung {376} {207, 095, 198, 310} {646, 809, 917, 534} {198} {646}   {095} {207, 310} {534} {809, 917} {207} {809} {310} {917}

Verkettung {095, 198, 207, 310, 376, 534, 646, 809, 917} {095, 198, 207, 310} {376} {534, 646, 809, 917} {095} {198} {207, 310} {534} {646} {809, 917} {207} {310} {809} {917}

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Zählen (COUNTSORT) Prinzip: · Zu jedem Element von M = {a1,..., an} wird festgestellt, wie viel Elemente kleiner als dieses Element sind. · Die Anzahl der Elemente, die kleiner als ein gegebenes Element sind, gibt die Stellung des Elements in der sortierten Folge an.

Assoziatives Sortieren Sortieren durch Zählen (COUNTSORT) Beispiel: Menge M = {4, 5, 0, 1, 2, 6} Kleinere 3 4 0 1 2 5 Elemente Sortierte M´ = {0, 1, 2, 4, 5, 6} Menge Position 0 1 2 3 4 5

Assoziatives Sortieren Heapsort Vollständiger Binärbaum: Auf jedem Niveau, bis evtl. auf das letzte, sind alle Knoten vorhanden. Auf dem letzten Niveau dürfen Knoten nur am rechten Rand lückenlos fehlen.

Assoziatives Sortieren Heapsort Heap: Vollständiger Binärbaum, wobei der Schlüssel jeden Knotens größer oder gleich den Schlüsseln der Nachfolgerknoten ist. Lineare Darstellung eines Heaps: Anordnung der Elemente in einem Vektor entsprechend Baumebenen beginnend mit der 0. Ebene

Assoziatives Sortieren Heapsort Beispiel: Heap 1 917 2 809 3 646 4 534 5 550 6 613 7 412 8 320 Lineare Darstellung: 917 809 646 534 550 613 412 320

Assoziatives Sortieren Heapsort Positionsbestimmung: Vorgänger zu Knoten j: Position j div 2 Direkte Nachfolger zu Knoten j: Positionen 2*j und 2*j + 1

Assoziatives Sortieren Heapsort Algorithmus: 1. Aufbau eines Heap aus den Elementen der zu sortierenden Menge M: Wiederholung folgender Schritte beginnend mit einem 1-elementigen Heap 1.1 Anfügen des nächsten Elements aus M an gegebenen Heap 1.2 Überprüfung der Heapeigenschaft mit Korrektur, wenn nötig

2. Konstruktion der sortierten Menge M´: Wiederholung folgender Schritte bis zur Erreichung eines leeren Heaps: 2.1 Übernahme des Wurzelelements des Heaps nach M´(von links nach rechts) 2.2 Ersetzen des Wurzelelements im Heap durch letztes Heapelement (letzte Ebene, rechter Rand) 3.2 Überprüfung der Heapeigenschaft mit Korrektur, wenn nötig

Beispiel: M = {550, 917, 613, 320, 809, 646, 412, 534} 1. Konstruktion des Heap 550 550 550 917 550 917 Erfüllt Heapeigenschaft nicht  917 550 917 550

917 550 613 917 550 613 Heap zu M 917 809 646 534 613 412 320 917 809 646 534 550 613 412 320

2. Konstruktion der sortierten Menge M´ Auslesen der Wurzel: 917 Ersetzen der Wurzel durch letztes Element: 320 809 646 534 550 613 412 917 320 809 646 534 550 613 412

Überprüfung der Heapeigenschaft: 809 320 646 534 550 613 412 550 646 534 320 613 412

Auslesen und Ersetzen der Wurzel: 412 550 646 534 320 613 412 550 646 534 320 613 809 917 Endergebnis: M´= {320, 412, 534, 550, 613, 646, 809, 917}

Hybrides Sortieren Algorithmus: M = {a1,..., an}, amin minimales Element, amax maximales Element von M Schritte: 1. Unterteilung von <amin, amax+1) in m Teilintervalle <xi, xi+1), i=0,...,m-1, x0 = amin, xm = amax + 1 2. Verteilung der Elemente auf Intervalllisten 3. Assoziatives Sortieren in den Listen und Listenverkettung

Beispiel: M = {207, 095, 646, 198, 809, 376, 918, 534, 310, 209, 181, 595, 799, 694, 344, 522, 139} xmin = 095 xmax + 1 = 919 m = 8 Intervalle Elemente Elemente sortiert <095, 198) 095 181 139  095 139 181 Sortierte <198, 301) 207 198 209  198 207 209 Menge <301, 404) 376 310 344  310 344 376 <404, 507) <507, 610) 534 595 522  522 534 595 <610, 713) 646 694  646 694 <713, 816) 809 799  799 809 <816, 919) 918  918

Suchverfahren Suchproblem: Ein Suchproblem ist gegeben durch 1) die Mengen U Universum (Elemente, aus denen der Suchraum bestehen kann), A Menge der Anfragen, X Menge der Antworten 2) und eine Beziehung zwischen den angeführten Mengen Q: A x 2U  X Q(a, S) mit a  A, S  2U bezeichnet eine Antwort aus X zu einer Anfrage a an einen Suchraum S aus dem Universum U.

Suchverfahren Algebraische Formulierung Statisches Suchproblem: Der Suchraum wird einmal aufgebaut und bleibt dann unverändert. Statisches Q X Lexikon init build A insert,delete 2U U

Suchverfahren Algebraische Formulierung Dynamisches Suchproblem: ständige Änderung des Suchraums durch Hinzufügen und Entfernen von Elementen Dynamisches Q X Lexikon init A insert delete U

Suchverfahren Operationen: init Initialisierung des Suchraums mit einer leeren Menge insert Aufnahme eines Elements aus U in den Suchraum delete Entfernung eines Elements aus dem build Strukturierung des Suchraums

Suchverfahren Typische Suchprobleme Zugehörigkeit eines Elements zu einer Menge: U = A beliebige Menge (nach jedem Element des U kann in S gefragt werden), X = {true, false}, S  U    true, a  S Q(a, S) =   false, a  S S Wörterbuch mit der Anfrageoperation (Mitglied, member) und im dynamischen Fall zusätzlich mit den Operationen insert (Einfügen) und delete (Streichen, Entfernen)

