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Implementierung numerischer verifizierender Verfahren mit graphischer Benutzerschnittstelle unter Oberon-XSC

Implementierung numerischer verifizierender Verfahren mit graphischer Benutzerschnittstelle unter Oberon-XSC
Über dieses Buch
  • Art: Diplomarbeit
  • Autor: Markus Lebender
  • Abgabedatum: April 1998
  • Umfang: 115 Seiten
  • Dateigröße: 1,1 MB
  • Note: 1,3
  • Institution / Hochschule: Universität Fridericiana Karlsruhe (TH) Deutschland
  • ISBN (eBook): 978-3-8324-6683-1
  • ISBN (Paperback) :
    978-3-8324-6683-1 P
  • ISBN (CD) :978-3-8324-6683-1 CD
  • Sprache: Deutsch
  • Prämierung:
  • Arbeit zitieren: Lebender, Markus April 1998: Implementierung numerischer verifizierender Verfahren mit graphischer Benutzerschnittstelle unter Oberon-XSC, Hamburg: Diplomica Verlag
  • Schlagworte: Rechnerarithmetik, Intervallrechnung, Automatische Differentiation, Globale Optimierung, Runge-Kutta-Verfahren

Diplomarbeit von Markus Lebender

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei thematischen Schwerpunkten. Der eine Schwerpunkt sind numerische, verifizierende Verfahren. Darunter werden Algorithmen und Methoden verstanden, die mathematische Aufgaben mittels Computer numerisch (also nicht symbolisch) lösen und hierbei Lösungseinschließungen liefern im Gegensatz zu den herkömmlichen computerbasierten Verfahren, die gerundete Ergebnisse liefern, die weit von der echten Lösung entfernt liegen. Den zweite Schwerpunkt bilden die graphischen Benutzerschnittstellen, die es ermöglichen mathematische Probleme zu visualisieren. Als Basis der Implementierungen im Rahmen dieser Arbeit wurde das Oberon-XSC System verwendet, da es beide Aspekte sehr gut miteinander vereint.

Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die mathematischen Grundlagen der Rechnerarithmetik und Intervallrechnung und einer Einführung in Oberon. Daran anschließend werden zwei Beispiele für Visualisierungsprobleme geben. Zum einen ein Programm zur Darstellung eindimensionaler reeller Funktionen sowie gleichzeitig deren Ableitungen bzw. Taylorkurven. Dies werden dabei automatisch über verifizierende Verfahren aus dem Funktionsausdruck berechnet. Zum anderen wird eine Fadenpendel-Simulation vorgestellt, für deren Simluation ein System zweier Differentialgleichungen erster Ordnung durch ein Runge-Kutta-Verfahren der Ordnung 4 gelöst werden muss. Im dritten Kapitel werden verschiedene numerische Verfahren detailliert vorgestellt und implementiert. Im speziellen sind das die Methoden der automatischen Differentiation und darauf aufbauen Algorithmen zur globalen Optimierung eindimensionaler reeller Funktionen.

Inhaltsverzeichnis:

1. Grundlagen 1
1.1 Kurze Einführung in die Rechnerarithmetik 1
1.1.1 Die Räume der Rechnerarithmetik 1
1.1.2 Definition der Rechnerarithmetik 3
1.2 Einführung in die Intervallrechnung 5
1.2.1 Definition und Eigenschaften der Intervallarithmetik 6
1.2.2 Maschinenintervalle 8
1.2.3 Erweiterte Intervallarithmetik 9
1.3 Einführung in Oberon 11
1.3.1 Die Programmiersprache Oberon 11
1.3.2 Das Oberon-System 15
1.3.3 Programmierung von Objekten und Gadgets 18
2. Visualisierung 21
2.1 Der Function Viewer 21
2.1.1 Gundlegende Module 22
2.1.2 Module zur Eingabe eindimensionaler Funktionen 25
2.1.3 Module zur direkten Implementierung des FunctionViewer 31
2.2 Eine Pendelsimulation 42
2.2.1 Iteratoren 43
2.2.2 Listenverwaltung 49
2.2.3 Die Pendelsimulation 57
2.3 Benutzeroberflächen 59
2.3.1 Benutzeroberfläche zum FunctionViewer 59
2.3.2 Benutzeroberfläche für die Pendelsimulation 60
2.4 Zusammenfassung 61
3. Numerische Verfahren 62
3.1 Automatische Differentiation 62
3.1.1 Motivation 62
3.1.2 Die Taylorarithmetik 63
3.1.3 Algorithmische Beschreibung der Taylorarithmetik 69
3.1.4 Implementierung 72
3.2 Globale Optimierung 74
3.2.1 Problemstellung 74
3.2.2 Testmethoden 75
3.2.3 Teilungsmethoden 79
3.2.4 Verifikation 80
3.2.5 Algorithmische Beschreibung 80
3.2.6 Implementierung 87
3.2.7 Graphische Benutzerschnittstelle 89
A. Bedienung des Oberon-Systems 90
B. OBERON-XSC 92
C. Hilfsmodule 97
D. Testfunktionen 99

