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Anliegen des Kurses
Goals and Intention
Zum Algorithmusbegriff
Anregungen
Zitate
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I. Anliegen des Kurses
Dresden Algorithmics Channel, ein Internet-Trainingskurs Algorithmenkonstruktion, wendet sich
- an Informatikstudentinnen und -studenten im Grund- und Hauptstudium,
- darüber hinaus aber auch an informatikinteressierte Studierende
anderer Studienrichtungen
- und an begabte und leistungsstarke Schülerinnen und Schüler mit
fortgeschrittenen und anwendungsbereiten Mathematik- und Informatikkenntnissen
(in der Regel ab Kl. 10).
Neben der Erweiterung vorhandenen Basiswissens besteht sein Hauptanliegen in
dem weiterführenden Training der ingenieurmäßig orientierten
Algorithmenkonstruktion
- als einer grundlegenden Teildisziplin der Informatik im Vorfeld von
Programmierungstechnik und Softwaretechnologie
- zugleich aber auch als ein äquivalentes Übungsfeld für
strategisches, taktisches, vernetztes und flexibles Denken überhaupt
sowie dem Vermitteln von Denkanstößen, Herangehensweisen und Insiderwissen zum kreativen Arbeiten auf diesem Gebiet anhand
anspruchsvoller Beispiele.
Softwaretechnologie — die industrielle, systematisch
organisierte Planung, Herstellung, Einsatzvorbereitung, Pflege und
Wiederverwendung umfangreicher Softwareprodukte ist heute einer der
kommerziell wesentlichsten Zweige der Informatik. Trotzdem sind allenthalben
kritische Stimmen zum heutigen Stand dieser Ingenieurdisziplin zu hören:
"Software chronisch mangelhaft" (vgl. Spektrum der Wissenschaft
1994, H.12, S. 56-63). Neben vielen anderen Ursachen hierfür liegt eine
der Defizitquellen auch auf dem Gebiet der Algorithmenkonstruktion, d.h. der
Herstellung von computergerechten effizienten Algorithmen im Vorfeld der
Programmierung. Hier sind solide Berufserfahrung, ständiges Verfolgen des
internationalen Kenntnis- und Entwicklungsstandes, breite und
anwendungsbereite Mathematikkenntnisse, aber genauso auch Kreativität,
Erfindungskraft und Phantasie gefragt! An dieser Stelle ist das Arbeitsfeld
von DAC angesiedelt.
Der Trainingskurs umfaßt gegenwärtig ca. 60 Workshop-Module
aus den Gebieten Mathematik, Informatik und Elektrotechnik. Alle
Module sind (und das macht das konzeptionelle Charakteristikum dieses
Vorhabens aus) nach oben offen gestaltet und systematisch mit Anregungen
für eine aktive Fortführung der Bearbeitung versehen, die, wenn
möglich, bis an die Grenzen der gegenwärtigen terra cognita reichen;
hier beginnt die ganz eigene Faszination des "Abenteuers
Algorithmus".
Die erarbeiteten Algorithmen sollten i.a. implementiert werden, die
erhaltenen Programme bilden jedoch nicht das "Ergebnis" der
Bearbeitung eines Moduls, sondern sind Grundlage für dessen obligaten
Bestandteil "Experimentelle Arbeit" (detailliertes Studium der
erhaltenen Algorithmen unter Benutzung geeigneter interaktiv gestalteter
graphischer bzw. multimedialer Oberflächen; Verbesserung, Erweiterung,
Modifikation im Dialog, ...).
Dieses Workshop-Konzept schließt natürlich den
Wunsch zum Dialog mit den Nutzern ein: die Mitteilung eigener Lösungen,
Anmerkungen, Kritiken, Fehlermitteilungen etc. sind willkommen und werden im
Korrespondenzteil des entsprechenden Moduls mit Autorenangabe
veröffentlicht.
Teile des Trainingskurses Algorithmenkonstruktion werden in der Vorlesung
im Rahmen des studium generale der TUD für Studentinnen und Studenten
der Mathematik, der Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- und Geisteswissenschaften
behandelt.
Der vorliegende Internetkurs ist zugleich auch Grundgerüst für den
- "Trainingskurs Algorithmenkonstruktion",
der im Rahmen der Schülerinformatik als Vorstudienveranstaltung der
Fakultät Informatik der TUD seit über 10 Jahren durchgeführt wird.