Suchverfahren Typische Suchprobleme ·Minimum (Maximum) einer geordneten Menge: U = X (potenziell jedes Element aus U kommt in Frage), A ohne Bedeutung Q(_, S) = min S (Q(_, S) = max S), S  U Dynamischer Fall: Prioritätsschlange

Suchverfahren Typische Suchprobleme Mehrdimensionale Suchprobleme (partial match searching): E beliebige Menge U = Ek Menge aller k-Tupel von Elementen aus E, k  1 A = (E  {*})k Menge aller k-Tupel, deren Elemente * oder aus E sein können, *  E X = 2U Q(a, S) = {b  S| j (1  j  k)  (aj = bj  aj = *)}, S  Ek Menge aller k-Tupel, deren Komponenten mit denen von a = (a1,..., ak) übereinstimmen, wenn sie kein * sind

Suchverfahren Typische Suchprobleme ·Problem des nächsten Nachbarn (Postamtproblem): A = U = E2, X = 2U, S  E2 E2 zweidimensionaler Euklidischer Raum mit Metrik  Q(a, S) = {b  S| (c  S)  ((a, b)  (a, c)} (Für eine Postsendung mit gegebenem Zielort ist das nächstliegende Postamt zu bestimmen.)

Suchverfahren Klassifizierungen Klassifizierung der Suchalgorithmen: 1. Algorithmen mit Adressberechnung: Der Platz des gesuchten Elements im Suchraum wird ausgehend vom Wert des Elements berechnet. 2. Assoziative Algorithmen: Die Positionsbestimmung geschieht durch Vergleich des gesuchten Elements mit anderen Elementen des Suchraumes, wobei im Universum eine Ordnung vorgegeben sein muss. Weitere Klassifizierung: parallele Algorithmen, sequentielle Algorithmen

Suchverfahren Komplexitätsmaße Voraussetzung: n Größe des Suchraumes P(n, k) zeitliche Komplexität der Konstruktion der Datenstruktur (Suchstruktur), in der gesucht wird (k-dimensionale Menge vom Umfang n) S(n, k) Speicherkomplexität der Suchstruktur Q(n, k) zeitliche Komplexität der Realisierung einer Anfrage über der Suchstruktur

Suchverfahren Komplexitätsmaße U(n,k) zeitliche Komplexität jeder Aktualisie- rungsoperation für S I(n, k) zeitliche Komplexität einer insert- Operation im dynamischen Fall D(n, k) zeitliche Komplexität einer delete-

Suchverfahren Algorithmen mit Adressberechnungen Verwendung eines charakteristischen Vektors Voraussetzung: |U| = N, U = {1, 2,..., N}, N nicht zu groß Repräsentation von S  U durch einen charakteristischen Vektor (Bitvektor) A: array [1..N] of Boolean, wobei A[i] = true genau dann, wenn das i. Element von U in S ist

Suchverfahren unter Verwendung eines charakteristischen Vektors Beispiel: U = {rot, blau, grün, gelb, schwarz}, S = (blau, gelb) type Farbe = ...; S: array [Farbe] of Boolean => S[blau] = true = S[gelb], S[rot] = S[grün] = S[schwarz] = false rot blau grün gelb schwarz false true false true false

Suchverfahren Algorithmen mit Adressberechnungen Hashing Voraussetzung: großes (evtl. unendliches) Universum U und relativ kleine Menge S  U, |S|  m Verwendung einer Hashtabelle A[0..m-1] und einer Hashfunktion h: U  {0,..., m-1} Wenn x  S, dann wird x auf A[h(x)] oder „in der Nähe“ abgespeichert.

Suchverfahren Hashing Kollission: x, y  S, x  y, und h(x) = h(y)  Abspeicherung von x und y auf unterschiedlichen Plätzen „in der Nähe“ von h(x); unterschiedliche Bestimmung der „Nähe“  Verkettung oder offene Adressierung

Suchverfahren Hashing 1. Hashing mit Verkettung Alle Elemente von S mit der gleichen Hashadresse h(x) werden zu einer Kette verbunden, deren Anfang in A[h(x)] abgespeichert ist.

Suchverfahren Hashing mit Verkettung Beispiel: U = {0, 1, 2,...}, S = (1, 3, 4, 7, 10, 17, 21}, m = 3 Hashfunktion: h(x) = x mod 3   A  0 3 21 1 1 4 7 10 2 17

Suchverfahren Hashing 2. Hashing mit offener Adressierung Idee: Zu jedem Element x  U gehört eine Folge von Tabellenpositionen h(x, i), i = 0, 1,... , auf denen sich x befinden könnte.   Mögliche Hashfunktion: h(x, i) = [h1(x) + h2(x)*i] mod m

Suchverfahren Hashing mit offener Adressierung Beispiel: m = 7, h1(x) = x mod 7, h2(x) = 1 + (x mod 4) S = (3, 17, 6, 9, 15, 13, 10) h(3, i) = [3 + 4*i] mod 7, i = 0 möglich  Abspeicherung von 3 auf A[3] h(17, i) = [3 + 2*i] mod 7, i = 1 möglich  Abspeicherung von 17 auf A[5] ...  0 1 2 3 4 5 6 13 15 9 3 10 17 6

Suchverfahren Hashing 3. Perfektes Hashing Perfekte Hashfunktion: U = {0, 1,..., N - 1}, S  U, h: {0, 1,..., N - 1}  {0, 1,..., m-1} h heißt perfekt, wenn für alle x, y  S, x  y, gilt h(x)  h(y). Eine Menge H von Hashfunktionen heißt (N, m, n)-perfekt, wenn es für jede Teilmenge S, |S| = n, ein h  H gibt, so dass h für S eine perfekte Hashfunktion ist.

