BERLIN (CW) - Ein Schwerpunktthema des 20. Bundeswettbewerbs "Jugend forscht" war der Computer. Nicht nur, daß der Rechner im Mittelpunkt der Fachgebiete Mathematik/Informatik und Technik stand - auch bei Untersuchungen anderer Themenbereiche war er gern benutztes Hilfsmittel. Die COMPUTERWOCHE stellt einige Beiträge aus den Fachgebieten Mathematik/Informatik und Technik vor.
Fachgebiet Mathematik/lnformatik
Bundessieger
Ulrich Per (18), 2370 Rendsburg, Schleswig-Holstein
Entwicklung und Bau eines Digitalisiergerätes
Daß der Forschungsdrang von Jugendlichen nicht nur in Richtung ausgeklügelter Informatik-Finessen geht, sondern auch wirtschaftliche Rentabilität anstrebt, beweist Ulrich Per aus Rendsburg mit der Entwicklung und Herstellung eines Digitalisiergerätes. Mit diesem Apparat, der Computer in die Lage versetzt, Videosignale abzutasten, produzierte der 18jährige Schüler den Kernteil eines zugleich preisgünstigen und leistungsstarken Eingabekonzepts. Damit es funktioniert, benötigt man nicht mehr als eine Videokamera und einen handelsüblichen Tischrechner.
Die Anwendbarkeit ist vielfältig, lassen sich doch die optischen Eingaben zur Kontrolle und Analyse verschiedener Vorgänge im täglichen Leben einsetzen. Die rechnergesteuerte Überwachung von Arbeitsprozessen oder die Verwirklichung einer Lesehilfe für Blinde sind nur zwei Beispiele von vielen, die der junge Mathematiker mit seiner Erfindung
2. Rang
Wolfgang Klemm (18), 2000 Hamburg 20 Volkmar Fölsch (19), 2000 Hamburg 20
Programmpaket zur Verarbeitung von natürlichen Sprachen
Aus ihrem Computer machen Wolfgang und Volkmar einen Übersetzer: Mit Hilfe eines Programmpaketes übertragt das elektronische Hilfsmittel Texte aus dem Englischen (Quellsprache) ins Deutsche (Zielsprache).
Der Dolmetscher, der "The Linguist" heißt, muß zunächst quosi ein englisch-deutsches Wörterbuch mit einem festgelegten Wortschatz "lernen", um dieser Aufgabe gewachsen zu sein. Danach arbeitet der Sprachexperte in drei Schritten: Er zerlegt einen Satz in seine Bestandteile, sucht die entsprechende Übersetzung und paßt schließlich das deutsche Wort in der grammatikalisch richtigen Form ein. Dafür haben Wolfgang und Volkmar dem Computer auch die deutschen Grammatikregeln eingepaukt.
Sowohl im Quellentext als auch in der Übersetzung kann der "Linguist" auf Knopfdruck zum Beispiel alle Sätze verneinen oder Haupt- und Nebensätze verbinden. Einsatzmöglichkeiten für diesen elektronischen Dolmetscher sehen die zwei Hamburger im Sprachunterricht, bei geschäftlicher Korrespondenz und bei der Übersetzung wissenschaftlicher Teste - nicht zuletzt aus dem Gebiet Informatik.
3. Rang
Klaus-Peter Zauner (17) 7070 Schwäbisch Gmünd Robert Drees (17) 7076 Waldstetten Arnim Wälder (17) 7071 Spraitbach, Baden-Württemberg
Simulation und Berechnung von Warteschlangen
Warteschlangen - sie sind der schnellen Wendigkeit des Tiers, von dem sie den Namen haben, genau konträr. Ob es sich um Menschen handelt, die auf Bedienung, aufs Weiterkommen warten, um Verkehrsballungen oder um Produktionsvorgänge, bei denen Engpässe entstehen: Zeit wird verloren, Energie vergeudet.
