Introduktion til programmering

Præsentationer af emnet: "Introduktion til programmering"— Præsentationens transcript:

1 Introduktion til programmering
Uge 43 Computer Science, kap (minus kap 8.6).

2 Sidste gang Funktioner som metode til at skrive anvendelsesorienterede programmer Metoderne i et modul kan tolkes som teknisk implementering når vi læser modulet Men de kan tolkes som beskrivelser af anvendelsesområdet når vi blot bruger modulet Indkapsling af implementeringsdetaljer. Netværk og netværksopbygning Protokoller, smtp, http, ftp, pop3 osv. Netværksprogrammering i Python, smtp, http Operativsystemer (nåede vi ikke), styring af filsystem, multiple processer osv.

3 Opgaver mm Når I afleverer opgaver skal jeg have jeres tilrettede databasemodul. I skal aflevere så meget at jeg kan køre jeres program. Jeg ved godt at der er problemer med serveren, men det skulle gerne virke nu (håber vi, det gjorde det i går)

4 Plan Øvelse 2 Algoritmer Øvelse 1
Definition Opbygning Pseudokode (teoretisk) Analyse Kompleksitet Eksempler Binær søgning Øvelse 1 Rekursion (algoritmisk løsningsmodel) Generering af tekster Datastrukturer Userdefined ADT (abstract data type) Enkeltkædede lister, dobbeltkædede lister Stakke, køer Træer Øvelse 2

5 Algoritmer 1 Der er forskellige definitioner
Stort set konsensus om at: En algoritme genererer en ordnet, entydig og endelig sekvens af operationer der med garanti slutter Ordnet Skridt efter hinanden, evt repetitioner Entydig Ingen valgfrihed (deterministisk) Ingen flertydighed Endelig Den vil slutte ... men måske først om 1000 år ... Kogebøger, strikkeopskrifter, how-to etc. Muslingeprogrammet er en algoritme

6 Algoritmer 2 En algoritme i datalogien er en generel metode til at løse et bestemt problemtype Eks. søge i en liste, sortere en liste. “Et program = en algoritme” er noget sludder Programmer repræsenterer mange algoritmer der virker sammen. Der findes mange algoritmer til at løse det samme problem Lineær og binær søgning er to forskellige algoritmer De løser problemet at finde et element i en liste Forskellige karakteristika Tid, plads Forskellige datatyper træer, lister

7 Algoritmer, opbygning Algoritmer er sproguafhængige
Kan beskrives i mange forskellige sprog rettet mod mange forskellige fortolkere Kan beskrives på en stiliseret sprogform, pseudokode Pseudokode er en notationsform skrevet for en menneskelig fortolker men orienteret mod omskrivning i et programmeringssprog der kan læses af maskiner Pseudokode kan Implementeres på mange måder så den kan køre på en maskine Pseudokode beskriver generel struktur, ikke detailjer

8 Muslingeeksemplet Så længe der er muslinger i spanden: Tag en musling op af spanden Hvis muslingen er lukket så: Smid den i gryden Ellers: Smid den i affaldsposen Struktureret dansk Viser struktur men ingen detaljer Vælger danske konstruktioner der har en analog til programmeringssprog Når vi forklarer hvordan et loop fungerer er det også seudokode

9 Muslingeeksemplet 2 CS’s notation Fordel (A, B, C)
Ligner et programmeringssprog lidt mere () markerer afsnit der skal beskrives mere nøjagtigt Angiver hvilket input og output algoritmen skal have Fordel (A, B, C) Input: en liste A af ting og to tomme lister B og C Output: A er tom. Tingene er fordelt på B og C while (der er ting i A) do: (Tag en ting op af A) Hvis (tingen er lukket) så: (Læg den i B) Ellers: (Læg den i C)

10 I Python def fordel(A,B,C): while A <> []: enTing = A[0]
if enTing == 0: B.append(enTing) else: C.append(enTing) >>> A = [1,0,1,0,1,1,0] >>> B = [] >>> C = [] >>> fordel(A,B,C) >>> A [] >>> B [0, 0, 0] >>> C [1, 1, 1, 1]

11 I Java I java ser det noget anderledes ud men det er den samme algoritme vi har implementeret. Javaprogram

12 Et endnu mere formelt eks
Finder det største element i en liste Algorithm listMax (A, n): Input: en liste A med n ≥1 tal Output: det største element i A currentMax ←A[0] for i ←1 to n-1 do if currentMax < A[i] then currentMax ←A[i] return currentMax

13 I Python def listMax(A): currentMax = A[0] for i in range(1, len(A)):
if currentMax < A[i]: currentMax = A[i] return currentMax >>> listMax([1,3,2,4,9,4]) 9 >>>

14 Guideline Udvikl algoritmen i struktureret dansk eller en lidt mere formel pseudokode Check at logikken er OK Oversæt til programmeringssprog og test algoritmen på eksempler Ret fejl i logik i implementering Publicer!