Suchverfahren Perfektes Hashing Praktische Methode (Cormack, Horspool, Kaiserwerth): Verwendung von zwei Tabellen: - Tabelle D (directory) - Tabelle T (Elementetabelle) Aufspaltung des Suchraums S in Gruppen Si, i=1,...,m, wobei gilt: x und y aus S gehören genau dann in die gleiche Gruppe, wenn ihr Hashwert gemäß primärer Hashfunktion h gleich ist

h(x,s) = a = h(y, s) bedeutet (|D| = s): hk(e,r) ist eine sekundäre Hashfunktion für das Auffinden der Elemente aus Sk im Abschnitt [, +r-1] der Tabelle T, wobei hk(x,r) = u und hk(y,r) = t , |Sk| = r Tabelle D Tabelle T a k r   +u x +t y +r-1

Suchverfahren Hashing 4. Digitale Suchbäume Idee: Kombination von Hashing und Suchbaum Hashwert: Binärzahl Interpretation des Hashwertes: - Durchlaufe den Wert von links nach rechts bis zum Auffinden des Elements oder eines freien Speicherplatzes zur Elementablage - 0: gehe nach links - 1: gehe nach rechts

Suchverfahren Digitale Suchbäume Beispiel: S = {s1, s2, s3, s4, s5, s6} Hashfunktion: i h s1 0010 0010 s1 s2 1001 s2 1001 s3 1101 0011 s5 s3 1101 s4 0111 0111 s4 s5 0011 s6 1111 s6 1111

Suchverfahren Hashing 5. Tries (Retrieval trees) Tries haben eine analoge Struktur zu den digitalen Suchbäumen mit folgenden Änderungen: a) Die Elemente sind Blätter des Baumes. b) Als Hashwert wird die binäre Darstellung eines Elements verwendet. c) Die Kanten im Baum sind mit 0 (linke Kante) oder 1 (rechte Kante) bezeichnet. Der Hashwert eines Elements beschreibt dann eine Kantenfolge, die zum gesuchten Element führt.

Suchverfahren Tries Beispiel: S = {0010, 1001, 1101, 0111, 0011, 1111} 0 1   0 1 0 1   1 1 0 0 1   0 1 1 1 1 1 s1 s5 s4 s2 s3 s6

Assoziatives Suchen Verfahren Voraussetzungen: U linear geordnetes Universum (Menge mit totaler Ordnung) S = (x1,..., xn) mit xi  xi+1 sei im Vektor S[1..n] abgespeichert, wobei S[i] = xi a  U in S gesuchtes Element

Grundalgorithmus: S Schritte:   S[1] S[unten] S[naechster]=e S[oben] S[n] Schritte: a) Vergleiche a mit einem Element e aus S. b) 1. e ist a  Halt 2. a < e  Suche im unteren Teil von S 3. a > e  Suche im oberen Teil von S Erfolgloser Abbruch, wenn bei 2. bzw. 3. der jeweilige Bereich von S nur aus einem Element besteht und dieses Element nicht a ist.

Bestimmung des Suchabschnittes in S: 1 Bestimmung des Suchabschnittes in S: 1. Initialisierung: unten := 1; oben := n; naechster := aus [unten..oben] ausgewählter Index (des Elements e); 2. Solange oben > unten und a  S[naechster], führe folgende Schritte aus: Wenn a < S[naechster], dann oben := naechster - 1, sonst unten := naechster + 1. naechster := aus [unten..oben] ausgewählter Index; 3. Wenn a = S[naechster], dann wurde a gefunden, sonst ist a nicht in S. Halt.

Der Index von e (naechster) kann durch unterschiedliche Strategien ausgewählt werden: a) lineare Suche: naechster := unten b) binäre Suche: naechster := (oben + unten)/2 - Intervallhalbierung (x bedeutet: kleinste ganze Zahl größer oder gleich x) c) Interpolationssuche: zusätzlich werden S[0] und S[n + 1] eingeführt naechster := (unten - 1) + (a - S[unten - 1])*(oben - unten + 2)/ (S[oben + 1] - S[unten - 1])

Beispiel: S = (3, 8, 12, 16, 21, 27, 32), a = 12 Binäre Suche   unten naechster oben erster Suchabschnitt naechster oben zweiter Suchabschnitt unten + naechster dritter Suchabschnitt

Interpolationssuche Zusätzliche Elemente: S[0] = 0 S[8] = 37 0 3 8 12 16 21 27 32 37 S unten naechster oben erster Suchabschnitt

Binärer Suchbaum S = (x1,..., xn) mit xi < xi+1, i=1,...,n-1 T Binärbaum mit den Knoten v1,..., vn und der Markierungsfunktion Label: {v1,..., vn }  S , wobei gilt: vk sei die Wurzel eines beliebigen Unterbaums Tk von T. vi bzw. vj seien beliebige Knoten im linken bzw. rechten Unterbaum von Tk. Dann Label(vi) < Label(vk) < Label(vj)

Suchbaum mit symmetrischer Ordnung: - Markierung der inneren Knoten mit Elementen aus S. - Markierung der Blätter mit offenen Intervallen, die alle Elemente umfassen, die nicht im Suchbaum auftreten.

Beispiel: S = (3, 8, 12, 16, 21, 27, 32) 16     8 27   3 12 21 32 ( , 3) (3, 8) (16, 21) (21, 27) (8, 12) (12, 16) (27, 32) (32, )

Algorithmus für den Zugriff zu einem Element a im Baum T: 1 Algorithmus für den Zugriff zu einem Element a im Baum T: 1. Initialisierung: v := Wurzel von T; 2. Solange v kein Blatt ist und Label(v)  a, wiederhole: Ist a kleiner als Label(v), dann v := linker Sohn von v, sonst v := rechter Sohn von v. 3. Wenn v ein innerer Knoten ist, dann wurde a gefunden, sonst ist a nicht im Baum vorhanden.

Algorithmus zum Einfügen eines neuen Knotens a mit xi0 < a < xi0+1 und S = (..., xi0, xi0+1,...): 1. Auffinden des Blattes mit der Markierung (xi0, xi0+1) 2. Ersetzen des Blattes durch einen Baum a (xi0, a) (a, xi0+1)

Assoziatives Suchen Gewichtete Bäume Zugriffsverteilung (0, 1, 1,..., n, n): S = (x1,..., xn) mit x1 < x2 < ... < xn i Wahrscheinlichkeit, dass das Zugriffselement a identisch mit xi ist j Wahrscheinlichkeit, dass das Zugriffselement a im Intervall (xj, xj+1) liegt i + j = 1

Assoziatives Suchen Gewichtete Bäume Tiefe eines Baumknotens v eines Baumes T: 1. v sei die Wurzel von T: Tiefe(v, T) = 0 2. Es sei T = <w, T1,..., Tm> und v sei ein Knoten im Teilbaum Ti: Tiefe(v, T) = 1 + Tiefe(v, Ti) T w T1 Ti vk Tm v