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I. Goals and Intention
Dresden Algorithmics Channel, the internet Workshop on Design of Algorithms, is oriented towards
- undergraduate students in Computer Science and Mathematics,
- students of other disciplines with a strong interest in Computer Science
- as well as talented pupils (commonly 10-12th grade) with advanced skills
and knowledge in the fields of mathematics and computer sciences.
This workshop is based on several courses that the author has taught in the
Computer Science Department at Dresden University of Technology.
Nowadays software technology — the development, installation, maintenance and
reuse of large software products at an industrial scale — is one of the
commercially most important branches of computer sciences.
Nevertheless, the state of the art in this field continously gives subject to
debates and criticism: "Software chronisch mangelhaft" ("Spektrum der
Wissenschaft" 1994, H.12, S. 56-63).
Among many others, one source of deficiencies lies in the field of the design
of algorithms, i.e. the development of efficient computer-suited algorithms in
the preliminary steps to programming.
What is therefore required are a sound professional experience,
awareness of international developments in the field of computer
science, applicable mathematical skills and knowledge, but equally
creativity, inventive ability and imagination.
After an introduction to engineering-oriented design of
algorithms —
- which forms a fundamental part of computer sciences and constitutes a
prerequisite of programming and software technology,
- as well as providing an ideal playground to develop strategical,
tactical, networked and flexible thinking
— ambitious exercise modules follow, providing additional knwoledge, skills,
starting points and approaches for creative and innovative work.
The aim of this workshop is not to give an (n+1)-st tutorial on algorithms and data structures.
Instead, we attempt to provide in an unconventional and light-handed manner additional knowledge, to support the
acquisition of an algorithm-oriented way of thinking as well as to stimulate
and foster inventive ability and imagination.
The workshop consists of 30 modules from areas such as
Mathematics, Computer Science and Electrical Engineering.
All modules are designed for further extension (this is one of the
conceptional characteristics of this project), and systematically provide
suggestions for an active continuation towards the frontiers of the present
terra cognita: this is where the very special fascination of what we call
an "adventure of algorithms" starts.
Although it is expected that the reader implements the given algorithms,
the obtained programs are not the actual "result" of a module. Instead, the
programs are an indispensible part of the "experimental work" (which includes
the thorough study of the algorithms with the support of appropriately
designed interactive graphical or multimedia surfaces, improvements,
extensions, interactive modifications etc.).
The concept of a workshop welcomes every reader to
participate: the submission of solutions, comments, criticism, corrections
etc. are appreciated and will be published in the correspondence part of the
module.
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II. Zum Algorithmusbegriff
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Klassischer (deterministischer)
Algorithmusbegriff (intuitive Definition)
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Allgemeingültige, detaillierte, eindeutige
und formalisiert ("rein mechanisch") ausführbare
Vorschrift
zum schrittweisen Lösen einer lösbaren
Aufgabenklasse (d.h. aller durch konkrete Parameterwerte
charakterisierten Aufgaben eines bestimmten Typs, z.B. Lösen der
quadratischen Gleichung x2 + px + q = 0 (p, q -
Parameter))
unter Zugrundelegung eines bestimmten
Prozessortyps (Mensch, v. Neumann-Rechner, systolisches Feld, ...;
sequentiell, sequentiell-parallel, parallel)
mit endlichem Aufwand (Ressourcen, Zeit),
niedergeschrieben als endlicher Text in einer
vereinbarten Notierungsform (algorithmisches System).
Durch Einbringen nichtdeterministischer, stochastischer,
evolutionärer, genetischer, ... Elemente gelangt man zu Algorithmen, die
zum Lösen bestimmter Aufgabenklassen wesentlich leistungsfähiger
sind als klassische Algorithmen: stochastische (probabilistische),
genetische, ... Algorithmen.
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Algorithmus - ein zentraler Begriff der Mathematik und Informatik
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Algorithmentheorie, Algorithmik
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Der Begriff Algorithmus stellt einen zentralen Begriff der
technisch orientierten Grundlagenwissenschaft Informatik dar (jeder
Programmerstellung geht die Erarbeitung eines Lösungsalgorithmus für
das vorliegende Problem voraus (Algorithmierung), jedes Programm ist ein in
einer Programmiersprache notierter Algorithmus). Andererseits ist er auch ein
zentraler Begriff der Mathematik und ist historisch in ihrem Schoße
entstanden.
