Algoritmiek. 12 uur college, werkgroep, zelfwerkzaamheid. Doel. Eindniveau. Hoe te realiseren

Transcriptie

1 Algoritmiek Doel Gevoel en inzicht ontwikkelen voor het stapsgewijs, receptmatig oplossen van daartoe geëigende [biologische] probleem-stellingen, en dat inzicht gebruiken in het vormgeven van een programmeerbare oplossing. Eindniveau In staat zijn te onderscheiden welke problemen in welke vorm geschikt (te maken) zijn voor een algoristische aanpak, en deze aanpak ook vorm te geven. Vorm geven gebeurt in de programmeertaal Python. Hoe te realiseren 12 uur college, werkgroep, zelfwerkzaamheid 1

2 Algoritmiek Tentamen = Boek + College Open vragen, open boek Boek: Voorbeelden Blackboard: Opdrachten + Werkgroep Werkgroep = Programmeeropdracht maken + nakijken Oefenen op eigen initiatief Blackboard, boek + bronnen op weblog Eindoordeel: Tentamen (50 %) Werkgroep opdracht ( %) College opdrachten (30 %) 2

3 Effect van DLO Rendement van DLO = % voldoende inclusief herkansing Start Topclass / Blackboard Start algoritmiek webstek Rendement van opdrachten = % voldoende inclusief herkansing BIO LST

4 Vergeetbestendigheid Lecture Only 5% Reading 10% Classroom with Labs/Exercises/Audio/Video 20% Demonstration/Work Through 30% Practice by doing 75% Teaching others 90% Without application of the information learned, the amount retained is reduced by 50% within a month and nearly 0% by 2 months. Use it or lose it 4

5 Algoritmiek Algoritmiek: Welke stappen moeten we nemen om een probleem op te lossen Data Structuren: Hoe bewaren we de informatie die nodig is om problemen op te lossen, en hoe blijft die informatie toegankelijk. Programmeertalen: Hoe coderen we algoritmen en data structuren Software engineering: Welke systematische methoden bestaan er voor het schrijven van grote, foutloze en betrouwbare systemen. 5

6 Algoritmiek Data-bases: Hoe slaan we grote hoeveelheden informatie op en hoe houden we die beschikbaar voor efficiënte raadpleging (data-mining). Symbolisch en numeriek rekenen: Hoe maken we nauwkeurige wiskundige modellen van toestanden en processen in de echte wereld. Kunstmatige intelligentie: Hoe kunnen we de vaardigheid om zelfstandige beslissingen te nemen coderen. Kunstmatig leven: Studie van en naar emergent, ongeprogrammeerd gedrag in organismen die leven (= ontstaan, bewegen, eten, reproduceren, doodgaan) binnen computers. 6

7 Algoritmiek Welke stappen moeten we nemen om een probleem op te lossen. Hoe lossen wij eigenlijk problemen op??? We doen het gewoon... Op goed geluk raden naar een oplossing... Via Trial & Error... Door ervaring (van jezelf of van anderen)... Wetenschappelijk... 7

8 Probleem oplossen...? Analyse Probleem specificatie Ontwerp Algoritme Programma Implementatie Executable (Oplossing) Compilatie "Dokter, ik heb hoofdpijn" Patient heeft een verhoogde druk in de voorste parietale kwab. 1. Sterilizeer schedel zaag 2. Verdoof de patient 3. Verwijder schedeldak 4. Neem een grote lepel etc., etc. sterilizeer(zaag,alcohol); hef_hamer(); laat hamer neerkomen(snel); begin(zaag); /* etc. etc. */

9 Algoritmiek De leer van algoritmen Algoritme: Beschrijving van de stappen die een processor (mens, computer, machine) moet doen om een proces uit te voeren, c.q. een probleem op te lossen. Karakteristiek: Invoer, Uitvoer, Eindigheid, Bepaaldheid, Effectiviteit Uitvoering verloopt stapsgewijs Een stap bestaat vaak zelf weer uit deel-algoritmen. 9

