Informatik auf den Punkt gebracht: Informatik für Life Sciences Studierende und andere Nicht-Informatiker

342 Pages·2019·6.95 MB·German

by  Boris Tolg

Boris Tolg
Informatik auf
den Punkt gebracht
Informatik für Life Sciences Studierende
und andere Nicht-Informatiker
Informatik auf den Punkt gebracht
Boris Tolg
Informatik auf den Punkt
gebracht
Informatik für Life Sciences Studierende
und andere Nicht-Informatiker
Boris Tolg
Department Medizintechnik
HAW Hamburg
Fakultät Life Sciences
Hamburg, Deutschland
ISBN 978-3-658-24130-8 ISBN 978-3-658-24131-5 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-24131-5
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Für meine Frau Christine
und meine Söhne Jean Luc und Mateo Nicolao
Vorwort
Die Idee zu der Buchreihe Life Sciences ist im Dezember 2015 entstanden, als ich
gerade dabei war, neue Lehrkonzepte für meine Informatikvorlesung zu entwickeln. Auf
der Suche nach geeigneter Literatur fiel mir auf, dass es zwar eine große Bandbreite an
Büchern, Workshops und Online-Tutorials für die Programmiersprache C++ auf dem
Markt gibt, jedoch keines der Angebote die Bedürfnisse meiner Studierenden erfüllt.
Jedes der Angebote für sich genommen erfüllt natürlich seinen Zweck und ist mal
mehr und mal weniger gelungen, jedoch gehen alle diese Angebote davon aus, dass die
Leserinnen und Leser eine intrinsische Motivation besitzen, sich in die Informatik einzu-
arbeiten.
Diese Motivation kann aber bei Studierenden, die Informatik als Nebenfach in einem
interdisziplinären Studiengang belegen, nicht zwingend vorausgesetzt werden. So viel-
fältig, wie die Zusammenstellung der Fächer bei einem interdisziplinären Studiengang,
so unterschiedlich sind auch die Karrieren der Studierenden, die diese Studiengänge
absolviert haben. Nicht alle legen ihren Schwerpunkt auf die Softwareentwicklung und
einige werden nach dem Studium vermutlich nie wieder ein Programm schreiben.
In diesen Studiengängen ist es wichtig, den Studierenden eine andere Motivation zu
vermitteln, weshalb sie sich mit der Informatik auseinandersetzen sollten.
Dieses Problem betrifft aber nicht nur die Informatik, sondern alle Grundlagenfächer
eines interdisziplinären Studiengangs. Folglich macht es Sinn, ein gemeinsames Lehr-
konzept aufzubauen, welches sich über verschiedene Grundlagenfächer erstreckt. Die
Idee ist, Aufgabenstellungen zu definieren, die den jeweiligen Studiengängen entsprin-
gen um diese dann in Probleme der Grundlagenfächer herunterzubrechen. So können die
einzelnen Bücher für sich genommen als Lehrbücher für ihr Anwendungsgebiet funktio-
nieren, im Zusammenspiel mit den anderen Bänden aber eine abgeschlossene Lösungs-
beschreibung für fachspezifische Probleme anbieten. Sie als Leser*in dieser Zeilen
haben damit die Möglichkeit, sich nur auf die Werke zu konzentrieren, die für Sie wirk-
lich interessant sind. Die fachspezifischen Problemstellungen liefern eine Motivation,
sich mit dem jeweiligen Grundlagenfach auseinanderzusetzen.
Ich bin sehr froh, dass ich eine Reihe von Kolleginnen und Kollegen dafür gewinnen
konnte, bei der Realisierung meiner Idee zu helfen. So erscheinen neben dem Buch über
VII
VIII Vorwort
Informatik noch weitere Bücher mit den Fachrichtungen Physik und Mathematik. Die
Zukunft wird zeigen, ob die Liste noch länger wird.
Sehr freuen würde es mich natürlich, wenn das Lehrkonzept der Bücher Ihnen den
Einstieg in die Grundlagenfächer vereinfachen würde. Deshalb wünsche ich Ihnen viel
Spaß und Erfolg beim Lesen des Buches und beim Erlernen der Grundlagen der Infor-
matik.
Ich habe versucht, das Buch nach bestem Wissen und Gewissen an die Bedürfnisse
von Studierenden im Nebenfach anzupassen. Ganz herzlich bedanken möchte ich mich
bei zwei meiner Studentinnen, Frau Lea Jungnickel und Frau Sandra Kerstin Spangen-
berg, die das Buch aus studentischer Sicht gelesen und mich auf die unverständlichen
Passagen hingewiesen haben.
Prof. Dr. Holger Kohlhoff und Prof. Dr. Jürgen Lorenz haben mich inhaltlich bei der
Fehlersuche unterstützt. Auch dafür möchte ich mich von ganzem Herzen bedanken.
Ein Letztes noch: Aus Gründen der besseren Lesbarkeit verwende ich in diesem Buch
überwiegend das generische Maskulinum. Es ist aber stets jede Geschlechtsidentität
gemeint.
Reinbek Boris Tolg
August 2018
Inhaltsverzeichnis
Teil I Einleitung
1 Wie arbeite ich mit diesem Buch ................................... 3
2 Dokumentation von Sprachen und Programmen ..................... 5
2.1 Syntaxdiagramme .......................................... 5
2.2 Unified Modelling Language (UML) ............................ 7
2.2.1 Das Anwendungsfalldiagramm ......................... 9
2.2.2 Das Aktivitätsdiagramm ............................... 13
2.2.3 Das Klassendiagramm ................................ 19
3 Taxonomiestufen ................................................ 27
Teil II Grundlagen
4 Die Sprache C++ ................................................ 33
4.1 Das erste Programm ......................................... 34
4.2 Noch ein paar Tipps ......................................... 37
5 Variablen ...................................................... 41
5.1 Variablentypen ............................................. 43
5.2 Typumwandlung ............................................ 44
5.3 Enumerationen ............................................. 46
5.4 Vertiefung: const, extern und static ............................. 48