15 Algoritmer, analyse Væsentligt område af datalogien
Analyse af korrekthed og udførselstid Kræver følgende: Sprog til at beskrive algoritmer Pseudokode eller struktureret dansk En model for beregninger “Primitive operationer” (f.eks. en sammenligning) En metrik Store Θ Hvorfor? For at være maskinuafhængig

16 Primitive operationer
Tildelingsoperation currentMax = A[0] Metodekald / funktionskald listMax([1,3,2,4,9,4]) Aritmetisk operation A = A+1 Sammenligning currentMax < A[i]: Indeksering A[i] Returnere fra en metode return currentMax

17 Eksempel ListMax initialisering : i= 1
1 operation initialisering: currentMax = A[0] 2 operationer Sammenligning i<=n n operationer Løkken udføres n-1 gange: currentMax < A[i] Muligvis: currentMax = A[i] i = i+1 Løkken indeholder 4 eller 6 operationer Returnering af værdi: return currentMax def listMax(A,n): i = 1 currentMax = A[i] while i <= n: if currentMax < A[i]: i = i+1 return currentMax X = [1,4,3,5,7,9,10] print listMax(X,len(X)-1)

18 Kompleksitet For input n Konstanter smides væk
Best case: Hvis der aldrig sker noget med currentMax 2+1+n+4(n-1) +1 = 5n Worst case: Hvis der altid sker noget med CurrentMax 2+1+n+6(n-1)+1 = 7n-2 Konstanter smides væk O(n) Lineær udførelsestid, tiden vokser med inputtet

19 Store O Store O betyder: O(n): den anden funktion er lineær
En funktion er “mindre end eller lig med” en anden funktion der udvikler sig på en bestemt måde O(n): den anden funktion er lineær Logaritmisk: O(log n) - binær søgning Lineær: O(n) - sekventiel søgning Kvadratisk: O(n2)

20 Vi ser kun på den generelle kurve
Lineær: n Kvadratisk: n2 Logaritmisk: log2 n

21 Eksempel: Søgning Problem: Givet en mængde data, søg efter et element der opfylder et kriterie Eks: find største element i en liste Algoritmevalg afhænger af egenskaber ved mængden af data Usorteret: sekventiel søgning Sorteret: Binær søgning

22 Sekventiel søgning Gennemløber hele mængden (listen) en efter en
Skal se på alle elementer i det værste tilfælde Lineær Eks: givet en liste, findes elementet med værdien ‘88’ i listen? O(n)

23 Binær søgning Forudsætter at listen er sorteret!!!
Forudsætter man kan indeksere alle indgange direkte (ikke linked lists) Halvering af søgeområdet i hvert skridt O(log n) antal søgninger hvis der er 1024 elementer er max log2(1024) = 10 fordi 210 = 1024 1024, 512, 256, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2

24 Binær søgning, Pseudokode
procedure binSearch(x, nums): Input: sorteret liste nums plus et tal x som vi vil søge på Output: tallets position i listen hvis det findes, ellers -1 low = 0 high = (nummeret på listens sidste element) while (der stadig er noget at søge i) do: mid  (midten af listen afgrænset ved low og high) item  (elementet der ligger i midlten) if x= item then: return mid else if x < item: high  mid – 1 (første halvdel af listen) else: low  mid + 1 (sidste halvdel af listen) return -1

25 Binær Søgning, Python def binSearch(x, nums): low = 0
high = len(nums)-1 while low <= high: mid = (low + high)/2 item = nums[mid] if x == item: return mid elif x < item: high = mid - 1 else: low = mid + 1 return -1 aList = [1,2,5,7,10, 12, 67, 100] print binSearch(12,aList) print binSearch(234,aList) --- >>> 5 -1

26 Binær søgning Søgning efter 12 Søgning efter 234
def binSearch(x, nums): low = 0 high = len(nums)-1 while low <= high: mid = (low + high)/2 item = nums[mid] #dump variables print nums, low, mid, item, high if x == item: return mid elif x < item: high = mid - 1 else: low = mid + 1 return -1 nums, low, mid, item, high Søgning efter 12 [1, 2, 5, 7, 10, 12, 67, 100] [1, 2, 5, 7, 10, 12, 67, 100] 5 Søgning efter 234 [1, 2, 5, 7, 10, 12, 67, 100] [1, 2, 5, 7, 10, 12, 67, 100] -1 position position værdi position

27 Forskellen mellem lineær og binær søgning
Viser sig først ved store datamængder En liste på ord Lineær søgning: I snit sammenligninger Worst case: ! Binær søgning Worst case: 24 sammenligninger!