Assoziatives Suchen Gewichtete Bäume Gewichtete Pfadlänge PT eines Baumes T: PT =  i*(1 + biT) +  j*ajT biT Tiefe des Knotens xi im Baum T ajT Tiefe des Blattes (xj, xj+1) im Baum T

Beispiel: x3 1/8 x2 1/8 x4 0 x1 1/24 (x2, x3) (x3, x4) (x4, x5)   x2 1/8 x4 0 x1 1/24 (x2, x3) (x3, x4) (x4, x5) 0 1/8 5/12 (x0, x1) (x1, x2 ) 1/6 0 PT = (1/24*3 + 1/8*2 + 1/8) + (1/6*3 + 1/8*2 + 5/12*2)

Assoziatives Suchen Balancierte Bäume 1. Gewichtsbalancierte Bäume Wurzelbalance eines Baumes T: Voraussetzungen: - T hat einen linken Unterbaum Tl und einen rechten Unterbaum Tr - |T| bedeutet die Anzahl der Blätter von T Wurzelbalance: (T) = |Tl|/|T| = 1 - |Tr|/|T|  

Assoziatives Suchen Gewichtsbalancierte Bäume Baum T von beschränkter Balance  (T  BB[]): Für jeden Unterbaum T’ von T gilt   (T’)  1 - . Bedeutung der Bäume aus BB[]: Sie besitzen logarithmische Tiefe und im Mittel logarithmische mittlere Pfadlängen (für ¼ <   1 - 21/2/2).

Beispiel: 5/14 2/5 4/9 1/2 2/3 1/2 2/5 ( ) ( ) 1/2 ( ) 1/2 1/2 1/2 2/3     2/5 4/9 1/2 2/3 1/2 2/5 ( ) ( ) 1/2 ( ) 1/2 1/2 1/2 2/3   ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1/2 ( )   ( ) ( ) Für   1/3 ist der Baum aus BB[].

Operation Rotation nach links x 1 y 1     y 2 x 2 a c  b c a b 1 = 1 + (1 - 1)*2 2 = 1/(1 + (1 - 1)*2)

Operation Doppelrotation nach links x 1 z 1   y 2 x 2 y 3 a  z 3 d a b c d   b c 1 = 1 + (1 - 1)*2*3 2 = 1/(1 + (1 - 1)*2*3) 3 = 2*(1 - 3)/(1 - 2*3)

Assoziatives Suchen Balancierte Bäume 2. Höhenbalancierte Bäume (a, b)-Baum: Voraussetzungen: a, b ganze Zahlen, a  2, b  2*a - 1 (v) Anzahl der Söhne des Knotens v   T ist ein (a, b)-Baum, wenn gilt: 1. Alle Blätter von T haben die gleiche Tiefe. 2. Alle Knoten v von T erfüllen die Bedingung (v)  b. 3. Alle Knoten v, außer der Wurzel, erfüllen die Bedingung (v)  a. 4. Die Wurzel r hat die Eigenschaft (r)  2.

Abspeicherung einer Menge S als Baum T (Mehlhorn): 1 Abspeicherung einer Menge S als Baum T (Mehlhorn): 1. Die Elemente von S werden als Blätter von T von links nach rechts in aufsteigender Ordnung abgespeichert. 2. Jeder innere Knoten v wird mit k1(v) : k2(v) : ...: k(v)-1 markiert, ki(v) < kj(v) für i < j und ki(v), kj(v)  U, wobei gilt: a) Für alle Blätter w des ersten Unterbaumes von v: Label(w)  k1(v). b) Für alle Blätter des (v). Unterbaumes von v: Label(w) > k(v)-1. c) Für die Blätter w des i. Unterbaumes von v, 1 < i < (v): ki-1(v) < Label(w)  ki(v).

Beispiel: (2, 4)-Baum 4 2 7 : 8 : 9 1 3 7 8 9 10 a : b : c     2 7 : 8 : 9   1 3 7 8 9 10 a : b : c bedeutet eine Elementeaufteilung in folgende Bereiche    a (a, b] (b, c] c <

Beispiel: Rebalancierung nach Einfügen 4     2 6 : 7 : 8 : 9   1 3 6 7 8 9 10 Kein (2, 4)-Baum! Rebalanciert: 4 : 7   2 6 8 : 9   1 3 6 7 8 9 10

Beispiel: Rebalancierung nach Streichen 4 : 7     2 6 8 : 9   1 3 6 7 8 9 10 Kein (2, 4)-Baum! Rebalanciert: 4 : 8   2 7 9   1 3 7 8 9 10

Komplexitäten Sortieralgorithmen Vorraussetzungen: U Universum, S Sortiermenge, |U| = m (im endlichen Fall), |S| = n Adressenorientiertes Sortieren: - Zeit: O(n + m) - Speicher: O(n * m) Lexikographisches Sortieren (k Stellenanzahl der sortierten Wörter, m Anzahl unterschiedlicher Zeichen): - Zeit: O(k * (m + n))

Insersort, Selectsort, Bubblesort: - Zeit: O(n2) - Speicher: O(n) Mergesort: - Zeit: O(n * log2 n) - Speicher: O(n) (2 * n) Quicksort: - Zeit: O(n2) , durchschnittlich ca. (n * log2 n) Countsort: - Speicher: O(n) (3 * n)

Hybrides Sortieren: - Zeit: O(n * log2 n), durchschnittlich ca. (n) - Speicher: O(n) (2 * n) Heapsort: - Zeit: O(n * log2 n) - Speicher: O(n) Shellsort: Zeit: O(n1,5) (hängt entscheidend von den gewählten Abständen ab und ist schwer ermittelbar)

Ausgewählte Komplexitäten Suchverfahren Vorraussetzungen: U Universum, S Suchraum, |S| = n, m Anzahl möglicher Eintragungen in einer Hashtabelle Charakteristischer Vektor: Anfrage und Aktualisierung O(1) Hashing mit Verkettung: Anfrage, Einfügen, Löschen im schlechtesten Fall (n) Hashing mit offener Adressierung: durchschnittliche Suchzeit bei Belegungsfaktor  =n/m ca. (1/)*log2 (1/(1-))

