Programmierpraktikum

Computerpraktikum Sommersemester 2024

Allgemeines

Modul:

Zielgruppe:

Bachelor-Studiengänge Mathematik (Studienrichtungen MaMa, MaIn, MaTM) im 5. Semester,
Master-Studiengänge (Studienrichtung MaFM, MaWM)

Einführungsveranstaltung

Zu Begin des Semesters wird eine Einführungsveranstaltung zur Vergabe der Themen und dem Ablauf des Praktikums stattfinden.
Danach erfolgt individuelle Beratung in Absprache mit dem jeweiligen Betreuer der Aufgabe.

Termin der Auftaktveranstaltung:

Dienstag, 09. 04. 2024 um 11.30 in der W017 (neu: C25.017) in Präsenz.

Inhalt des Praktikums

selbstständiges Bearbeiten einer Aufgabenstellung am Computer unter Anleitung eines Betreuers,
Bei Programmieraufgaben ist in der Regel (mit Ausnahmen) keine spezielle Programmiersprache vorgeschrieben.
Die Einarbeitung in bisher unbekannte Sprachen und Themen kann Bestandteil des Praktikums sein.
Programm und Ergebnisse sind schriftlich zu dokumentieren.

Zeitraum

ein Semester, Gesamtarbeitsaufwand bis ca. 180 Stunden

Abschluss

Abgabe eines schriftlichen Belegs beim Betreuer, siehe dazu auch die unten stehenden Hinweise.

Aufgaben

Im folgenden eine Auswahl von Aufgaben, es ist aber auch immer möglich in Absprache mit einem Betreuer eine eigene (für das Praktikum geeignete) Problemstellung mitzubringen.
Der Status der Aufgabe bedeutet

frei ... Aufgabe ist frei und kann bearbeitet werden

vergeben ... Aufgabe ist vergeben und in Bearbeitung

Nr. Status Thema Betreuer

1 frei Toolbox zur hochdimensionalen schnellen Fourier-Transformation mit mehreren Rang-1 Gittern
L. Kämmerer
F. Taubert
D. Potts

2 frei Dimensionsinkrementelle Algorithmen zur hochdimensionalen Approximation
F. Taubert
D. Potts

3 frei Schnelle Algorithmen zur Matrix-Vektor-Multiplikation
Vergleich von zwei verschiedenen Zugänge zur schnellen Matrix-Vektor-Multiplikation mit voll besetzten Matrizen D. Potts

4 vergeben Bau eines Data Science Clusters aus Raspberry Pis
Das Thema kann zu zweit bearbeitet werden, die Programmiersprache ist Python oder Julia. (zur Zeit wegen Chipkrise und Mondpreisen für RasPis nicht bearbeitbar) M. Stoll
R. Unger

5 frei Erstellung eines Multilayer Autoren-Graphen
Es geht darum aus Artikeln einer bestimmten Zeitschrift Autoren, Teilnehmer und Beiträge einer bestimmten Konferenz zu filtern und diese in einen Multilayer-Graph zu übertragen. Programmiersprache wäre Python. M. Stoll

6 frei Centralities für Multilayer-Graphen
Hier sollen verschiedene Multilayer Centratilies in Python implementiert und deren Performance verglichen werden. M. Stoll

7 frei Zentralitäten und Orientierungen des deutschen Bahnnetzes
Im Rahmen dieser Arbeit sollen Zentralitäten und Orientierungen des deutschen Personennah- und fernverkehrs bestimmt und visualisiert werden. K. Bergermann
M. Stoll

8 vergeben Voll die Seuche
Agentenbasierte Simulation zur Seuchenausbreitung R. Unger

9 vergeben The (Hyper)-Cube
... oder ist der Würfel noch ganz dicht ? R. Unger

10 vergeben Die Gerüchteküche
Simulation der Ausbreitung eines Gerüchtes in sozialen Strukturen R. Unger

11 frei Wer hat, der kann ;-)
Umsetzung eines von Ihnen mitgebrachten Problems mit den Bedingungen

Das Problem ist zur Umsetzung im Computerpraktikum geeignet
Es fällt in etwa in mein Fach/Interessengebiet, so dass ich es betreuen kann
Dies kann also erst nach detaillierter Absprache starten, aber durchaus für alle Beteiligten interessant werden. R. Unger

