Algorithmen und Datenstrukturen: eine Einführung mit Java
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Heidelberg
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IMAGE 1
XI
INHALTSVERZEICHNIS
I GRUNDLEGENDE KONZEPTE 1
1 VORBEMERKUNGEN UND UEBERBLICK 3
1.1 INFORMATIK, ALGORITHMEN UND DATENSTRUKTUREN 3
1.2 HISTORISCHER UEBERBLICK: ALGORITHMEN 5
1.3 HISTORIE VON PROGRAMMIERSPRACHEN UND JAVA 6
1.4 GRUNDKONZEPTE DER PROGRAMMIERUNG IN JAVA 9
2 ALGORITHMISCHE GRUNDKONZEPTE 15
2.1 INTUITIVER ALGORITHMUSBEGRIFF 15
2.1.1 BEISPIELE FUER ALGORITHMEN 15
2.1.2 BAUSTEINE FUER ALGORITHMEN 19
2.1.3 PSEUDOCODE-NOTATION FUER ALGORITHMEN 21
2.1.4 STRUKTOGRAMME 26
2.1.5 REKURSION 26
2.2 SPRACHEN UND GRAMMATIKEN 29
2.2.1 BEGRIFFSBILDUNG 30
2.2.2 REGULAERE AUSDRUECKE 31
2.2.3 BACKUS-NAUR-FORM (BNF) 32
2.3 ELEMENTARE DATENTYPEN 34
2.3.1 DATENTYPEN ALS ALGEBREN 34
2.3.2 SIGNATUREN VON DATENTYPEN 35
2.3.3 DER DATENTYP B O OL 36
2.3.4 DER DATENTYP I N T E G ER 37
2.3.5 FELDER UND ZEICHENKETTEN 38
2.4 TERME 40
2.4.1 BILDUNG VON TERMEN 40
2.4.2 ALGORITHMUS ZUR TERMAUSWERTUNG 42
2.5 DATENTYPEN IN JAVA 43
2.5.1 PRIMITIVE DATENTYPEN 43
2.5.2 REFERENZDATENTYPEN 46
2.5.3 OPERATOREN 49
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/998764426
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
XII INHALTSVERZEICHNIS
3 ALGORITHMENPARADIGMEN 53
3.1 UEBERBLICK UEBER ALGORITHMENPARADIGMEN 53
3.2 APPLIKATIVE ALGORITHMEN 54
3.2.1 TERME MIT UNBESTIMMTEN 54
3.2.2 FUNKTIONSDEFINITIONEN 55
3.2.3 AUSWERTUNG VON FUNKTIONEN 55
3.2.4 ERWEITERUNG DER FUNKTIONSDEFINITION 57
3.2.5 APPLIKATIVE ALGORITHMEN 58
3.2.6 BEISPIELE FUER APPLIKATIVE ALGORITHMEN 59
3.3 IMPERATIVE ALGORITHMEN 67
3.3.1 GRUNDLAGEN IMPERATIVER ALGORITHMEN 67
3.3.2 KOMPLEXE ANWEISUNGEN 70
3.3.3 BEISPIELE FUER IMPERATIVE ALGORITHMEN 73
3.4 DAS LOGISCHE PARADIGMA 79
3.4.1 LOGIK DER FAKTEN UND REGELN 79
3.4.2 DEDUKTIVE ALGORITHMEN 81
3.5 WEITERE PARADIGMEN 85
3.5.1 GENETISCHE ALGORITHMEN 86
3.5.2 NEURONALE NETZE 89
3.6 UMSETZUNG IN JAVA 92
3.6.1 AUSDRUECKE UND ANWEISUNGEN 93
3.6.2 METHODEN 100
3.6.3 APPLIKATIVE ALGORITHMEN UND REKURSION 106
4 LITERATURHINWEISE ZUM TEIL I 113
II ALGORITHMEN 115