Digitale Suchbäume: O(l) mit l Anzahl der Bit, aber durchschnittlich ca. (log2 n) Tries: O(l) mit l Länge des Hashwertes Binäre Suche: Anfrage O(log2 n), Einfügen und Löschen O(n) Binärer Suchbaum: O(T) mit T Tiefe des Suchbaums Interpolationssuche: O(n) , durchschnittlich ca. (log2 log2 n) BB[],   (1/4, 1 – 21/2/2]: O(log2 n) (a, b)-Baum: Suche, Einfügen, Löschen O(log2 n)

Evolutionsalgorithmen Charakterisierung: Such- und Optimierungsstrategien nach dem Vorbild der Evolution in der Natur Ingenieurtechnisch ist Evolution - ein Suchprozess im Raum genetischer Informationen bzw. Erbanlagen - mit dem Ziel des Findens bester Erbanlagen Verwendung schwacher Strategien (nicht problemabhängig; keine spezielle Bewertung)

Durchlauf durch den Suchraum: Bestimmung des nächsten Suchpunktes ausgehend von durchlaufenen Suchpunkten und aktuellem Suchpunkt unter Nutzung von Bewertungskriterien Durchlaufstrategien: Feste Strategien Wissensbasierte Strategien

Evolutionsalgorithmen: Genetische Algorithmen Genetische Programmierung Evolutionsstrategien Evolutionäre Programmierung

Anwendungen: Ältere Anwendungen: 1967 Entwicklung von Spielstrategien, Mustererkennung, Simulation lebender Zellen, 1975 Optimierung der Form von Kühlrippen, 1975 Gewichtsoptimierung eines Stabtragwerkes Neuere Anwendungen: Data Mining, automatische Programmerzeugung, Berechnung optimaler Linsenformen, Strukturevolution neuronaler Netze

Genetische Algorithmen Genetische Algorithmen bilden eine Analogie zur natürlichen Auswahl und Evolution. Charakterisierung: 1.   Wahl eines geeigneten Kodierungsmechanismus’ für Problemlösungen als „Chromosomen“ (i.d.R. Bitvektoren für Individuen) 2.   Mechanismus zur Erzeugung der initialen Lösungspopulation (Generation 0)

Genetische Algorithmen (Fortsetzung) 3.   Wiederholung nachfolgender Schritte bis zum Erreichen einer zufriedenstellenden Bewertung oder einer Abbruchbedingung: -  Bewertung der aktuellen Population gemäß Bewertungs- oder Fitnessfunktion (Bewertung: Nähe zum Optimum; Fitness: Wahrscheinlichkeit des Überlebens und der Teilnahme an der Reproduktion  Abbruch oder Fortsetzung mit nächstem Punkt)      

Genetische Algorithmen (Fortsetzung)     - Selektion von Subpopulationen gemäß Heiratsschema und Erzeugung von Nachkommen der aktuellen Generation mittels Rekombination   - Mutation der Nachkommen - Bestimmung der neuen Generation gemäß Ersetzungsschema     - Aktualisierung der Abbruchbedingung

Beispiel: Problem des Handelsreisenden Naiver Lösungsprozess: Bestimmung aller möglichen Routen ((n-1)!) und Auswahl der kürzesten  praktisch nicht durchführbar Lösung durch genetischen Algorithmus: 1.    Kodierung der Routen: a) graphisch: Städte als Knoten, Reisestrecken als bewertete Kanten Beispiel:   C   B D E   A F

b) Vektor, dessen Komponenten den direkten Städteverbindungen entsprechen: 1 Verbindung vorhanden 0 Verbindung nicht vorhanden Probleme: n    geschlossene Wegstrecken sind schlecht erkennbar n    schwere Realisierbarkeit vernünftiger Rekombinations- und Mutationsoperatoren c)   Vektor S mit k Komponenten (Indizes 0,1,...,k-1), k Anzahl der Städte: Jedem Element aus {0,1,...,k-1} entspricht eine Stadt. Die Vektorkomponenten führen die besuchten Städte kodiert und in der Besuchsreihenfolge an.

Beispiel: Zuordnung: A  0, B  1, C  2, D  3, E  4, F  5 S für obigen Weg: (0, 1, 3, 2, 4, 5) 2. Festlegung von Bewertungs- und Abbruchkriterien 3. Festlegung von Rekombinations- und Auswahlstrategien

Beispiele: Rekombinationsstrategien Kreuzung: Eltern Kinder 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1  1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 Mutation: Löschen - Nachschieben - Einsetzen 8 7 1 0 6 3 4 9 5 2  8 7 0 6 3 4 9 5 2 1

Genetische Programmierung Genetische Programmierung kann als genetische Algorithmen auf abstrakten Syntaxbäumen von Programmen betrachtet werden Ziel: Es sollen Programme erzeugt werden, die bestimmten Kriterien genügen Vorgehensweise: siehe genetische Algorithmen

Genetische Programmierung (Fortsetzung) Beispiel: Programm in LISP-Notation: (MUL (ADD X (DIV Y 1.5)) (SUB Z 0.3)) Y/1.5 Z - 0.3 X + Y/1.5 (X + Y/1.5) * (Z - 0.3)

Genetische Programmierung (Fortsetzung) Abstrakter Syntaxbaum: MUL ADD SUB X DIV Z 0.3 Y 1.5

Algorithmusschritte: 1. Erzeugung einer initialen Programmpopulation 2 Algorithmusschritte: 1. Erzeugung einer initialen Programmpopulation 2. Wiederholung folgender Schritte bis zum Erreichen von Abbruchkriterien: a) Bewertung der aktuellen Population  Abbruch bzw. Fortsetzung mit b) b) Erzeugung neuer Programme durch übliche genetische Operationen (z.B. Austausch von Baumteilen, Ersetzen von Baumteilen), die auch typgesteuert sein können

c) Bestimmung der neuen Generation Programm- population   Programm- Eltern- test auswahl Neue Programme

Evolutionsstrategien Ziel: Verbesserung von Verhalten durch Evolution Population: Vektoren reeller Zahlen Vektorkomponenten entsprechen Verhaltensmerkmalen Vorgehensweise: analog zu genetischen Algorithmen

Evolutionäre Programmierung Keine Beschränkungen für Populationen! Erzeugung neuer Populationen durch Mutation

Komponenten prozeduraler (imperativer) Programmiersprachen (1) ·   Ausdrucksmittel zur Darstellung des Steuerungsflusses (Iteration, Sequenz, Alternative, Parallelität) ·  Prozedurabstraktion (Zusammenfassung von Anweisungsfolgen zu einer, evtl. parametrisierten, Programmeinheit, die an verschiedenen Programmstellen aufgerufen werden kann)