12 vergeben Tomosim
Tomographie-Simulation mit Licht, Schatten, Webcam, Arduino, Schrittmotor und Radon-Transformation zur Lösung des Inversen Problems. (Braucht gemeinsame Arbeit an Hardware, deshalb im Coronasemester nicht möglich) J.-F. Pietschmann
R. Unger

13 frei Mikrocontroller
Alles rund um Mikrocontroller-Programmierung, speziell mit avr-gcc auf Attiny/Atmega oder arm-gcc auf ARM Plattformen wie STM32F1xxx, STM32 F4xxx oder RP2040 (Pi-Pico). Wir nutzen NICHT die Arduino-IDE ;-) R. Unger

14 frei Auswertung von Summen orthogonaler Funktionen auf der Kreisscheibe
Es sollen Funktionen auf der Kreisscheibe B2 approximiert werden. Als Ansatz wird die Funktion als Reihe über Basisfunktionen dargestellt. P. Schröter

15 frei Simulation von stochastischen Prozessen
In R, Julia, Python oder Matlab sollen verschiedene stochastische Prozesse simuliert und visualisiert werden, etwa

das Gesetz der Großen Zahlen,
der zentrale Grenzwertsatz
parametrische stochastische Prozesse
A. Pichler
D. Uhlig

16 frei Minimalflächen
Implementierung der Darstellungsformel von Weierstraß P. Reiter

17 frei Untersuchung parametrisierter Flächen
Visualisierung von Flächenkurven P. Reiter

18 frei Visualisierung von Kontaktmengen
R. Coles

Nr.	Status	Thema	Betreuer
1	frei	Toolbox zur hochdimensionalen schnellen Fourier-Transformation mit mehreren Rang-1 Gittern	L. Kämmerer F. Taubert D. Potts
2	frei	Dimensionsinkrementelle Algorithmen zur hochdimensionalen Approximation	F. Taubert D. Potts
3	frei	Schnelle Algorithmen zur Matrix-Vektor-Multiplikation Vergleich von zwei verschiedenen Zugänge zur schnellen Matrix-Vektor-Multiplikation mit voll besetzten Matrizen	D. Potts
4	vergeben	Bau eines Data Science Clusters aus Raspberry Pis Das Thema kann zu zweit bearbeitet werden, die Programmiersprache ist Python oder Julia. (zur Zeit wegen Chipkrise und Mondpreisen für RasPis nicht bearbeitbar)	M. Stoll R. Unger
5	frei	Erstellung eines Multilayer Autoren-Graphen Es geht darum aus Artikeln einer bestimmten Zeitschrift Autoren, Teilnehmer und Beiträge einer bestimmten Konferenz zu filtern und diese in einen Multilayer-Graph zu übertragen. Programmiersprache wäre Python.	M. Stoll
6	frei	Centralities für Multilayer-Graphen Hier sollen verschiedene Multilayer Centratilies in Python implementiert und deren Performance verglichen werden.	M. Stoll
7	frei	Zentralitäten und Orientierungen des deutschen Bahnnetzes Im Rahmen dieser Arbeit sollen Zentralitäten und Orientierungen des deutschen Personennah- und fernverkehrs bestimmt und visualisiert werden.	K. Bergermann M. Stoll
8	vergeben	Voll die Seuche Agentenbasierte Simulation zur Seuchenausbreitung	R. Unger
9	vergeben	The (Hyper)-Cube ... oder ist der Würfel noch ganz dicht ?	R. Unger
10	vergeben	Die Gerüchteküche Simulation der Ausbreitung eines Gerüchtes in sozialen Strukturen	R. Unger
11	frei	Wer hat, der kann ;-) Umsetzung eines von Ihnen mitgebrachten Problems mit den Bedingungen Das Problem ist zur Umsetzung im Computerpraktikum geeignet Es fällt in etwa in mein Fach/Interessengebiet, so dass ich es betreuen kann Dies kann also erst nach detaillierter Absprache starten, aber durchaus für alle Beteiligten interessant werden.	R. Unger
12	vergeben	Tomosim Tomographie-Simulation mit Licht, Schatten, Webcam, Arduino, Schrittmotor und Radon-Transformation zur Lösung des Inversen Problems. (Braucht gemeinsame Arbeit an Hardware, deshalb im Coronasemester nicht möglich)	J.-F. Pietschmann R. Unger
13	frei	Mikrocontroller Alles rund um Mikrocontroller-Programmierung, speziell mit avr-gcc auf Attiny/Atmega oder arm-gcc auf ARM Plattformen wie STM32F1xxx, STM32 F4xxx oder RP2040 (Pi-Pico). Wir nutzen NICHT die Arduino-IDE ;-)	R. Unger
14	frei	Auswertung von Summen orthogonaler Funktionen auf der Kreisscheibe Es sollen Funktionen auf der Kreisscheibe B2 approximiert werden. Als Ansatz wird die Funktion als Reihe über Basisfunktionen dargestellt.	P. Schröter
15	frei	Simulation von stochastischen Prozessen In R, Julia, Python oder Matlab sollen verschiedene stochastische Prozesse simuliert und visualisiert werden, etwa das Gesetz der Großen Zahlen, der zentrale Grenzwertsatz parametrische stochastische Prozesse	A. Pichler D. Uhlig
16	frei	Minimalflächen Implementierung der Darstellungsformel von Weierstraß	P. Reiter
17	frei	Untersuchung parametrisierter Flächen Visualisierung von Flächenkurven	P. Reiter
18	frei	Visualisierung von Kontaktmengen	R. Coles

