Algorithmierung

1. grundlagen der Wirtschafts- informatik Algorithmierung

2. Einleitung • Wirtschaftsinformatik • Wirtschaftsinformatik beinhaltet die Schnittstelle zwischen Fachabteilung und Programmierung. • Sie Erfordert aus diesem Grund Verständnis für Geschäftsprozesse und Programmabläufe. • Kenntnisse der Algorithmierung sowie der betrieblichen Anforderungen sind notwendig, um eindeutige Arbeitsunterlagen für die Programmierung zur Verfügung stellen zu können.

3. Algorithmierung • Ein Algorithmus ist eine endliche, eindeutige Folge von Arbeitsschritten, die eine Klasse von gleichartigen Problemen lösen soll. • Ein Algorithmus ist eine Verfahrensweise zur Lösung von Problemstellungen. • Algorithmierung ist ein kreativer Prozess, der nicht automatisierbar ist. • Algorithmieren stellt das Programmieren im Großen dar. • Durch Algorithmierung wird mit zulässigen Arbeitsschritten ein allgemeiner Lösungsweg erstellt.

4. Programm und Programmiersprache • Ein Programm ist ein in einer Programmiersprache dargestellter Algorithmus. • Eine Programmiersprache überträgt die einzelnen Schritte eines Algorithmus in die Maschinensprache des Computers. • Programmiersprachen können nach den Anforderungen ausgewählt werden. zB: • Naturwissenschaftlich-technische Anwendungen • Kaufmänische Aufgabenstellungen • Systemnahe Anwendungen • Wissensverabeitende Anwendungen.

5. Programmieren im Kleinen • Im Gegensatz zur Algorithmierung (Programmierung im Großen), wird bei der Programmierung im Kleinen je nach Programmiersprache der Algorithmus schrittweise verfeinert. • Programmierung bei denen das „Wie“ zur Lösung der Problemstellung im Vordergrund steht wird prozedurale Programmierung bezeichnet. • Diese Programmiersprachen werden Sprachen der 3. Generation genannt.

6. Konstruktion eines Algorithmus • Schrittweise Verfeinerung • Zerlegung in beherrschbare Teilaufgaben (Module) • Ab einer bestimmten Modulgröße ermöglicht die Programmiersprache eine Beschreibung der Teilaufgabe. • Module können abgeändert und wiederverwendet werden.

7. Konstruktion eines Algorithmus • Top-Down-Entwicklung • Betrifft die zeitliche Abfolge der Algorithmierung • Vollständige Problembeschreibung mit zunehmenden Detaillierungsgrad • Ab einer bestimmten Modulgröße ermöglicht die Programmiersprache eine Beschreibung der Teilaufgabe. (diese Module stehen an unterster Stelle.

8. Konstruktion eines Algorithmus • Ablaufsteuerung ist das Zusammenspiel der einzelnen Lösungsschritte: • Als Aufeinanderfolge (Sequenz) • Als Wiederholung (Iteration) • Als alternative Ausführung (Alternative) • Diese Prinzipien der Konstruktion werden strukturierte Programmierung genannt. • Ziel ist es einen Programmcode mit der größtmöglichen Übersicht zu erstellen  defensiver Ansatz des Programmierens (Nachvollziehbarkeit durch Dritte) • Zusammenfassung

9. Bewertung von Algorithmen • Eine Prozedur kann durch Auswahl des Algorithmus mit dem günstigsten Zeitverhalten optimiert werden. • Ein Algorithmus kann durch die Zeitkomplexität T(n) bewertet werden. • n stellt die Zahl der zu bearbeitenden Datenelemente dar. • T(n) ~O[f(n)] Für zunehmendes n wächst die Zeit T in der gleichen Größenordnung (O) wie f(n). F(n) stellt eine obere Schranke dar.

10. Bewertung von Algorithmen • Bekannte obere Schranken ausgedrückt als mathematische Funktionen sind: • f(n) = log n • f(n) = n * log n • f(n) = n • f(n) = n² • Die Zeitkomplexität O[f(n)] verhält sich wie: • O(logn)<O(n)<O(n*logn)<O(n²)<

11. Bewertung von Algorithmen • Nach einigen bekannten mathematischen Funktionen kann man die Zeitkomplexität einteilen in: • Logarithmische Komplexität • Polynomische Komplexität • Exponentielle Komplexität. • Verfahren mit logarithmischer Komplexität gelten als ideal, mit polynomischer als durchführbar und solche mit exponentieller als nicht akzeptabel.