Komponenten prozeduraler (imperativer) Programmiersprachen (2) ·  Programmvariablen als Modell für Speicherplätze: - Charakterisierung durch Name (Bezeichnung im Programm), Referenz (Adresse des zugeordneten Speicherplatzes), Wert (Inhalt des zugeordneten Speicherplatzes), Typ (Art des Inhaltes des zugeordneten Speicherplatzes)

Komponenten prozeduraler (imperativer) Programmiersprachen (3) - Möglichkeit der Wertänderung - unterschiedliche Arten der Parametervermittlung (z.B. Referenzaufrufe, Werteaufrufe) - Nebeneffekte (side effect) von Prozeduren bei Wertänderung von nichtlokalen Variablen

Komponenten prozeduraler (imperativer) Programmiersprachen (4) - Möglichkeit der Mehrfachreferenz (Aliasnamen) - Sprachkonzepte zur Speicherverwaltung (z.B. Erzeugung und Beseitigung von Speicherplatz) - Lebensdauer und Gültigkeitsbereiche Lebensdauer: Dauer der Existenz eines Objekts; z.B. während der Existenz eines Prozedurkörpers existieren alle dort deklarierten Variablen. Gültigkeitsbereich: gibt Zugriffsmöglichkeiten zum Objekt an

Komponenten prozeduraler (imperativer) Programmiersprachen (5) · Datentypkonzept: - Datentyphierarchie alle elementar strukturiert aufzählbar nicht aufzählbar rekursiv endliche kartesisches Vereinigung (Zeiger) Abbildung Produkt (union) (Array) (Record) - Typkontrollen, Typäquivalenz

Komponenten funktionaler Sprachen · Menge einfacher Datenobjekte (z.B. Listen) · Menge vordefinierter elementarer Funktionen (z.B. zur Listenbearbeitung) · Regeln zur Komposition von Funktionen (z.B. Verkettung) · Bezeichnungsregeln für Funktionen im Zusammenhang mit Deklarationen · Anwendungsoperator für Funktionen (Funktionsaufruf)

Beispiel % Sortierfunktion DEF sort([]) = [] DEF sort([a|R]) = a insert sort(R) % [a|R] bezeichnet eine Liste mit dem Kopfelement % a und der nachfolgenden Restliste R % Einfuegefunktion DEF x insert [] = [x] DEF x insert [a|R] = IF x  a THEN [x|[a|R]] ELSE [a|(x insert R)] FI

Sortieren von {17, 5, 7, 1} sort([17|[5, 7, 1]]) 7 insert sort([1]) 17 insert sort([5, 7, 1]) sort([1|]) sort([5|7, 1]) 1 insert sort([]) 5 insert sort([7, 1]) 1 insert [] sort([7|1]) [1]

Sortieren von {17, 5, 7, 1} (Fortsetzung) 7 insert [1] = 7 insert [1|] 17 insert [1, 5,7] [1|7 insert []] [1|17 insert [5, 7]] [1|[7]] = [1, 7] [1|[5|17 insert [7]]] 5 insert [1, 7] [1|[5|[7|17 insert []]]] [1|5 insert [7]] [1|[5|[7|[17]]]] = [1|[5|7 insert []]] = [1, 5, 7] [1, 5, 7, 17]

Sprachelemente von Prolog ·   Klausel (Hornklausel): A  B1,...,Bq. q  0, A, B1,...,Bq Atome Bedeutung: x1,...,xk (B1’  ...  Bq’)  A’ x1,...,xk alle Variablen der Klausel A’, B1’,...,Bq’ Aussagen, entstanden aus A, B1,...,Bq Fakt: A. verkürzte Form von A  . ·    Atom: p(t1,..., tn), p n-stelliges Prädikatsymbol, t1,..., tn Terme

Sprachelemente von Prolog (Fortsetzung) ·    Programm: P = <p, f, r, g> p endliche Menge von Prädikatsymbolen f endliche Menge von Funktionssymbolen r endliche Menge von Klauseln unter Verwendung von p und f g Anfrageklausel der Form goal  B1,...,Bq. oder ?- B1,...,Bq.

Beispiel insertsort([], []). %Die leere Liste sortiert ergibt wiederum die % leere Liste. insertsort([A|R], S) :- insertsort(R, SR), insert(A, SR, S). %Ist eine Liste nicht leer, so wird erst die % Restliste sortiert und anschliessend das %Kopfelement in die sortierte Restliste auf % den richtigen Platz eingefuegt.

Beispiel (Fortsetzung) insert(X, [A|R], [A|S]) :- gt(X, A), !, insert(X, R, S). %Ist das einzufuegende Element X groesser als % das Kopfelement der Liste, so muss es in die % Restliste R eingefuegt werden. insert(X, S, [X|S]). %Ist das einzufuegende Element X kleiner oder %gleich dem Kopfelement, so wird es als neues %Kopfelement verwendet und die alte Liste S % bildet die neue Restliste.

Beispiel (Fortsetzung) Anfrage. - insertsort([17, 5, 7, 1], S) Beispiel (Fortsetzung) Anfrage ?- insertsort([17, 5, 7, 1], S). Systemantwort yes S = [1, 5, 7, 17]

Logische Programmierung mit Einschränkungen (Constraint logic programming) - Beispiel %Zusammenstellung einer kalorienarmen Mahlzeit lightmeal(Vorspeise, Hauptmahlzeit, Nachspeise):- I > 0, J > 0, K > 0, I + J + K <= 10, %Die gesamte Mahlzeit darf nicht mehr als 10 %Kalorien enthalten. vor(Vorspeise, I), haupt(Hauptmahlzeit, J), nach(Nachspeise, K). %Erster Parameter ist Speise, zweiter ist Kalorien

Beispiel (Fortsetzung) %Vorspeisen vor(rettich, 1). vor(nudeln, 6). %Hauptmahlzeit haupt(H, I) :- fleisch(H, I). haupt(H, I) :- fisch(H, I). fleisch(bulette, 6). fleisch(schwein, 7). fisch(seezunge, 2). fisch(thun, 4). %Nachspeise nach(obst, 2). nach(eis, 6).