Dies bedingt unterschiedliche Sichtweisen und
Akzentuierungen des Algorithmusbegriffs:
die der Algorithmentheorie (als Disziplin der
Mathematik, aber auch der theoretischen Informatik), die sich
mit den mathematisch exakten Definitionen des Algorithmus (und
deren Gleichwertigkeit),
mit dem Problemkreis algorithmische Lösbarkeit und
Nichtlösbarkeit, Entscheidbarkeit, Berechenbarkeit, ...
mit der Konstruktion und Darstellung von Algorithmen,
sowie mit prinzipiellen Komplexitätsmaßen für
Abarbeitungsschrittzahl und Speicherplatzbedarf von Algorithmen
(Komplexitätstheorie)
befaßt
und die der Algorithmik (als
Ingenieurdisziplin im Vorfeld von Programmierungstechnik und
Softwaretechnologie),
die auf der Basis einer
ingenieurmäßig intuitiven Algorithmusdefinition
Erfindung, Entwurf und konstruktive Ausarbeitung
in bezug auf einen gegebenen Prozessortyp (allgemeiner: in bezug auf
vorliegende Hardware- und Softwareumgebung) rechenzeit-, speicherplatz-,
... optimaler Algorithmen zur Lösung bzw. hinreichenden
Näherungslösung gegebener Aufgabenstellungen,
aber auch die Entwicklung
zugehöriger praktikabler Entwurfs-, Notierungs- und
Umformungsmittel für Algorithmen im Vorfeld der
programmiersprachlichen Notierung
sowie die Schaffung von Algorithmensammlungen
bzw. -banken
zum Gegenstand hat.
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Literatur
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Klassischer Algorithmusbegriff, klassische Algorithmenkonstruktion:
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III. Anregungen
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Neuheiten und Verbesserungen aus anderen Gebieten der Technik - Anregungen für den Algorithmenkonstrukteur
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Dieser Abschnitt summiert Kurzmitteilungen über neuartige und
effizienzsteigernde Konstruktionsprinzipien, Verfahren, Anordnungen, ... aus
Elektrotechnik, Maschinenwesen, Technologie, ... die dem
Algorithmenkonstrukteur neue Ideen und Anregungen zur Entwicklung effizienter
und robusterer Algorithmen vermitteln könnten.
von der Stein, N.:Zustromdüse zur Verbesserung des Schiffantriebes ein Erfolg.
Ein vor gut zehn Jahren auf den Markt gebrachtes einfaches
Strömungsleitelement für Schiffe erspart mittlerweile weltweit pro
Jahr eine Treibstoffmenge, die dem Verbrauch des gesamten deutschen
Straßenverkehrs in drei Tagen entspricht.
Spektrum der Wissenschaft (1998)6, S. 25-27
Entwicklung und Technologie: Schnelle Schiffe.
Wie zur Blütezeit der Seefahrt bedienen auch heute im wesentlichen
Schiffe den internationalen Frachverkehr. Weil die Waren zu lang unterwegs
sind, sollen neue Rumpfformen und effiziente Antriebe Containerschiffen Dampf
machen und die Transportleistung erhöhen. Vor allem dem sportlichen
Ehrgeiz gelten die Entwicklungen neuer Materialien und Fertigungsverfahren
für Segel.
Spektrum der Wissenschaft (1998)8, S. 84-100
P. Pletschacher: Die Tricks der Aerodynamiker.
Forscher haben herausgefunden, warum der Hai ein so guter Schwimmer ist: Feine
Rillen in den Schuppen verringern seinen Wasserwiderstand. Diese Erfindung der
Evolution machen sich Flugzeugbauer jetzt zunutze: Künftig wollen sie mit
einer ähnlichen Rillen-Haut auch Jets ausrüsten - und dadurch
Riesenmengen Sprit sparen. Lesen Sie, womit die Aerodynamiker sonst noch
experimentieren.
Peter Moosleitners interessantes Magazin (1999)2, S. 80-85
M. Dickinson: Die Kunst des Insektenfluges
Nur durch eine Kombination bisher unerforschter strömungsdynamischer Effekte gelingt es Fliegen,
in der Luft zu schweben.
Spektrum der Wissenschaft (2001)9, S. 58-65
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IV. Zitate
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Aphorismen, Zitate, ..., die dem Algorithmenkonstrukteur von Nutzen sein können
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Ein fachkundiger Problemlöser muß zwei unvereinbare
Qualitäten besitzen - rastlose Phantasie und geduldige
Beharrlichkeit.
Howard W. Eves
Quelle:
Singh, S.: Fermats letzter Satz. Die
abenteuerliche Geschichte eines mathematischen Rätsels.
München, Wien 1998
-
General rules for programming have been discovered. Most of them have
been used in the Kansas City freight yards for a long time.