12. Darstellungsmittel für Algorithmen • Der Pseudocode: • Umgangssprachliche Formulierung der Lösungsschritte • <Wenn><Bedingung><dann>…<andernfalls>… • Der Programmierablaufplan • Auch Flussdiagramm genannt • Aber: zahlreiche Verzweigungen, schwierige Zerlegbarkeit, schlechte Änderungsfähigkeit. • Durch einfache Darstellung der Strukturelemente eines Algorithmus sollen Beteiligte diese sinnvoll einsetzen können.

13. Das Struktogramm • Schrittweise Verfeinerung und Zusammenfassung inhaltlich zusammenhängender Lösungsschritte. • Verschiedene Strukturblöcke können völlig unabhängig sein, oder völlig abhängig sein, indem sie in anderen enthalten sind. Eine teilweise Überlappung kommt nicht vor. • Ein Strukturblock hat genau einen Ein- bzw. Ausgang. • Jeder Block kann aufgrund seiner Funktion benutzt werden. Kenntnisse über seine Realisierung sind nicht notwendig. • Strukturierte Programmierung durch das Blockkonzept mit Sequenz, Iteration und Alternative

14. Der Strukturblock • Anweisungen werden üblicherweise in einem Strukturblock zusammengefaßt. • Eine Anweisung wird auch Befehl oder Command genannt. • Beispiele für Anweisungen sind: • Variablenzuweisungen • Variablendeklarationen; zB Integer • Goto –Anweisungen • Ausgabeanweisungen: print, Show, WRITELN … • Bedingete Anweisungen: ifthenelse

15. Das Struktogramm • Das Prinzip der strukturierten Programmierung • Unabhängige Strukturblöcke können nur aneinandergereiht durchgeführt werden. (Sequenz) • Ein neuer Strukturblock entsteht durch Wiederholung eines inneren Strukturblocks aufgrund einer Bedingung. • Ein neuer Strukturblock entsteht, da wegen einer Bedingung nur einer von mehreren möglichen Strukturblöcken durchgeführt wird. • Ein so dargestellter Algorithmus besteht stets aus einer Folge von Strukturblöcken, die in sich strukturiert wieder aus einer Folge , einer Wiederholung oder einer Alternative bestehen können.

16. Symbole für Struktogramme Anm.: Schleife wird mindestens einmal durchlaufen.

17. Das Strukturelemente von Algorithmen • Die Sequenz • Pseudocode: Blockanfang BLOCK 1 Eingabe Faktoren Führe aus Rechnen Ausgabe Ergebnis Blockende Block 1

18. Das Strukturelemente von Algorithmen • Die Iteration (Wiederholung, Zyklus, auch Schleife) • In Abhängigkeit einer Bedingung wird ein bestimmter Strukturblock mehrfach ausgeführt, wobei die steuernden Parameter sich ändern müssen. • Der Vorteil der Iteration liegt in der Möglichkeit die gleiche Operation vielfach auszuführen. • Es gibt 4 Grundformen der Iteration: • (1) Wiederholung mit vorausgehender Bedingungsprüfung • (2) Wiederholung in Abhängigkeit einer Zählvariablen • (3) Wiederholung mit nachfolgender Bedingungsprüfung • (4) Wiederholung ohne Bedingungsprüfung

19. Das Strukturelemente von Algorithmen • Vor jedem Durchlauf wird die Bedingung überprüft. • Steuervariable muss einen zulässigen Wert haben. • Steuervariable wird in der Schleife verändert • Iteration bis Ausführungsbedingung erfüllt ist. • Beendigung erfolgt wenn Bedingung das erste Mal erfüllt ist. • (1) Die Iteration mit vorausgehender Bedingungsprüfung – kopfgesteuerte Iteration Die kopfgesteuerte Iteration wird angewandt wenn gewisse Schritte erst gar nicht durchlaufen werden sollen. Zum Beispiel Test einer Datei auf den Inhalt von Datensätzen um die Bearbeitung einer leeren zu vermeiden.

20. Das Strukturelemente von Algorithmen • Pseudocode: Blockanfang BLOCK 1 Führe aus BLOCK_VOR_SCHLEIFE Wiederhole solange Ausführungsbedingung erfüllt BLOCK_IN_SCHLEIFE Führe aus BLOCK_NACH_SCHLEIFE Blockende BLOCK 1

21. Das Strukturelemente von Algorithmen • Ist ein Spezialfall der geschlossenen (kopfgesteuerten) Iteration. • Abbruch bei Erreichen eines Endwertes. Zahl der Durchläufe ist damit vorher bekannt. • (2) Die Iteration in Abhängigkeit einer Zählvariablen FOR <Index> = Anfangswert TO Endwert STEP Schrittweite DO <Strukturblock>.