Die drei Schwaben haben sich nun eine Methode ausgedacht, wie solche Engpässe - auch "Flaschenhälse" genannt - vorausberechnet werden können. Ihr System, das den Computer zu Hilfe nimmt, kann auch die Maßnahmen gegen solche Engpässe überwachen. Mit ihm stellt sich dar, wie Warteschlangen entstehen, wo die neuralgischen Punkte sind, wie es zu Stauungen kommt. So kann der Computer möglicherweise vor Fehlinvestitionen warnen, unnötigen Energieverbrauch abbauen und so manchen Warteärger beseitigen helfen.
Übrigens kann jeder sich der Methode bedienen: Die drei jungen Forscher haben Wert darauf gelegt, daß nicht nur hochspezialisierte Fachleute damit umgehen können, sondern auch "Otto Normalverbraucher".
4. Rang
Colin Stahlke (17), 1000 Berlin 45
Die durch n Punkte der Ebene bestimmte Menge von Abständen
Wenn einem "normalen" Menschen eine Schachtel mit zum Beispiel Glasperlen herunterfällt und der Inhalt sich kunterbunt über den Fußboden verteilt, dann wird er sich vielleicht ärgern und die Perlen wieder zusammenräumen. Nicht jedoch ein Mathematiker wie Colin Stahlke. Der gerät nämlich ins Grübeln, beginnt die Kugeln als Punkte, den Fußboden als Ebene zu sehen und über die Beziehungen zwischen den Glasperlen, sprich: Punkten, zu sinnieren.
Drei Punkte in der Ebene können in einem gleichschenkligen Dreieck liegen und weisen dann alle den gleichen Abstand auf. Bei vier Punkten ist das schon nicht mehr möglich. Liegen sie beispielsweise so, daß sie die Eckpunkte eines Quadrats bilden, dann gibt es mindestens zwei verschiedene Abstände: nämlich die Seiten des Quadrates und die Diagonalen. Liegen drei Punkte ganz unregelmäßig verstreut, kann es gleich drei verschiedene Abstände geben, bei vier Punkten können es schon bis zu sechs sein. Bei noch mehr Punkten wird die Sache natürlich entsprechend komplizierter. Colin stellte nun eine Formel auf, die besagt, wie viele unterschiedliche Abstände bei einer bestimmten Zahl von beliebig in einer Ebene verteilten Punkten mindestens auftreten müssen. Dabei überflügelte er sein Mathematiker-Vorbild Paul Erdös, der sich bereits 1946 an dieser Frage versucht hatte - mit nicht ganz so guten Resultaten.
Doch damit nicht genug. Colin suchte - ebenfalls erfolgreich - nach einer weiteren Formel, die angibt, wie häufig der kleinste Abstand zwischen den Punkten maximal auftreten kann. Beim gleichschenkligen Dreieck wären es dreimal, bei vier Punkten fünfmal der Fall. Die Frage, wozu eine solche Gedankenspielerei gut sei, spielt Colin keine Rolle. Ihm macht die Mathematik einfach Spaß.
5. Rang
Jörg Steegmüller (18) 6745 Offenbach, Rheinland-Pfalz
Emulation des theoretischen Mikroprozessors SK 84
Den Umgang mit Computern lernen heute bereits die Kinder in der Schule. Programmieren ist für sie im wahrsten Sinne des Wortes ein "Kinderspiel". Gerade im Schulunterricht kommt allerdings die Erklärung der technischen Abläufe im Computer zu kurz. Das löst nach Jörgs Ansicht bei vielen immer noch eine gewisse Angst vor der Maschine aus, die ihre Arbeit auf scheinbar undurchschaubare Weise erledigt. Wer könnte die Abläufe im Prozessor, dem technischen Herz des Computers, besser beschreiben als der Computer selbst, fragte sich Jörg. Er entwickelte ein Programm, das die Funktionsweise eines Mikroprozessors aufrastert und auf diesem Weg einen Einblick in die internen Prozesse der Maschine gibt. Als sei es selbst der Mikroprozessor eines kleinen Rechners, lassen sich nun an seinem Ablauf sämtliche internen Abläufe und Zustände des Prozessors, beispielsweise die Registerinhalte und Signalleitungen, beobachten. Jörgs Programm gibt gleichzeitig einen Einblick in die Zusammenhänge zwischen Software und Hardware eines Computers. Dadurch macht er die schwierige und fast undurchsichtige Struktur und Arbeitsweise eines Mikroprozessors verständlich, und der Interessierte lernt die Reaktionen ,"seines" Computers besser zu verstehen.