Automatisiert erstellter Textauszug:

Anfang oder an das Ende der Liste gesprungen. Wurde bei einer Verschiebung der Anfang oder das Ende der Liste uberschritten, so wird Actual auf NIL gesetzt. res liefert folgende Werte: bol: Der Anfang der Liste wurde uberschritten. eol: Das Ende der Liste wurde uberschritten. error: steps < 0 oder ein ungultiger Wert fur dir. OK: in allen anderen Fallen. ItemMsg: Diese Nachricht dient zum Einfugen (id = ItemInsert) und Loschen (id = ItemDelete) des Elements item. Hierbei gibt es vier bzw. drei Moglichkeiten, die uber mode gewahlt werden: 1. mode = BeginningMode: id = ItemInsert: item wird vor dem ersten Element der Liste eingefugt. id = ItemDelete: Das erste Element der Liste wird geloscht. 2. mode = EndMode: id = ItemInsert: item wird an das Ende der Liste angehangt. id = ItemDelete: Das letzte Element der Liste wird geloscht. 3. mode = ItemMode: id = ItemInsert: item wird vor dem Zeiger Actual der Liste eingefugt. id = ItemDelete: Das Element Actual wird aus der Liste geloscht. 4. mode = SortMode: Diesen Mode gibt es nur fur die id = ItemInsert. Hierbei wird item vor dem ersten Element der Liste, das \echt gro er\ als item ist, eingefugt. Die Eigenschaft \echt gro er\ bezieht sich hierbei auf das Ergebnis einer CompareMsg. Dieser Modus ist bei einer ObjList nicht sinnvoll, da die verschiedensten Elemente in einer solchen Liste abgelegt sein konnen. Er wird nur fur Typerweiterungen von ObjList sinnvoll sein, wie z.B. PointList (nachster Abschnitt). CompareMsg: Diese Nachricht dient dazu, zwei Elemente der Liste miteinander zu vergleichen. Dies ist nur sinnvoll, wenn die Elemente auch vergleichbar sind. Um dies zu gewahrleisten, erweitertet man ObjList und modi ziert das Einfugen, wie z.B. bei PointList. Das Ergebnis des Vergleichs ndet sich in res: CmpLess, CmpEqual und CmpGreater. In manchen Fallen kann es vorkommen, da es mehrere Vergleichsarten fur Elemente gibt. Die Vergleichsart wird dann durch key bestimmt. [...]

Nachrichten angesteuert. Die Initialisierung eines Iterators erfolgt uber die InitMsg : Durch diese Nachricht werden die grundlegenden Datenfelder receiver und delay gesetzt. Jede Erweiterung von Iterator mu auch eine zu ihr passende Erweiterung von InitMsg haben. Eine Iteration wird gestartet, indem ihr eine IteratorMsg mit id = IterStart gesendet wird. Hierbei wird der Iterationszahler auf null gesetzt und die Iterationsschleife begonnen. Die Iteration kann jederzeit durch den Druck der Taste \s\ unterbrochen werden. Ist eine Iteration unterbrochen, so konnen manche Felder mittels einer UpdateMsg aktualisiert werden: UpdateMsg : Im Falle eines Iterators kann nur die Recordvariable delay aktualisiert werden. Auch hier mu jede Erweiterung von Iterator eine zu ihr passende UpdateMsg haben. Die Iteration kann dann durch eine IteratorMsg mit id = IterCont fortgesetzt werden. [...]

Koordinatensystems oder des Zeichenstils werden uber Nachrichten gesteuert. Au erdem werden in diesem Modul auch die Mausereignisse, z.B. die Selektion eines FunctionViewer (s. a. Anhang A, S. 90) behandelt. So fuhrt z.B. ein Ziehen der Maus mit der mittleren Maustaste uber einem FunctionViewer zu einer Zoomwirkung, d.h. der FunctionViewer erhalt die durch das Ziehen angegebenen x- und y-Bereiche. Der FunctionViewer bietet die Moglichkeit zusatzlich zu der eigentlichen Funktion noch bis zu 15 ihrer Ableitungen gleichzeitig anzuzeigen. Hierbei werden jedoch nicht exakt die Ableitungen gezeichnet, sondern die Taylorkurven, was zu einer Stauchung des Kurvenverlaufs fuhrt. Das gleichzeitige Darstellen der Taylorkurven wird durch die Verwendung der automatischen Di erentiation ermoglicht (s. 3.1.2). [...]

Arbeit zitieren:
Lebender, Markus April 1998: Implementierung numerischer verifizierender Verfahren mit graphischer Benutzerschnittstelle unter Oberon-XSC, Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Rechnerarithmetik, Intervallrechnung, Automatische Differentiation, Globale Optimierung, Runge-Kutta-Verfahren

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