28 Algoritmer tommelfingerregler
Heldigvis er mange af de algoritmer vi skal bruge såsom sortering osv. implementeret i Python så vi ikke selv behøves at gøre det. Eller også er der rig mulighed for at finde eksempler på nettet, så vi ikke skal begynde helt fra bunden Når vi skal lave vores egne algoritmer skal vi ikke i første omgang tænke på hastighed, men bare at få det til at virke. Vi kan altid erstatte en algoritme med en anden, hvis vi finder ud af at den er for langsom eller at der findes andre til at erstatte den med Det er typisk kun i arbejdet med store data-sæt vi skal være opmærksomme

29 Øvelse 1 Implementer database i MySQL

30 Rekursion Det at løse en delopgave efter samme metode som hovedopgaven
Del og hersk Rejse fra Århus til København Rejse fra Århus til Æbeltoft Rejse fra Æbeltoft til Odden Rejse fra Odden til København Fortælle en historie Fortælle om miljø og personer Fortælle om hovedpersonernes strid Fortælle om udfaldet Meget elegant måde at løse et problem på

31 Syntaktisk specifikation af programmeringssprog
Uddrag fra Pythons specifikation compound_stmt ::= if_stmt | while_stmt | … if_stmt ::= "if" expression ":" suite ( "elif" expression ":" suite )* ["else" ":" suite] suite ::= … |NEWLINE INDENT statement+ DEDENT statement ::= … |compound_stmt Notation ::= betyder ’består af’. | betyder ’eller’ [] betyder frivilligt ()* betyder ’nul eller flere gange’ ()+ betyder ’en eller flere gange’

32 Effektiv rekursion Fremgangsmåde Basis tilfældet:
Involverer ikke rekursion men kun primitive operationer der umiddelbart kan udføres Det rekursive tilfælde: Involverer rekursion men for et simplere problem

33 Rekursiv binær søgning
def binSearchStart(x, nums): print 'binary recursive search after ' + str(x) + ' in ' + str(nums) return binSearchRec(x, nums, 0,len(nums)-1) def binSearchRec(x, nums,low,high): if low <= high: mid = (low + high)/2 item = nums[mid] if x == item: #base case return mid elif x < item: #recursive case return binSearchRec(x, nums, low, mid - 1 ) else: #recursive case return binSearchRec(x, nums, mid+1, high) else: #base case return -1 Basistilfældet: primitiv operation: return True Rekursion 1: en mindre liste Rekursion 2: en mindre liste

34 Endnu et rekursivt eksempel
Er det givne ord et palindrom? def palindrome(string): if(len(string) <= 1): #er længden nul eller én så sandt return True elif string[0] == string[len(string)-1]: #ellers, er den første og sidste karakter ens? return palindrome(string[1:-1]) #hvis ja skær dem fra og kald funktionen igen else: return False if __name__ == "__main__": print palindrome("aibohphobia") >>>True Saippuakivikauppias, Finnish for "soap-stone vendor"

35 Rekursiv generering af sætninger
S ::= N VP NP ::= N | N som VP | at S VP ::= VT NP | VI N ::= Anders | Bent | Christina VT ::= så | hørte | forstod VI ::= løb | sov | lo Kommer som opgave i uge 45 Syntaks: rekursivt tilfælde S Ordbog: basistilfælde VP NP

36 Eksempler Anders lo Anders så Bent som forstod at Anders lo
Christina løb Bent hørte Bent Anders så Bent som hørte Bent Anders sov Christina lo Christina forstod Christina som lo Bent så Bent Christina sov Christina opdagede Bent som så Anders Bent sov Anders så at Anders forstod at Christina sov Anders lo Anders så Bent som forstod at Anders lo Anders forstod Bent Bent opdagede Anders Bent forstod Anders Anders hørte at Bent løb Anders løb Bent hørte Christina som løb Bent forstod Anders som løb Anders opdagede Anders som sov Anders hørte Christina som forstod Bent Anders forstod Christina som løb Bent forstod Christina som sov

37 Mulig implementering kategori ::= mulighed1 | mulighed2 | … mulighedn
def kategori(): choice = random.randint(1,n) if choice == 1: return mulighed1 elif choice == 2: return mulighed2 … else: return mulighedn

38 Eksempel import random
Random tilbyder en række funktioner der har med tilfældighed at gøre Regel: NP ::= N | N som VP | at S Implementering: def NP(): choice = random.randint(1,3) if choice == 1: return N() elif choice == 2: return N()+ ' som' + VP() else: return ' at' + S() Eksempler Anders løb Christina så at Christina løb Anders opdagede Bent som sov Bent så Anders Basistilfælde Rekursivt tilfælde Rekursivt tilfælde