Die restlichen Teilnehmer
Thomas Feeß (18), 8000 München 45, Bayern
Wenn Zahlen Achterbahn fahren
Es fängt ganz einfach an: Man nehme irgendeine natürliche Zahl. Ist sie ungerade, so multipliziere man mit 3 und addiere 1 hinzu. Ist der gewählte Startwert gerade, so teile man durch 2. Nach dieser Vorschrift verfahre man immer weiter. Das Ergebnis ist eine unendliche Folge von Zahlen. Diese Achterbahnfolgen haben es in sich, wie Thomas bei genauem Hinsehen feststellte. Ihre Elemente schwanken zwischen kleinen und großen Werten hin und her. Das Verhalten der Folge ist für beliebige Startzahlen kaum voraussagbar und noch sind manche Vermutungen unbewiesen.
Mit dem Computer als Testpilot unternahm Thomas zahlreiche Fahrten auf der Zahlenachterbahn. Er untersuchte das Auftreten von Perioden in den Zahlenfolgen. Für periodische Folgen konnte er Teilbarkeitsregeln und Periodenungleichungen herleiten. Weitere charakteristische Eigenschaften sind Maximum und Minimum, Amplitude und Dichte der Perioden. Systematisch entwickelte er eine Zahlentheorie für Achterbahnfolgen und stieß dabei immer wieder auf faszinierende Eigenschaften. Für Thomas Anregung zur weiteren Erforschung.
Götz Leibrock (17), 6797 Waldmohr, Saarland
Textverarbeitung mit dem Mikrocomputer
Für Götz, der schon seit 1980 bei "Schüler experimentieren" und "Jugend forscht" mitmacht und nie ohne Preis geblieben ist, ging es diesmal um den eigenen Nutzen: er wollte für seine Tätigkeit als Redakteur einer Schülerzeitschrift eine Methode finden, ohne große Mühe zu ordentlichen, druckreifen Manuskripten zu kommen. Dafür hat er ein Programm zur Verarbeitung beliebiger Texte mit dem Mikrocomputer entwickelt.
Götz hat sein Programm in zwei Teile gegliedert: Der Editor ermöglicht die komfortable Eingabe und Korrektur der Texte ohne Rücksicht auf ihre spätere Gestalt. Sie werden dann vom Druckprogramm ins rechte Format gebracht und über den Drucker ausgegeben.
Die Neuartigkeit der Lösung liegt dabei in der kombinierten Programmierung in Basic und Maschinensprache - ein Kompromiß, der auch nach Meinung der saarländischen Jury zweckmäßig ist: Der Komfort der Hochsprache wird mit dem Geschwindigkeitsvorteil des teilweise angewendeten Maschinencodes kombiniert.
Die Möglichkeiten der "Gestaltsgebung" sind bei dieser Methode groß - von linksbündig bis rechtsbündig können die Manuskripte formatiert werden. Das Einfügen von Leerzeichen in den Text ermöglicht Bündigkeit auf beiden Seiten.
Erik Meißner (18), 6238 Hofheim, Hessen
Computerhilfe beim Schaltungsentwurf
Eine Computer-Zeitschrift gab den Anstoß für diese Jufo-Arbeit. Im Blatt wurde ein Leiterplatten-Layout-Programm für einen handelsüblichen Heimcomputer beschrieben. Das Programm beinhaltete einen relativ einfachen Editor für das Eingeben der Bauteile und deren Verbindungen.
Erik wollte nun die ganze Prozedur insofern vereinfachen, daß man direkt Typenbezeichnungen von Bauelementen eingeben konnte und nicht mit einzelnen Lötpunkten hantieren mußte. Der Computer bestimmte dann automatisch Funktion und Bauform des gewünschten Bausteins. Als Programmiersprache wurde "Forth" gewählt, mit der sich das Programm später ausbauen läßt.