10 Algoritme Muhammad ibn Musa Al-Khwarizmi Boek over rekenen: Hindu notatie van getallen, gebroken getallen, gebruik van het getal nul, methode voor het oplossen van vierkantsvergelijkingen Latijnse vertaling (c.1120 AD): Algoritmi de numero Indorum Boek over algebra Hisab al-jabr w al-muqabala 10

11 Algoritme Beschrijving van de stappen die een processor (mens, computer, machine) moet doen om een proces uit te voeren, c.q. een probleem op te lossen. Kook / Bak recept Spelregels van een spel Instructies voor het bedienen van een video recorder Route beschrijving van A naar B Een brei patroon Notenschrift... 11

12 Algoritme

13 Algoritme Optellen van getallen onder de 10 (incl. nul) Het algoritme in de black box : + Van welke kennis kunnen we uitgaan? tabel met uitkomsten van optellingen van 2 getallen < 10 Welk aspecten kent dit probleem? Hoe bekijken we een getal dat buiten het kader van de tabel valt? Ontbinden in elementen die wel in kennis-kontekst passen Doet de volgorde van de getallen in de optelling er toe? Wat doen we met een uitkomst die meer dan 1 plaats inneemt? 1 onthouden regel Wat doen we met meerdere van dergelijke uitkomsten? Cascade regel Invoer, Uitvoer, Eindigheid, Bepaaldheid, Effectiviteit 13

14 Algoritmiek 14

15 Algoritmiek Algoritme dat door een computer uitgevoerd kan worden heet een programma Een computer heet programmeerbaar omdat hij gevoed kan worden met een algoritme naar keuze Een programma is een formele tekst iedere letter, elk cijfer, elk interpunctie-teken, en elke operator speelt daarin een rol. Programma s vragen ongewone nauwkeurigheid in het opstellen. 15

16 Syntax & Semantiek Syntaxis: grammatica regels zinsbouw, correct symbool gebruik Stik de naden van de mouw vs Mouw de naden a + b = vs a+=b H 2 O vs 2OH Semantiek: betekenis Een recht, een averecht Kosten := prijs * aantal Programmeertaal: Syntaxis en semantiek zijn onafhankelijk! Colorless green ideas sleep furiously Noteer de naam van de achtste dag van de week 16

17 Syntax & Semantiek Mens Computer Nederlands Grote woordenschat Ingewikkelde grammatica Context afhankelijke betekenis Woorden vaak meer dan 1 betekenis Machinetaal Kleine woordenschat (0/1) Simpele grammatica Betekenis niet context afhankelijk Woorden (symbolen) hebben 1 betekenis 17

18 Syntax & Semantiek Algoritmen Operaties op en met objecten Betekenis van stap in Algoritme: Kennis van eigenschappen van objecten Relaties tussen de objecten Noteer de naam van de achtste dag van de week Bedenk een getal tussen 1 en 9 Noem het getal N Noteer de naam van dag N Bereken de omtrek van de cirkel door de straal met pi te vermenigvuldigen Elementaire aktie 18

19 Syntax & Semantiek Processor moet in staat zijn om: De symbolen waarin de stap is geformuleerd te herkennen. enniemandmerktehetlaatstaandegeneraal het laatst aan de generaal dieontsnappenonsmeteenzijdelingsebeweging zei de linkse beweging Betekenis aan de stap toe te kennen in termen van de uit te voeren handelingen. De bijbehorende handelingen uit te voeren. 19

20 Syntax & Semantiek Programmeertaal Eenvoudige en beknopte formulering van algoritmen toestaan. Voor computer eenvoudig te begrijpen. Voor mens eenvoudig te begrijpen: Veranderingen en verbeteringen De kans op fouten minimaliseren bij omzetten van algoritme in programma (implementatie). Analyse van programma tekst moet aan kunnen tonen dat uitvoering het gewenste proces tot stand brengt. 20