Beispiel (Fortsetzung) Anfrage. - lightmeal(V, H, N) Beispiel (Fortsetzung) Anfrage ?- lightmeal(V, H, N). Antwort des Systems V = rettich, H = bulette, N = obst.

Funktionales Programmieren Funktionen in der Mathematik Definition (Funktion, Abbildung): D und W seien Mengen und f eine binäre, linkseindeutige Relation f  D x W. Dann heißt f Funktion mit dem Definitionsbereich D und dem Wertebereich W. f bildet den Argumentwert x  D auf den Resultatswert y  W genau dann ab, wenn (x, y)  f (Notation: f(x) = y. f(x) bezeichnet demzufolge die Anwendung von f auf x.).

D  W ist der Typ (Funktionalität, Profil) von f D  W ist der Typ (Funktionalität, Profil) von f. f heißt partiell (total), wenn die Projektion von f auf D eine Teilmenge von D (die Menge D) ist, d.h. 1(f)  D (1(f) = D). Definition (Totalisierung einer partiellen Funktion): Es sei f eine partielle Funktion mit dem Definitionsbereich D und dem Wertebereich W. Außerdem gelte D = D  {} und W = W  {}. Dann ist f eine totale Funktion mit dem Definitionsbereich D sowie dem Wertebereich W und  y, f(x) = y, x  D f(x) =  , f(x) ist nicht definiert, x  D  , x = 

Funktionales Programmieren -Terme Definition (-Terme): -Terme sind 1. Variablen, Konstanten , Funktionssymbole 2. Terme der Form v.l (-Abstraktion) mit der Variablen v und dem -Term l; v heißt gebundene Variable in l. 3. Terme der Form (m n) (-Applikation) mit den -Termen m und n. m steht in Funktionsposition und n in Argumentposition.

Beispiele (Infixnotation statt Präfixnotation): · (x. 1 + x) · ((x Beispiele (Infixnotation statt Präfixnotation): · (x. 1 + x) · ((x. 1 + x) 2)  1 + 2  3 · (x. ((y. ((x. x * y) 2)) x) x + y) 2 * y 2 * x 2 * (x + y)

Konversionen ( Reduktion,  Abstraktion): 1. Alpha-Konversion: (x. E)  E[y/x] (Einsetzen von y anstelle von x in E; Umbenennung von Variablen ) 2. Beta-Konversion: ((x. E) F)  E[F/x] Die Reduktion ist analog zum Ersetzen formaler Parameter durch aktuelle Parameter bei Prozeduraufrufen imperativer Sprachen. Zu beachten sind Namenskonflikte, die durch den Ersetzungsprozess entstehen können. 3. Eta-Konversion: (x. (E x))  E

Problem der Reihenfolge der Auswertung bei -Reduktion: Erst Auswertung von F und dann Einsetzen für x – applikative oder strikte Auswertung (eager evaluation) Erst Einsetzen von F für x und anschließend Auswertung – normalisierende Auswertung (normal-order evaluation); Auswertung erfolgt nur, wenn sie benötigt wird – verzögerte Auswertung (lazy evaluation)

Beispiel: (((b1. (b2. IF b1 THEN b2 ELSE FALSE FI)) n  0) t/n  0 Beispiel: (((b1. (b2. IF b1 THEN b2 ELSE FALSE FI)) n  0) t/n  0.5) n sei 0: Strikte Auswertung: Im zweiten Argumentterm tritt eine Division durch 0 auf und somit kann dieser Term nicht ausgewertet werden. Verzögerte Auswertung: IF n  0 THEN t/n  0.5 ELSE FALSE FI  FALSE Diesmal wird der Term nicht benötigt und daher nicht berechnet.

Funktionale Programmierung Datentypen Elementare Datentypen: z.B. int, real, bool, string Zusammengesetzte Datentypen: z.B. Tupel (Untermengen kartesischer Produkte), Verbunde (Tupel mit Selektoren), Listen (Tupel mit Elementen vom gleichen Typ), Funktionstypen

Ausgewählte Programmkonstrukte: - Wertedefinition val Identifikator = Ausdruck Dem Identifikator wird der Ausdruck als Bedeutung zugeordnet. - Funktionsabstraktion fun (Identifikator:Typ)  Ausdruck Dies entspricht dem -Term  Identifikator.Ausdruck, wobei der Identifikator (Variable) zusätzlich einen Typ bekommen hat.

- Funktionsdefinition val Name der Funktion = Funktionsabstraktion    -  Funktionsdefinition val Name der Funktion = Funktionsabstraktion oder fun Name der Funktion (Identifikator:Typ) = Ausdruck, wobei Identifikator, Typ und Ausdruck aus der Funktionsabstraktion stammen.

Beispiele: Typvereinbarung für Binärbäume mit real-Zahlen als Markierungen: datatype tree = nil | tree of (real * tree * tree) (Typgleichung: tree = unit + (real x tree x tree) ) Musterbasierte Funktionsdefinition: Summe der real-Zahlen des Baumes fun sum(nil) = 0.0 | sum(tree(N, L, R)) = N + sum(L) + sum(R)

1. 0 -3. 5 7. 7 -5. 7 5. 7 8. 0 sum(tree(1. 0, tree(-3. 5, tree(-5 1.0 -3.5 7.7 -5.7 5.7 8.0 sum(tree(1.0, tree(-3.5, tree(-5.7, nil, nil), nil), tree(7.7, tree(5.7, nil, nil), tree(8.0, nil, nil)))) = 13.2

Einsortieren einer int-Zahl in einen Binärbaum mit int-Zahlen als Markierungen: datatype tree = nil | node of (tree * int * tree) fun insert(newitem, nil) = node(nil, newitem, nil) | insert(newitem, node(left, olditem, right)) = if newitem = olditem then node(insert(newitem, left), olditem, right) else node(left, olditem, insert(newitem, right))

Typvereinigung von line, triangle und circle zu Figure datatype Figure = line of (point * point) | triangle of (point * point * point) | circle of (point * real) (Typgleichung: Figure = line + triangle + circle mit line = point x point, triangle = point x point x point, circle = point x real)

Parametrisierte Datentypen: z.B.       type  pair =  *  definiert Paare von Elementen eines beliebigen Typs .