Derrick Lehmer
Quelle:
Knuth, D.E.: The Art of Computer Programming. Vol. 1
Reading,.. 1997
-
Nach unserer bisherigen Erfahrung sind wir nämlich zum Vertrauen
berechtigt, daß die Natur die Realisierung des mathematisch denkbar
Einfachsten ist.
Albert Einstein
Quelle:
Einstein, A.: "Zur Methodik der theoretischen Physik", in: Mein
Weltbild.
Verlag Ullstein, Frankfurt 1972, S. 116
-
Der Zweifler
Immer wenn uns Die Antwort auf eine Frage gefunden schien
Löste einer von uns an der Wand die Schnur der alten
Aufgerollten chinesischen Leinwand, so daß sie herabfiel und
Sichtbar wurde der Mann auf der Bank, der
So sehr zweifelte.
Ich, sagte er uns,
Bin der Zweifler. Ich zweifle, ob
Die Arbeit gelungen ist, die eure Tage verschlungen hat.
Ob was ihr gesagt, auch schlechter gesagt, noch für einige Wert
hätte.
Ob ihr es aber gut gesagt und euch nicht etwa
Auf die Wahrheit verlassen habt, dessen, was ihr gesagt habt.
Ob es nicht viel-deutig ist, für jeden möglichen Irrtum
Tragt ihr die Schuld. Es kann auch zu eindeutig sein
Und den Widerspruch aus den Dingen entfernen; ist es zu eindeutig?
Dann ist es unbrauchbar, was ihr sagt. Euer Ding ist dann leblos.
Seid ihr wirklich im Fluß des Geschehens? Einverstanden mit
Allem, was wird? Werdet ihr noch? Wer seid ihr? Zu wem
Sprecht ihr? Wem nützt es, was ihr da sagt?
Und, nebenbei:
Läßt es auch nüchtern? Ist es am Morgen zu lesen?
Ist es auch angeknüpft an Vorhandenes? Sind die Sätze, die
Vor euch gesagt sind, benutzt, wenigstens widerlegt? Ist alles belegbar?
Durch Erfahrung? Durch welche?
Aber vor allem
Immer wieder vor allem andern: Wie handelt man
Wenn man euch glaubt, was ihr sagt? Vor allem: Wie handelt man?
Wir rollten zusammen den zweifelnden
Blauen Mann auf der Leinwand, sahen uns an und
Begannen von vorne.
Bertolt Brecht
Quelle:
Brecht, B.: Der Zweifler. In: Ders.: Werke. Große
kommentierte Berliner und Frankfurter Ausgabe. Hg. V. Werner Hecht, Jan Knopf,
Werner Mittenzwei, Klaus-Detlef Müller. Bd. 14, Gedichte 4,
1928-1939. Berlin, Weimar: Aufbau-Verlag 1993, S. 376-377, 650.
-
Ich habe nie etwas gemacht, das "nützlich" gewesen
wäre. Für das Wohlbefinden der Welt hatte keine meiner Entdeckungen
— ob im Guten oder im Schlechten — je die geringste Bedeutung, und daran wird
sich vermutlich auch nichts ändern. Ich habe mitgeholfen, andere
Mathematiker auszubilden, aber Mathematiker von derselben Art, wie ich einer
bin, und ihre Arbeit war, zumindest soweit ich sie dabei unterstützt
habe, so nutzlos wie meine eigene. Nach allen praktischen Maßstäben
ist der Wert meines mathematischen Lebens gleich Null, und außerhalb der
Mathematik ist es ohnehin trivial. Ich habe nur eine Chance, einem Verdikt
vollkommener Trivialität zu entgehen, und zwar daß man mir
zugesteht, etwas geschaffen zu haben, das sich zu schaffen lohnte. Daß
ich etwas geschaffen habe, ist nicht zu bestreiten, die Frage ist, was es wert
ist.
Was man für mich und jeden Mathematiker wie mich vorbringen kann, ist
das folgende: ich habe etwas zur Erkenntnis beigetragen und anderen geholfen,
ebenfalls etwas beizutragen, und dieses Etwas hat einen Wert, der sich nur in
seinem Umfang, nicht aber in der Art von dem unterscheidet, was die
großen Mathematiker oder andere, bedeutende und unbedeutende
Künstler geschaffen haben, die etwas, das an sie erinnert,
hinterließen.
Godfrey Harold Hardy
Quelle:
Davis, P. J.; Hersh, R.: Erfahrung Mathematik.
Basel, Boston, Stuttgart 1994
-
Eine der Kardinalregeln mathematischer Forschung besteht darin, eine gute Idee
nicht gleich aufzugeben, wenn sie nicht funktioniert.