Alexander Tent (16), 5253 Lindlar, Nordrhein-Westfalen
Primzahlen und Teiler
Alexanders Versuch, einen Beweis für den Primzahlensatz zu finden, hört sich für den Laien sehr theoretisch an. Tatsächlich handelt es sich hier um eines der kompliziertesten zahlentheoretischen Probleme überhaupt, und da Alexander kaum über Literatur verfügte, hat er seinen Beweis weitgehend selbständig und ohne Hilfsmittel durchgeführt. Was ihn zu diesem Jufo-Beitrag veranlaßte, erläutert Alexander folgendermaßen: "Den Primzahlensatz, der eine Behauptung darüber aufstellt, wie sich die Anzahl der Primzahlen zwischen Null und einer möglichst großen Zahl berechnen lößt, sah ich bei einem Lehrer in einem Buch. Es ist der faszinierendste Satz, dem ich je begegnet bin, und es hat mich gereizt, einen Beweis dafür zu führen. Das ist mir zwar nicht endgültig gelungen, aber ich habe den Beweis entscheidende Schritte weitergebracht." Neben dem Beweis für den Primzahlsatz führte er noch zwei weitere Beweise: Er konnte zeigen, daß die durchschnittliche Zahl der Teiler einer Zahl zwischen Null und einer sehr hohen Zahl gleich dem Logarithmus der sehr hohen Zahl ist und führte einen Beweis über die durchschnittliche Anzahl von Primfaktoren jeder Zahl bei der Betrachtung einer sehr großen Zahlenspanne.
Fachgebiet Technik
(nur DV-bezogene Arbeiten)
4. Rang
Heiko Purnhagen (16), 2800 Bremen, Bremen
1-Bit-Spracherkennung
Der Heimcomputer hört auf Heikos Kommandos. Die Hardware des Spracherkennungssystems besteht aus einem Mikrophon, einem Verstärker und einem 1-Bit-Analog-Digital-Wandler. Mit Hilfe von Programmen speichert der Computer die Frequenzmuster von 32 Wörtern in seinem "Hirn". Nach diesem Unterricht erkennt er ein gesprochenes Wort mit 90prozentiger Sicherheit wieder - und das in nur 0,3 Sekunden. Damit der Computer bei einer Unterhaltung kein unerwünschtes Wort aufschnappt, versetzt Heiko das Gerät mit dem Befehl "Einschlafen" in einen Wartezustand: Er hört nichts mehr, bis ihn ein bestimmtes Wort wieder aufweckt.
Mit diesem einfachen und preiswerten Spracherkennungssystem baute der Bremen
Schüler eine Steuerung für sieben Geräte. Damit könnten Behinderte durch Zuruf zum Beispiel ihr Radio ein- und ausschalten oder das Licht regulieren. Der entsprechende Befehl lautet in der von Heiko selbst entwickelten Kommandosprache: "Licht eins, Intensität zwei, o.k."
Michael Weidner (19), 6800 Mannheim 1, Rheinland-Pfalz
Automatischer Telefonanrufbeantworter mit digitaler Sprachverarbeitung ohne einen Eingriff in das Postnetz
Wer kennt nicht die Visionen aus Science-fiction-Geschichten, in denen ein Anrufer nicht mehr mit einem menschlichen Partner, sondern mit einem Computer spricht. Michaels "Catam" - Computer Aided Telephone Answering Machine - bringt uns dieser Vision ein ganzes Stück näher. Catam wird einfach anstelle des Telefonhörers auf den Telefonapparat aufgelegt und der Hörer mit einem Akustikkoppler verbunden. Wenn es jetzt klingelt, meldet sich die vom Sprechgenerator erzeugte Computerstimme zur freundlichen Begrüßung des Anrufers und teilt ihm beispielsweise mit, daß er eine Nachricht hinterlassen kann. Erhält der Computer keine Antwort, wartet er eine gewisse Zeit und legt dann auf. Spricht der Anrufer, wird die Antwort "digitalisiert", also für den Computer lesbar gemacht und abgespeichert. Die Speicherung erfolgt in einem vorgeschalteten Mikrocomputer, der sozusagen der Kopf des Catam ist. Von ihm gehen alle Programme, Daten und Befehle an Catam aus. Gleichzeitig ermöglicht diese Kombination ein breites Anwendungsspektrum von Catam, beispielsweise ein telefonisches Abhören der Gespräche, die Catam gespeichert hat.