5 AUSGEWAEHLTE ALGORITHMEN 117
5.1 SUCHEN IN SORTIERTEN FOLGEN 117
5.1.1 SEQUENZIELLE SUCHE 118
5.1.2 BINAERE SUCHE 120
5.2 SORTIEREN 124
5.2.1 SORTIEREN: GRUNDBEGRIFFE 124
5.2.2 SORTIEREN DURCH EINFUEGEN 125
5.2.3 SORTIEREN DURCH SELEKTION 127
5.2.4 SORTIEREN DURCH VERTAUSCHEN: BUBBLESORT 129 5.2.5 SORTIEREN DURCH
MISCHEN: MERGESORT 131
5.2.6 QUICKSORT 135
5.2.7 SORTIERVERFAHREN IM VERGLEICH 139
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS XIII
6 FORMALE ALGORITHMENMODELLE 143
6.1 REGISTERMASCHINEN 143
6.2 ABSTRAKTE MASCHINEN 152
6.3 MARKOV-ALGORITHMEN 156
6.4 CHURCH'SCHE THESE 162
6.5 INTERPRETER FUER FORMALE ALGORITHMENMODELLE IN JAVA . 164 6.5.1
JAVA: MARKOV-INTERPRETER 164
6.5.2 REGISTERMASCHINE IN JAVA 166
7 EIGENSCHAFTEN VON ALGORITHMEN 173
7.1 BERECHENBARKEIT UND ENTSCHEIDBARKEIT 173
7.1.1 EXISTENZ NICHTBERECHENBARER FUNKTIONEN 174 7.1.2 KONKRETE
NICHTBERECHENBARE FUNKTIONEN 176 7.1.3 DAS HALTEPROBLEM 178
7.1.4 NICHTENTSCHEIDBARE PROBLEME 180
7.1.5 POST'SCHES KORRESPONDENZPROBLEM 181
7.2 KORREKTHEIT VON ALGORITHMEN 183
7.2.1 RELATIVE KORREKTHEIT 183
7.2.2 KORREKTHEIT VON IMPERATIVEN ALGORITHMEN 184 7.2.3
KORREKTHEITSBEWEISE FUER ANWEISUNGSTYPEN 187 7.2.4 KORREKTHEIT
IMPERATIVER ALGORITHMEN AN BEISPIELEN . 189 7.2.5 KORREKTHEIT
APPLIKATIVER ALGORITHMEN 194
7.3 KOMPLEXITAET 196
7.3.1 MOTIVIERENDES BEISPIEL 196
7.3.2 ASYMPTOTISCHE ANALYSE 197
7.3.3 KOMPLEXITAETSKLASSEN 201
7.3.4 ANALYSE VON ALGORITHMEN 204
8 ENTWURF VON ALGORITHMEN 207
8.1 ENTWURFSPRINZIPIEN 207
8.1.1 SCHRITTWEISE VERFEINERUNG 207
8.1.2 EINSATZ VON ALGORITHMENMUSTERN 210
8.1.3 PROBLEMREDUZIERUNG DURCH REKURSION 210
8.2 ALGORITHMENMUSTER: GREEDY 211
8.2.1 GREEDY-ALGORITHMEN AM BEISPIEL 211
8.2.2 GREEDY: OPTIMALES KOMMUNIKATIONSNETZ 213 8.2.3 VERFEINERUNG DER
SUCHE NACH BILLIGSTER KANTE 214 8.3 REKURSION: DIVIDE-AND-CONQUER 216
8.3.1 DAS PRINZIP »TEILE UND HERRSCHE 217
8.3.2 BEISPIEL: SPIELPLAENE FUER TURNIERE 218
8.4 REKURSION: BACKTRACKING 220
8.4.1 PRINZIP DES BACKTRACKING 221
8.4.2 BEISPIEL: DAS ACHT-DAMEN-PROBLEM 223
IMAGE 4
XIV INHALTSVERZEICHNIS
8.5 DYNAMISCHE PROGRAMMIERUNG 225
8.5.1 DAS RUCKSACKPROBLEM 226