Quelle:
Stewart, I.: Mathematik: Probleme - Themen - Fragen.
Basel, Boston, Berlin 1990
-
.. Methode des richtigen
Vernunftgebrauchs und der wissenschaftlichen Wahrheitsfindung ..
.. so
glaubte ich, statt einer großen Anzahl von Regeln, aus denen die Logik
besteht, an den folgenden vier genug zu haben, unter der Bedingung, daß
ich den festen und beharrlichen Entschluß faßte, sie stets zu
befolgen.
Die erste war: niemals eine Sache als wahr anzunehmen, die ich nicht
als solche sicher und einleuchtend erkennen (evidemment connaitre; certo et
evidenter cognoscere) würde, das heißt sorgfältig die
Übereilung und das Vorurteil zu vermeiden und in meinen Urteilen nur
soviel zu begreifen, wie sich meinem Geist so klar und deutlich (clairement et
distinctement; clare et distincte) darstellen würde, daß ich gar
keine Möglichkeit hätte, daran zu zweifeln.
Die zweite: jede der Schwierigkeiten, die ich untersuchen
würde, in so viele Teile zu zerlegen (diviser) als möglich und zur
besseren Lösung wünschenswert wäre.
Die dritte: meine Gedanken zu ordnen; zu beginnen mit den
einfachsten und faßlichsten Objekten und aufzusteigen allmählich
und gleichsam stufenweise bis zur Erkenntnis der kompliziertesten, und selbst
solche Dinge irgendwie für geordnet zu halten, von denen
natürlicherweise nicht die einen den anderen vorausgehen.
Und die
letzte: überall so vollständige Aufzählungen und so
umfassende Übersichten zu machen, daß ich sicher wäre, nichts
auszulassen.
René Descartes
Quelle:
Descartes, R.: Abhandlung
über die Methode des richtigen Vernunftgebrauchs und der
wissenschaftlichen Wahrheitsfindung.
Stuttgart 1961
-
Vereinfachtes Lakatos-Modell für die Heuristik mathematischer Entdeckungen.
Quellen:
Davis, P.J.; Hersh, R. ; Erfahrung Mathematik.
Basel,Boston, Stuttgart 1994
Lakatos, I.: Mathematics, Science and Epistomology.
Cambridge 1978
Lakatos, I.: Beweise und Widerlegungen. Die Logik mathematischer
Entdeckungen. Hg. von J. Worall und E. Zahar. Braunschweig /
Wiesbaden: Vieweg 1979
Lakatos, I.: Philosophische Schriften. Hg. von J. Worrall und
G. Currie.
Bd. 1: Die Methodologie der wissenschaftlichen Forschungsprogramme.
Bd. 2: Mathematik, empirische Wissenschaft und Erkenntnistheorie.
Braunschweig / Wiesbaden 1982
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Wer sich keinen Rat in einer Lage, in einer Unternehmung, einem
Geschäft weiß, der warte; weise alle Gedanken an die Sache selbst
zurück; tue nichts. Das Wollen und der Vorsatz werden dadurch nur
stärker werden. Man sammelt und speichert auf diese Weise nur Kräfte,
die von überall herströmen; sie kommen in Form eines Einfalls,
einer Inspiration, einer Gelegenheit oder eines Zufalls.
Quelle:
?
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He has all the Celtic power of quick intuition, but he is deficient in the
wide range of exact knowledge which is essential to the higher developments of
his art.
Quelle:
A.C. Doyle: The Sign of Four.
The Penguin Complete Sherlock Holmes.
Harmondsworth 1987
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Nil desparare
(Nicht verzweifeln)
Sinnspruch in Gauß' Mathematischem Tagebuch (1796-1814), in
dem der Zusammenhang zwischen π - Berechnung und
Arithmetisch-Geometrischem Mittel aufgezeigt wird.
Quelle:
J. Arndt, C. Haend: Pi. Algorithmen, Computer, Arithmetik.
Berlin, Heidelberg, New York 1998
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Der Mann, der den Berg abtrug, war derselbe, der anfing, kleine Steine
wegzutragen.
Quelle:
Funk 23 (1999) 2, S. 33
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Kern der Kreativität bildet die Fähigkeit, etwas neu wahrzunehmen.
Quelle:
D.R. Hofstädter und die Fluid Analogies Group: Die
FARGonauten. Über Analogie und Kreativität.
Stuttgart 1996
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Aber es gibt keine schwarz-weiße Antwort auf eine graue Frage.
Quelle:
Carl Djerassi
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