Michael Richard Ristow (18), 2400 Lübeck Dirk Graudenz (19), 2200 Elmshorn, Schleswig-Holstein
Entwicklung eines Semi-closedloop-lnfusers (SCL I) für Insulin-Therapie bei Diabetes mellitus (Typ I)
Nicht um einen modernen Spielbetrieb zu befriedigen, sondern sinnvolle Hilfe für Kranke zu leisten, nutzten Dirk und Michael zielbewußt die Möglichkeiten der Computertechnik. Sie entwickelten ein Insulin-Infusions-System, das teilweise die Funktion einer künstlichen Bauchspeicheldrüse erfüllen kann. Der Diabetiker gibt alle 24 Stunden seinen individuellen Tagesablauf in einen Mikrocomputer ein, der dann einen Insulininfuser so programmiert, daß er dem Erkrankten zu einem normalen Blutzuckerspiegel verhilft. Die beiden Jungforscher veränderten eine herkömmliche Insulinpumpe so, daß sie die vom Mikrocomputer gelieferten Daten verarbeiten und die Insulinabgabe steuern kann. Die gesamte Apparatur ist von geringer Größe und leicht zu tragen. Das Programm besteht aus einem Eingabeteil für die ärztliche Einstellung, einem Berechnungs- und Steuerungsteil sowie einem Protokollteil.
Erste Therapieversuche konnten die beiden jungen Medizin-Techniker und Computer-Freaks bereits erfolgreich abschließen.
Richard Bader (18), 8000 München 50, Bayern
Ein Gerät zur Digitalisierung von Bildern
Bilder sind zum Auschauen da, Computer zum schnellen Verarbeiten von Daten. Digitale Bildverarbeitung vereinigt beides. Der gesamte Informationsgehalt eines Bildes wird beim Digitalisieren in eine Folge von Nullen und Einsen verwandelt. Dieser Zahlensalat ermuntert den Rechner zu weiteren Taten. Das Bild kann per Kabel oder Antenne übertragen werden und am Empfangsort in Sekundenschnelle ausgegeben werden. Die Anfangshürde und zugleich das schwerste Hindernis auf dem Weg zur digitalen Bildverarbeitung ist das Umsetzen des Papierbildes in eine Zahlenreihe. Eine Videokamera, die eleganteste Lösung, hätte Richards Etat und den Speicher seines Rechners gesprengt. Der Jugenforscher verfiel auf ein einfacheres Prinzip. Auf einer rotierenden Trommel ist ein Bild eingespannt. Ein optisches System tastet das Bild seiner Breite nach ab. Bei Schriften und Grafiken wird jeder Bildpunkt entweder als Schwarz oder als Weiß erkannt. Die Grautonabtastung von Bildern ordnet jedem Ausschnitt eine Graustufe zu, die als eine mehr oder weniger große Anzahl von schwarzen Punkten realisiert wird. Der Computer steuert mit Richards Programm die Aufzeichnung des Bildes und die Abspeicherung der Information in digitaler Form. Wenn das Bild "im Kasten" ist, kann es der Rechner über Bildschirm oder Drukker erneut ausspucken. Er kann das Bild spiegeln, vergrößern oder verkleinern und Ausschnitte zeichnen. Bei Texten eignet sich das Verfahres zur Klarschriftanalyse. Richard hat dem Computer beigebracht, wie man einzelne Buchstaben erkennt, so daß sein Helfer jetzt vom Blatt lesen kann.