Datentypen Listentyp · datatype  list = nil| cons of ( *  list) fun hd(l:  list) = case l of nil  ... (*Fehler*) |cons(h,t)  h and tl(l:  list) = |cons(h,t)  t and length(l:  list) = case l of nil  0 |cons(h,t)  1 + length(t)

Eine Liste ist eine Folge von Elementen des gleichen Typs Eine Liste ist eine Folge von Elementen des gleichen Typs. Definiert sind Funktionen zur Bestimmung des Listenkopfs (hd), des Listenrests (tl) und ihrer Länge (length). (Typgleichung: -list = unit + ( x -list) ) Notation: cons(h, t) oder h::t bezeichnen eine Liste mit dem Kopf h und dem Rest t.

Listentyp Operationen Beispiele: ·      Summe der Elemente einer Liste ganzer Zahlen fun sum(nil) = 0 |sum(n::ns) = n + sum(ns) ·      Produkt der Elemente einer Liste ganzer Zahlen fun product(nil) = 1 | product(n::ns) = n * product(ns) ·      Liste der ganzen Zahlen von m bis n ([m, n]) fun op through(m,n) = if m  n then nil else m:: (m + 1 through n) op bedeutet, der folgende Operator kann als Infixoperator verwendet werden.

Definition der Berechnung von bn 1. Variante (gewöhnlich): Currying im Beispiel: Definition der Berechnung von bn 1. Variante (gewöhnlich): fun power(n, b) = if n=0 then 1.0 else b*power(n-1, b) Funktionalität: nat x integer  integer 2. Variante (Currying): fun powerc(n) (b) = if n = 0 then 1.0 else b * powerc(n - 1) ( b) Funktionalität: nat  (integer  integer) Wenn val sqr = powerc(2) , dann liefert sqr das Quadrat zu einer integer-Zahl.

Funktion als Argument im Beispiel: 1.   Variante: fun twice(f: ) = fun (x: )  f(f(x)) Funktionalität: ()  () twice hat als Parameter eine Funktion und liefert selbst wieder eine Funktion. Daher könnte die vierte Potenz so definiert werden: val fourth = twice(sqr) 2.   Variante: Definition der Verkettung zweier Funktionen: fun op (f:  , g:  ) = fun (x:)  f(g(x)) Funktionalität: () x ()  () fun twice(f:) = f  f

Listentyp Allgemeine Operationen Filteroperationen: Alle Elemente einer Liste, die eine gegebene Eigenschaft besitzen (ausgedrückt durch ein Prädikat p), sollen in eine neue Liste übernommen werden. filter p [] = []  x:: filter p xs, wenn p x filter p (x::xs) =   filter p xs, sonst Funktionalität: (  bool)  (-list  -list) Beispiel: filter(odd) beseitigt alle geraden Zahlen aus einer Liste ganzer Zahlen

Abbildung: Auf jedes Element einer Liste wird die gleiche Funktion angewendet. map f [] = [] map f (x::xs) = f x:: map f xs Funktionalität: () (-list  -list) Beispiel: map(sqr) liefert auf eine integer-Liste angewendet eine Liste der Quadrate der Listenelemente bzw. map(odd) liefert eine Liste logischer Werte in Abhängigkeit davon, ob ein Listenelement ungerade (true) oder gerade (false) war.

faltr f a [x1,...,xn] = f x1 (f x2 (...(f xn a)...)) ·     Faltung: Diesen Operator gibt es als rechte und linke Faltung. Die Faltung bedeutet, dass alle Elemente einer Liste ausgehend von einem wählbaren Startwert durch eine zweistellige Operation verknüpft werden, z.B. durch Addition. faltr f a [x1,...,xn] = f x1 (f x2 (...(f xn a)...)) f ist eine zweistellige Operation und a ist der Startwert. Die Anwendung von f geschieht von rechts. Funktionalität: ()    []  

Rechte Faltung in der Sprache ML: fun reduce(binaryop, unity) = let fun f(nil) = unity |f(x::xs) = binaryop(x, f(xs)) in f end  Definition der Summe bzw. des Produkts der Elemente einer Liste von integer-Zahlen: reduce(op +, 0) bzw. reduce(op *, 1)

Potenziell unendlich lange Listen und verzögerte Auswertung Beispiel: näherungsweise Berechnung der Quadratwurzel durch yn+1 = (yn + x/yn)/2 Lösungsidee: Berechnung der Elemente der unendlichen Folge gemäß Formel Abbruch der Berechnung der Folge, wenn sich zwei aufeinander folgende Elemente um nicht mehr als  unterscheiden

Berechnung der Listenelemente: fun approxsqrts(x) = let fun from(approx) = approx:: from(0.5 * (approx + x/approx)) in from(1.0) end Überprüfung der Abbruchbedingung für die ersten beiden Elemente einer Liste: fun absolute(eps) (approx1::approx2::approxs) = if abs(approx1 - approx2) = eps then approx2 else absolute(eps) (approx2::approxs)

Kombination der obigen Funktionen zur Lösungsfunktion: val sqrt = absolute(0.0001)approxsqrts Listenelemente werden durch approxsqrts nur solange berechnet, wie sie für den Test absolute(0.0001) benötigt werden.

Andere Vorgehensweise (nicht in ML-Notation): Verbesserung eines Näherungswertes y gemäß Formel (für x ist die Quadratwurzel zu berechnen): verbessern x y = (y + x/y)/2 Überprüfung der Abbruchbedingung für zwei Werte x und y: erfüllt x y = abs(y^2 - x)  eps

Berechnung eines Funktionswertes der Funktion f mit dem Argument x in Abhängigkeit von der Bedingung p:  x, wenn p x bis p f x =   bis p f(f x), sonst Kombination obiger Funktionen: wurzel x y = bis (erfüllt x) (verbessern x) y

Beispiele: Sortierfunktionen in der Sprache OPAL OPAL-QUICKSORT DEF sort() ==  DEF sort(a::R) == LET Small == (_ a)  R Medium == a:: (_= a)  R Large == (_ a)  R IN sort(Small) :: Medium :: sort(Large)  liefert zu einer Liste alle Elemente, die eine bestimmte Bedingung erfüllen, in Form einer Liste.  vertritt die leere Liste.

OPAL-INSERTSORT DEF sort() ==  DEF sort(a :: R) == a insert sort(R) FUN insert:  x seq[]  seq[] DEF x insert  == x ::  DEF x insert (a :: R) == IF x  a THEN x :: (a :: R) ELSE a :: (x insert R) FI