22. Das Strukturelemente von Algorithmen • (3) Die Iteration mit nachfolgender Bedingungsprüfung – fußgesteuerte Iteration • Strukturblock wird vor der Bedingung ausgeführt. • Strukturblock wird mindestens einmal ausgeführt. • Wiederholung bis Endbedingung erfüllt ist. Enthält zum Beispiel ein Strukturblock eine Variableneingabe, kann diese im Anschluss auf Zulässigkeit geprüft werden. Ist die Variable unzulässig wird die Schleife wiederholt. Beispiel: Wird die Eingabe einer österreichischen Postleitzahl gefordert, so läuft die Schleife bis eine vorhandene die Bedingung erfüllt.

23. Das Strukturelemente von Algorithmen • Pseudocode: Blockanfang BLOCK 1 Führe aus BLOCK_VOR_SCHLEIFE • Wiederhole BLOCK_IN_SCHLEIFE bis Endbedingung erfüllt Führe aus BLOCK_NACH_SCHLEIFE Blockende BLOCK 1

24. Das Strukturelemente von Algorithmen • (4) Die Iteration ohne Bedingungsprüfung • Die „Bedingung“ ist stets wahr, dadurch wird eine Endlosschleife erzeugt. • Anwendungen finden sich in der Systemsteuerung • Durch spezielle Befehle kann innerhalb des Strukturblocks die Schleife verlassen werden (Exit). x=0 Wiederhole solange „wahr“ Blockbeginn x=x+1 Wenn x gerade dann drucke x Wenn x ungerade dann Rückkehr zum Schleifenanfang Wenn x>15 dann verlasse Schleife Blockende Endlosschleife

25. Das Strukturelemente von Algorithmen • Bedingte Durchführung von Alternativen Strukturblöcken in Abhängigkeit von Bedingungen. • If – then – else • Bei sich ausschließenden Alternativen kann „else“ weggelassen werden. • Die Alternative (Selektion) Falls Prozentsatz >= 96 dann Note=1 Sonst falls Prozentsatz >= 80 dann Note=2 Sonst falls Prozentsatz >= 66 dann Note=3 Sonst falls Prozentsatz >= 50 dann Note=4 Sonst Note = 5

26. Das Strukturelemente von Algorithmen • Bedingte Durchführung von Alternativen Strukturblöcken in Abhängigkeit von Bedingungen. • Die Alternative (Selektion) Pseudocode: Führe aus Block vor Alternative Wenn Artikel vorhanden Lieferung auslösen Sonst Ersatzangebot machen Führe aus Block nach Alternative

27. Das Strukturelemente von Algorithmen • Die Mehrfachalternative • Bei einer Fallunterscheidung wird genau der Strukturblock ausgeführt, bei dem die Bedingung zutrifft. Case: 100>=Prozentsatz>=96: Note=1 (Strukturblock 1) 96>=Prozentsatz>=80: Note=2 (Strukturblock 2) 80>=Prozentsatz>=66: Note=3 (Strukturblock 3)66>=Prozentsatz>=50: Note=4 (Strukturblock 4) Prozentsatz<50: Note=5 (Strukturblock 5) Endcase(Blockende)

28. Das Strukturelemente von Algorithmen • Die Mehrfachalternative • Pseudocode: Führe aus BLOCK_VOR_ALTERNATIVE Fall: D<=7: Skonto gewähren Fall: D<=28: Bruttobetrag Sonst: Verzugszinsen Führe aus BLOCK_NACH_Alternative

29. Das Strukturelemente von Algorithmen • Rekursive Algorithmen • Ein Algorithmus ist rekursiv, wenn er sich selbst aufrufen kann. • Damit sich so ein Algorithmus nicht selbst unendlich oft aufruft muß er • Das Niveau seiner Ausführung ändern können, also sich in ständig kleinerem Maßstab aufrufen können. • Er muß einfache Lösungsoperationen zulassen und damit enden.

30. Das Strukturelemente von Algorithmen • Zusammenfassende Fragen • Welche Darstellungsmittel für Algorithmen kennen Sie? • Nennen Sie bekannte Symbole eines Struktogramms! • Auf welchen drei Kontrollstrukturen baut die strukturierte Programmierung auf? • Welche 4 Grundformen der Iteration gibt es? • Worin liegt der Unterschied zwischen einer Sequenz und einer Mehrfachalternative?