Empfehlungen und Hinweise

Das Computerpraktikum lässt sich grob in vier Phasen einteilen:

1. Algorithmenentwurf

Zunächst gilt es, die Aufgabe zu verstehen und in einzelne Lösungsschritte zu zerlegen. Sinnvoll sind dazu folgende Fragestellungen

Welche Teilaufgaben/Unterprogramme gibt es?
Welche Algorithmen kommen für die Teilaufgaben in Frage?
Welche Algorithmen gibt es, etwa in Büchern?
Warum haben Sie dann Ihre(n) Algorithmus gewählt?

2. Programmieren

Zur Lösung Ihrer Aufgabe gilt es, vor Beginn der Implementierung

Das Programm zu strukturieren und modular zu gestalten
So weit nicht vom Betreuer vorgegeben, verwenden Sie die Programmiersprache Ihrer Wahl
Es kann nützlich sein, sich nach existierenden Lösungen insbesondere für Teilprobleme, umzuschauen

3. Testen

Ein häufig unterschätzter Abschnitt ist das Testen.

Funktioniert Ihr Programm?
Vergleichen Sie mit eventuell vorhandenen Programmen
Schreiben Sie Test-Fälle sowohl für den positiven Fall, als auch welche, bei denen Sie (bestimmte) Fehlermeldungen erwarten

Selbst wenn der Abschnitt hier kurz ist, ist dieser Abschnitt üblicherweise zeitintensiv

4. Bericht

Ziel des Berichtes ist, dass ein/e Studierende/r Ihres Semesters nach dem Lesen das Programm verwenden kann und weiß, wozu es verwendet werden kann. Überlegen Sie vorher, was Sie beim Leser als bekannt voraussetzen können. Eine mögliche Gliederung ist etwa

Problemstellung
Algorithmus, sowie Entscheidungen aus Abschnitt 1
Zuverlässigkeit, Grenzen (etwa in der numerischen Genauigkeit)
Resultate und Interpretation
Offene Probleme und Fragestellungen

Zu Resultaten gehört etwa ein Testlauf mit Laufzeitangaben, die auch Hardware, Betriebssystem, sowie Eingabedaten umfassen. Es gilt, das Experiment reproduzierbar zu beschreiben.

Der Bericht sollte derart verfasst sein, dass alle Schritte nachvollziehbar sind und er als Grundlage des nächsten Praktikums dienen kann.

Es empfiehlt sich, in LaTeX zu schreiben. Bei Algorithmen, Code, Ideen und Ansätzen aus anderen Quellen, denken Sie bitte daran, die Quellen mit anzugeben.

Sonstiges

Eine ältere aber noch immer aktuelle Kurzanleitung zum Computerpraktikum:comp_prakt.pdf
Achten Sie bitte auf Lesbarkeit des Programmcodes,
alternativ reichen Sie Ihr Praktikum beim The International Obfuscated C Code Contest und hoffen auf einen Gewinn ;-)