5.4.1 const .............................................. 49
5.4.2 extern ............................................. 49
5.4.3 static .............................................. 50
5.5 Vertiefung: Eine Einführung in Zahlensysteme .................... 51
5.5.1 Addition und Multiplikation ........................... 54
5.5.2 Subtraktion ......................................... 54
5.5.3 Hexadezimalzahlen .................................. 56
Übungen ....................................................... 58
IX
X Inhaltsverzeichnis
6 Verzweigungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1 Operatoren für Vergleiche und logische Verknüpfungen ............. 63
6.2 if-Anweisungen ............................................ 65
6.3 switch-case-Anweisungen .................................... 68
Übungen ....................................................... 72
7 Schleifen ....................................................... 75
7.1 do-while-Schleifen .......................................... 77
7.2 while-Schleifen ............................................ 78
7.3 for-Schleifen .............................................. 80
7.4 continue und break .......................................... 84
Übungen ....................................................... 86
8 Felder ......................................................... 89
8.1 Zeichenketten .............................................. 92
8.2 Mehrdimensionale Felder .................................... 95
8.3 Mehrdimensionale Felder mit Zeichenketten ..................... 96
Übungen ....................................................... 98
9 Funktionen ..................................................... 103
9.1 Funktionen überladen ........................................ 107
9.2 Funktionsprototypen ........................................ 108
9.3 Referenzen und Felder als Funktionsparameter .................... 111
9.3.1 Felder als Parameter .................................. 113
9.4 Vertiefung: vorbelegte Funktionsparameter ....................... 114
9.5 Vertiefung: Variadische Funktionen ............................. 116
9.6 Vertiefung: Rekursive Aufrufe ................................. 118
9.7 Vertiefung: static ........................................... 121
Übungen ....................................................... 122
10 Klassen und Strukturen .......................................... 127
10.1 Konstruktoren und Destruktor ................................. 132
10.2 Memberfunktionen .......................................... 138
10.3 Operatoren ................................................ 143
10.4 Vererbung und Polymorphie .................................. 152
10.5 Vertiefung: Abstrakte Klassen ................................. 160
10.6 Vertiefung: Strukturen ....................................... 162
10.7 Vertiefung: const und static ................................... 163
10.7.1 const .............................................. 163
10.7.2 static .............................................. 165
Übungen ....................................................... 168
Inhaltsverzeichnis XI
11 Zeiger ......................................................... 173
11.1 Typumwandlung ............................................ 179
11.2 const ..................................................... 181
11.3 Felder .................................................... 183
11.4 Zeigerarithmetik ............................................ 185
11.5 Vertiefung: Mehrdimensionale Felder ........................... 188
11.5.1 Variante 1: Zeiger auf Felder ........................... 189
11.5.2 Variante 2: Zeiger auf Zeiger ........................... 191
11.5.3 Variante 3: virtuelle Dimensionen ....................... 194
11.6 Vertiefung: malloc, realloc, free und memcpy ..................... 197
11.7 Funktionen ................................................ 202
11.7.1 Call by Pointer ...................................... 202
11.7.2 Funktionszeiger ..................................... 203
11.8 Klassen ................................................... 206
11.8.1 Polymorphie ........................................ 208
11.8.2 Operatoren ......................................... 212
11.9 Vertiefung: Unions .......................................... 219
Übungen ....................................................... 222
Teil III Problemstellungen
12 Elektrokardiographie ............................................ 227
12.1 Planung der Softwarearchitektur ............................... 228
12.2 Laden der EKG-Daten ....................................... 235
12.2.1 Beschreibung des MIT-Formats ......................... 236
12.2.2 Erweiterung der Softwarearchitektur ..................... 239
12.2.3 Implementierung der Ladefunktion ...................... 243
12.3 Datenanalyse .............................................. 265
12.3.1 Erweiterung der Softwarearchitektur ..................... 268
12.3.2 Implementierung der Fast-Fourier-Transformation .......... 271
12.4 Exportieren der Ergebnisse ................................... 278
12.4.1 Erweiterung der Softwarearchitektur ..................... 279
12.4.2 Implementierung der Exportfunktion ..................... 279
12.4.3 Darstellung der Ergebnisse ............................ 284
Lösungen .......................................................... 287
Literatur ........................................................... 341