31. Beispiel Struktogramm • Der Elektriker Sommer führt Wartungsarbeiten an E-Anlagen vor Ort durch. • Den Kunden werden die Arbeiten nach folgendem Modus verrechnet: • Arbeitszeit € 40.-/h • Materialkosten: nach Aufwand • Anfahrt: € 1,2.- pro Kilometer, erst ab 20 km • Die Eingabe zur Erstellung der Rechnung soll über die Positionen Arbeitszeit, Material, Anfahrt ab 20km erfolgen. Anschließend soll die Summe gebildet werden. • Es sollen mehrere Rechnungen durch eine Nutzerbfrage nacheinander erstellt werden können. • Erstellen Sie ein Struktogramm zur Erstellung der Rechnungen.

32. Lösung – Struktogramm: • Nachfolgende Bedingungsprüfung • Do-until-Schleife • Abfrage erfolgt • im Nachhinein • Schleife wird mindestens einmal durchlaufen.

33. Beispiel zu den Bedingungen (Struktogramm) • Ein Personalwirtschaftssystem soll folgenden Programmablauf ermöglichen: • Nach Eingabe des Bruttobezuges und des Namens sollen der AN-Anteil und der AG-Anteil der Sozialversicherung berechnet werden. • Der SV-Satz vom Bruttobezug beträgt: • Bis 374.- An=0, AG= 2,93% • Bis 4200.- AN=~18,07%, AG=~23,23% • Ab 4200.- Protzentsatz von der Höchstbeitragsgrundlage. • Erneute Eingabe zur Berechnung mehrerer ANs soll möglich sein. • Am Ende sollen die Gesamtsummen der AN-Beiträge und AG-Beiträge ausgegeben werden. • Erstellen Sie bitte ein Struktogramm!

34. Lösung – Struktogramm: • Vorausgehende Bedingungsprüfung • Do-while-Schleife • Abfrage erfolgt eingangs • Schleife kann auch keinmal durchlaufen werden.

35. Grundlagen der Wirtschaftsinformatik Vom Algorithmus zum Programm

36. Elemente von Programmiersprachen • Grundlegende Operationen bei der Datenverarbeitung • Daten müssen in Abhängigkeit von Bedingungen eingelesen, verarbeitet, gespeichert und wieder ausgegeben werden können. • Jede Programmiersprache muß daher folgende Kategorien zur Verfügung stellen. • Variablen: Darstellung von Veränderlichen • Datentypen: Beschreibung der Eigenschaften von Objekten • Operatoren: für die Eingabe, Veränderung, Speicherung, Ausgabe. • Kontrollstrukturen: Um die Abfolge von Schritten und Blöcken darstellen zu können.

37. Herstellung eines lauffähigen Programms • AlgorithmusProgrammierspracheMaschinencode • Editor: • Dient zur Texterfassung von Programmen, dabei entsteht der Quellcode (Sourcecode). • Compiler: • Übersetzt ein Programm (einer höheren Programmiersprache) als Ganzes in den Maschinencode. Die Objektdatei ist noch nicht lauffähig. • Linker: • Bindet die Systembibliothek ein und macht aus dem compilierten Objektcode ein lauffähiges Programm. • Interpreter: • Übersetzt eine höhere Programmiersprache Schritt für Schritt in einen ausführbaren Maschinencode. Dabei entsteht kein ausführbares Programm als Ganzes.

38. Testen von Programmen auf Fehler • Erproben eines Algorithmus mittels Testdaten • Syntaktische Fehler • Falsche Sprachregeln - werden vom Compiler angezeigt • Semantische Fehler • Funktion weicht von der Vorgabe ab. • Trockentest: • Code-Inspection am Schreibtisch in früher Phase • zBVariablendeklarationen, Schleifenterminierungen, fehlende Initialisierungen, Datentypenkonflikte. • Dynamischer Test: (setzt lauffähiges Programm voraus) • (1) Ablaufbezogen • (2) Datenbezogen • (3) Funktionsbezogenes Testen

39. Testen von Programmen auf Fehler • (1) Ablaufbezogener Test, (2) datenbezogene Tests • Ablaufbezogene Tests, sogenannte White-Box-Tests beeinhalten: • Die Ausführung aller Anweisungen • Die Ausführung aller Ablaufzweige • Erfüllung aller Bedingungen und Wiederholung aller Schleifen • Kombination aller Programmverzweigungen und Programmschleifen, sog. Pfadtests. • Datenbezogene Tests: • Fachabteilung und Spezialisten stellen sinnvolle Datenkombinationen zum Testen zur Verfügung. • zB. ein Wert der Mitte, Grenzwerte und unzulässige Werte.