39 Datatyper

40 Datatyper Datatyper er Eks. Integers (heltal) Typesystemet kan udvides
Mulige værdier, samt relaterede operationer Eks. Integers (heltal) Værdier: alle hele tal fra -∞ til ∞ Reelt: begrænset af maskinen Operationer: +, -, *, / etc. Typesystemet kan udvides Brugerdefinerede typer: sammensatte værdier (og operatoroverloading) Konto: ejer, indestående, renteprocent ADT, Abstrakte Data Typer: brugerdefinerede typer + operationer Konto: ejer, indestående, renteprocent (og) hæve, indsætte, rentetilskrivning Klasser og objekter: ADT + nedarvning I python ligner typer klasser Moduler indeholder ofte klasser man kan bruge

41 Definition af klasser class Konto:
def __init__(self,navn, indestaaende, rentesats): self.navn = navn self.indestaaende = indestaaende self.rentesats = rentesats def indsaet(self,beloeb): self.indestaaende += beloeb def haev(self,beloeb): self.indestaaende -= beloeb def tilSkrivRenter(self): self.indestaaende += self.indestaaende * self.rentesats/100 def udSkrivSaldo(self): print 'Saldo for ' + self.navn print self.indestaaende

42 Brug af klasser minKonto UML minKonto.indestaaende minKonto.indsaet()
>>> minKonto = Konto('Peter Vahlstrup',1000,5) >>> minKonto.udSkrivSaldo() Saldo for Peter Vahlstrup 1000 >>> minKonto.indsaet(200) 1200 >>> minKonto.haev(100) 1100 >>> minKonto.tilSkrivRenter() 1155 >>> minKonto UML Navn Attributter minKonto.indestaaende Metoder minKonto.indsaet()

43 Lister Værdi: Operationer:
nul eller flere elementer Operationer: append(...) count(...) extend(...) index(...) insert(...) pop(...) remove(...) Reverse (...) sort(...) Man skriver navnet på objektet, ’.’, plus operationen x.append(7) Repræsentamen X x.operation() Objekt listeelementer operationer

44 Typer og instanser Eksperiment
<type 'int'> >>> type(int) <type 'type‘> >>> type(type) <type 'type'> >>> type(Konto) <type 'classobj'> >>> type(minKonto) <type 'instance'> Typer og deres medlemmer er forskellige objekter. Forskellen mellem en kageform og en kage. 1 er en instans (er medlem) af typen int. Int er ikke selv en instans of int men af typen type. (men Type er selv en instans of typen Type!)

45 Bruger-definerede typer
Eksempler Enkelt-trådede lister Dobbelt-trådede lister Stakke Køer Træer Skal implementeres ved hjælp af eksisterende operationer Disse skjules for brugeren af typen

46 Enkelt-trådede lister
Skal ikke forveksles med python lister [] En liste er en række elemeter der er kædet sammen. Hvert element indeholder en variabel, next, der peger på næste element i listen, og vil desuden ofte indeholde en anden værdi med data Vi har “adgang” til det første element i listen, og derigennem det næste (Egon Olesen fører til James Bond, der fører til Rambo) Men vi kan ikke gå baglæns (Dirty Harry fører ikke til noget)

47 Dobbelt-trådede lister
Data, next og prev Her kan vi gå begge veje

48 Stak LIFO Har følgende metoder:
push(elem) -> nil: påtag dig ny opgave og udsæt den nuværende pop() -> elem (sletter): afslut nuværende og genoptag afbrudt opgave top() -> elem (sletter ikke): hvad var det jeg var i gang med isEmpty() -> boolean: er jeg færdig for i dag? size() -> integer: hvor mange ting venter?

49 Kø En kø er FIFO Har følgende metoder:
enqueue(elem) -> nil: stil dig i kø dequeue() -> elem at front: betal ved kassen size() -> integer: hvor mange kunder venter? isEmpty() -> boolean: er køen tom?

50 Træer En datastruktur bestående af en række knuder (noder) Rod Knude
En node kan have nul eller flere børn og nul eller én forælder En node uden børn kaldes et blad. Rod Direktør Knude Mellemleder Mellemleder Mellemleder Arbejder Arbejder Arbejder Arbejder Arbejder Arbejder Arbejder Blad

51 Tolkning af abstrakte datastrukturer
Repræsentation Objekt Lister Associationer Stakke Web-browser (LIFO) Køer Køer i supermarkedet (FIFO) Trafikpropper Træer Helheder og dele Overordnet og underordnet

52 I Python Igen er de fleste af disse strukturer implementeret i python så før man begynder at lave en stak eller en kø (collections modulet) slår man lige op i dokumentationen

53 Næste gang XHTML og CSS Ved godt det er mange sider
Læs overfladisk, det skal mest bruges som opslagsværk

54 Øvelse 2 Lav de 8 forskellige kald til databasen