8.5.2 REKURSIVE LOESUNG DES RUCKSACKPROBLEMS 227 8.5.3 PRINZIP DER
DYNAMISCHEN PROGRAMMIERUNG 228
9 VERTEILTE BERECHNUNGEN 231
9.1 KOMMUNIZIERENDE PROZESSE 231
9.2 MODELL DER PETRI-NETZE 232
9.2.1 DEFINITION VON PETRI-NETZEN 232
9.2.2 FORMALISIERUNG VON PETRI-NETZEN 236
9.2.3 DAS BEISPIEL DER FUENF PHILOSOPHEN 238
9.3 PROGRAMMIEREN NEBENLAEUFIGER ABLAEUFE 240
9.3.1 KOORDINIERTE PROZESSE 241
9.3.2 PROGRAMMIEREN MIT SEMAPHOREN 242
9.3.3 PHILOSOPHENPROBLEM MIT SEMAPHOREN 244
9.3.4 VERKLEMMUNGSFREIE PHILOSOPHEN 246
9.4 BEISPIELREALISIERUNG IN JAVA 248
10 LITERATURHINWEISE ZUM TEIL II 255
III DATENSTRUKTUREN 257
11 ABSTRAKTE DATENTYPEN 259
11.1 SIGNATUREN UND ALGEBREN 260
11.2 ALGEBRAISCHE SPEZIFIKATION 262
11.2.1 SPEZIFIKATIONEN UND MODELLE 263
11.2.2 TERMALGEBRA UND QUOTIENTENTERMALGEBRA 264 11.2.3 PROBLEME MIT
INITIALER SEMANTIK 267
11.3 BEISPIELE FUER ABSTRAKTE DATENTYPEN 268
11.3.1 DER KELLERSPEICHER (STACK) 269
11.3.2 BEISPIEL FUER KELLERNUTZUNG 271
11.3.3 DIE WARTESCHLANGE (QUEUE) 275
11.4 ENTWURF VON DATENTYPEN 276
12 KLASSEN, SCHNITTSTELLEN UND OBJEKTE IN JAVA 279 12.1 GRUNDZUEGE DER
OBJEKTORIENTIERUNG 279
12.2 KLASSEN UND OBJEKTE IN JAVA 282
12.3 VERERBUNG 287
12.4 ABSTRAKTE KLASSEN UND SCHNITTSTELLEN 294
12.5 AUSNAHMEN 297
12.6 UMSETZUNG ABSTRAKTER DATENTYPEN 299
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XV
13 GRUNDLEGENDE DATENSTRUKTUREN 305
13.1 STACK UND QUEUE ALS DATENTYPEN 305
13.1.1 IMPLEMENTIERUNG DES STACKS 309
13.1.2 IMPLEMENTIERUNG DER QUEUE 310
13.1.3 BEWERTUNG DER IMPLEMENTIERUNGEN 312
13.2 VERKETTETE LISTEN 313
13.3 DOPPELT VERKETTETE LISTEN 320
13.4 DAS ITERATOR-KONZEPT 325
13.5 JAVA COLLECTION FRAMEWORK 328
13.6 J2SE 5.0 UND GENERICS 332
14 BAEUME 335
14.1 BAEUME: BEGRIFFE UND KONZEPTE 335
14.2 BINAERER BAUM: DATENTYP UND BASISALGORITHMEN 338 14.2.1 DER DATENTYP
»BINAERER BAUM 338
14.2.2 ALGORITHMEN ZUR TRAVERSIERUNG 343
14.3 SUCHBAEUME 348
14.3.1 SUCHEN IN SUCHBAEUMEN 349
14.3.2 EINFUEGEN UND LOESCHEN 352
14.3.3 KOMPLEXITAET DER OPERATIONEN 357
14.4 AUSGEGLICHENE BAEUME 358
14.4.1 ROT-SCHWARZ-BAEUME 359
14.4.2 AVL-BAEUME 368
14.4.3 B-BAEUME 376
14.5 DIGITALE BAEUME 389
14.5.1 TRIES 390
14.5.2 PATRICIA-BAEUME 396