40. Übersicht über Programmiersprachen: • Einteilung nach Generationen oder nach Programmierparadigmen. Es können auch Compiler- Bzw. Interpreterbasierte Programmiersprachen unterschieden werden.

41. Übersicht über Programmiersprachen: • Mögliche Unterscheidungen sind compilerbasierte oder interpreterbasierte Sprachen. • Scriptsprachen wie Perl, Python, PHP sind für die zunehmende Internetprogrammierung von Bedeutung. (Kommandos werden in Scriptform im Klartext miteinander verbunden.) • HTML stellt keine eigene Programmiersprache im engeren Sinn dar, da sie weder über Variablen noch Kontrollstrukturen verfügt. Ähnliches gilt für XML.

42. Übersicht über Programmiersprachen: • Aktuelle Entwicklungen • Plattformunabhängigkeit des Quellcodes. Die Plattformanpassung erfolgt mittels Interpreterlauf. • .Net Initiative von Microsoft • Im komponentenbasierten Ansatz wird ein neutraler Zwischencode erzeugt, der bei Aufruf in einen betriebsystemspezifischen Code umgewandelt und ausgeführt wird. Dieser neutrale Zwischencode oder auch IntermediateLanguage genannt, soll aus den unterschiedlichen .NET Programmiersprachen C#, C++ und Visual Basic entstehen.

43. Grundprinzipien moderner Programmierung • Objektorientierung • Grafische Bedienoberflächen (GUI, Graphical User Interfaces). • Ereignissteuerung (Event Handling). • Arbeit in Projekten.

44. Grundprinzipien moderner Programmierung • Objektorientierung • Die Objektmodellierung beginnt bereits in den frühen Phasen. • Jede Variable in einem Programm sowohl Bezeichnung als auch Datentyp enthalten. • Eigenschaften werden in Form von Attributen zu einer Verbundvariablen zusammengefasst. • Hier das Objekt Geschäftspartner:

45. Grundprinzipien moderner Programmierung • Objekte können auch in einer Klasse zusammengefasst werden • Das Schlüsselwort classermöglicht auch: • Kapselung • Information Hiding • Vererbung private: Zugriffbeschränkung public: externe Schnittstelle, kann von anderen Komponenten aufgerufen werden.

46. Grundprinzipien moderner Programmierung • Zusätzliche Mechanismen des Datentyps Klasse • Datenkapselung • Attribute können nur über Zugriffsmethoden dieser Klasse gelesen oder verändert werden - sie sind dadurch geschützter. • Information Hiding • Kenntnis über die Funktionalität der Schnittstelle Public-Methoden reicht aus um zugreifen zu können. Interne Realisierung muß dabei nicht bekannt sein. • Vererbung • Bereits vorhandene Klasse kann durch hinzufügen von weiteren Attributen und Methoden zu einer neuen Klasse entwickelt werden. Die bereits vorhandenen Eigenschaften der Basisklasse bleiben dabei erhalten.

47. Grundprinzipien moderner Programmierung • Graphische Nutzerschnittstellen • Zur Bedienung der Software gibt es grafische Benutzerschnittstellen (GUI) • Toolboxen ermöglichen das einfügen von Steuerelementen (links im Bild) • Im Eigenschaftenfenster können Einstellungen vorgenommen werden (rechts unten) • Über einen Splittscreen können Formular und Quellcode betrachtet werden. • Die Error-List gibt das Ergebnis des Debuggings aus (unten)

48. Grafische Nutzerschnittstelle VisualBasic.Net

49. Grundprinzipien moderner Programmierung • Event Handling • Das System reagiert nur auf festgelegte Ereignisse. • zBkeyPressed, mouseClicked • Die Ereignisbehandlungsprozeduren werden dazu in der Programmlogik verankert.

50. Zusammenfassende Fragen • Stellen Sie die Schrittfolge zum Erstellen eines lauffähigen Programms dar. • Nach welchen Kriterien können Programmiersprachen eingeteilt werden. • Stellen Sie je eine Klassedefinition für Elektroartikel und Lebensmittel auf und leiten Sie gleiche sowie spezifische Attribute und Methoden durch Generalisierung (Ausklammern der gleichen Attribute) ab.