14.6 PRAKTISCHE NUTZUNG VON BAEUMEN 397
14.6.1 SORTIEREN MIT BAEUMEN: HEAPSORT 397
14.6.2 SETS MIT BINAEREN SUCHBAEUMEN 403
15 HASHVERFAHREN 409
1 5.1 GRUNDPRINZIP DES HASHENS 409
15.2 GRUNDLAGEN UND VERFAHREN 410
15.2.1 HASHFUNKTIONEN 410
15.2.2 BEHANDLUNG VON KOLLISIONEN 412
15.2.3 AUFWAND BEIM HASHEN 416
15.2.4 HASHEN IN JAVA 418
15.3 DYNAMISCHE HASHVERFAHREN 422
15.3.1 GRUNDIDEEN FUER DYNAMISCHE HASHVERFAHREN 423 15.3.2 ERWEITERBARES
HASHEN 426
15.3.3 UMSETZUNG DES ERWEITERBAREN HASHENS 428
IMAGE 6
XVI INHALTSVERZEICHNIS
16 GRAPHEN 433
16.1 ARTEN VON GRAPHEN 433
16.1.1 UNGERICHTETE GRAPHEN 434
16.1.2 GERICHTETE GRAPHEN 435
16.1.3 GEWICHTETE GRAPHEN 436
16.2 REALISIERUNG VON GRAPHEN 437
16.2.1 KNOTEN- UND KANTENLISTEN 437
16.2.2 ADJAZENZMATRIX 438
16.2.3 GRAPHEN ALS DYNAMISCHE DATENSTRUKTUREN 438 16.2.4
TRANSFORMATIONEN ZWISCHEN DARSTELLUNGEN 439 16.2.5 VERGLEICH DER
KOMPLEXITAET 440
16.2.6 EINE JAVA-KLASSE FUER GRAPHEN 440
16.3 AUSGEWAEHLTE GRAPHENALGORITHMEN 443
16.3.1 BREITENDURCHLAUF 443
16.3.2 TIEFENDURCHLAUF 447
16.3.3 ZYKLENFREIHEIT UND TOPOLOGISCHES SORTIEREN 451 16.4 ALGORITHMEN
AUF GEWICHTETEN GRAPHEN 454
16.4.1 KUERZESTE WEGE 455
16.4.2 DIJKSTRAS ALGORITHMUS 456
16.4.3 A*-ALGORITHMUS 459
16.4.4 KUERZESTE WEGE MIT NEGATIVEN KANTENGEWICHTEN . . 466 16.4.5
MAXIMALER DURCHFLUSS 469
16.4.6 DER FORD-FULKERSON-ALGORITHMUS 471
16.5 WEITERE FRAGESTELLUNGEN FUER GRAPHEN 475
17 SUCHEN IN TEXTEN 479
17.1 PROBLEME DER WORTERKENNUNG 479
17.2 KNUTH-MORRIS-PRATT 481
17.3 BOYER-MOORE 485
17.4 PATTERN MATCHING 491
17.4.1 REGULAERE AUSDRUECKE 491
17.4.2 ENDLICHE AUTOMATEN 492
17.4.3 JAVA-KLASSEN FUER REGULAERE AUSDRUECKE 498
17.4.4 AEHNLICHKEIT VON ZEICHENKETTEN: DIE LEVENSHTEIN- DISTANZ 499
18 LITERATURHINWEISE ZUM TEIL III 503
A QUELLTEXT DER KLASSE I O U T I LS 505
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 509
TABELLENVERZEICHNIS 515
IMAGE 7
INHALTSVERZEICHNIS XVII
ALGORITHMENVERZEICHNIS 517
BEISPIELVERZEICHNIS 519
PROGRAMMVERZEICHNIS 521
LITERATURVERZEICHNIS 523
INDEX 527 |
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| author | Saake, Gunter 1960- Sattler, Kai-Uwe 1968- |
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