Aufgabenblatt 4

angabe/Aufgabenblatt4.md

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+# Aufgabenblatt 4
+
+## Allgemeine Anmerkungen
+Ihre Lösung für dieses Aufgabenblatt ist bis Montag, 2.5. 11h durch `git commit` und `push`
+abzugeben. Mit der Angabe werden die Dateien `CosmicSystem.java`, `Drawable.java`, 
+`NamedBodyForcePair.java`, `HierarchicalSystem.java`, `Simulation4.java` und `Aufgabe4Test.java` 
+mitgeliefert.
+
+Wenn Sie zusätzlich zu den gefragten Klassen weitere Klassen definieren, achten Sie darauf, dass
+die Klassennamen mit `My` beginnen, um Konflikte mit späteren Aufgabenblättern zu vermeiden.
+
+## Ziel
+Ziel der Aufgabe ist die Anwendung der Konzepte: Interfaces, dynamisches Binden, toString() 
+(siehe Skriptum Seite 75-84).
+
+## Beschreibung der gegebenen Dateien
+
+- [CosmicSystem](../src/CosmicSystem.java) ist ein gegebenes Interface, das von den Klassen
+`NamedBodyForcePair` und `HierarchicalSystem` implementiert wird. Mithilfe dieses lässt sich somit eine
+Hierarchie von Systemen und Subsystemen beschreiben. Unser Sonnensystem ist ein Beispiel eines Systems,
+das mehrere Teilsysteme beinhaltet. Ein solches Teilsystem ist beispielsweise das System Erde und Erdmond.
+Ein anderes Teilsystem wäre Jupiter mit seinen Monden. Verändern Sie dieses Interface nicht.
+- [Drawable](../src/Drawable.java) wird von `CosmicSystem` verwendet. Verändern Sie dieses Interface 
+nicht.
+- [NamedBodyForcePair](../src/NamedBodyForcePair.java) ist das Gerüst für eine Klassendefinition.
+Die Klasse implementiert `CosmicSystem` und repräsentiert einen einzelnen benannten Himmelskörper
+ (z.B. "Mars") zusammen mit der auf ihn wirkenden Kraft.
+- [HierarchicalSystem](../src/HierarchicalSystem.java) ist das Gerüst für eine Klassendefinition.
+Die Klasse implementiert `CosmicSystem`und repräsentiert ein System von Himmelskörpern (z.B.
+Sonnensystem) bestehend aus einem zentralen Himmelskörper und beliebig vielen Untersystemen in
+dessen Orbit. Für alle Himmelskörper werden die Kräfte, die auf diese jeweils wirken, mitverwaltet.
+- [Simulation4](../src/Simulation4.java) ist ein Gerüst für eine ausführbare Klasse. Hier soll
+die Simulation analog zur Klasse `Simulation` implementiert werden (damit Sie Ihre [ursprüngliche
+ Datei](../src/Simulation.java) nicht überschreiben müssen).
+- [Aufgabe4Test](../src/Aufgabe4Test.java) ist eine vorgegebene Klasse, die Sie zum Testen Ihrer
+Implementierung verwenden sollten. Bei einer fehlerfreien Implementierung sollten bei der
+Ausführung dieser Klasse keine Exceptions geworfen werden und alle Tests als erfolgreich ("successful") 
+ausgegeben werden. Entfernen Sie die Kommentarzeichen, um diese Klasse verwenden zu können. Sie 
+müssen diese Klasse nicht weiter verändern, können aber eigene Testfälle hinzufügen.
+
+## Aufgaben
+
+Ihre Aufgaben sind folgende:
+
+**1. Implementierung von `CosmicSystem` in `NamedBodyForcePair`:**
+ Fügen Sie in der Klasse `Body` eine öffentliche Methode `massCenter()` hinzu, die die
+ Position des Himmelskörpers liefert.
+ Definieren Sie die Klasse `NamedBodyForcePair` so, dass sie das Interface `CosmicSystem` 
+ implementiert. Die Methoden `getMass()` und `getMassCenter()` geben lediglich die Masse bzw.
+ Position des Himmelskörpers zurück.
+
+**2. Implementierung von `CosmicSystem` in `HierarchicalSystem`:**
+
+ Definieren Sie die Klasse `HierarchicalSystem` so, dass sie das Interface `CosmicSystem` implementiert.
+ Die Klasse repräsentiert ein hierarchisch aufgebautes kosmisches System von Himmelskörpern.
+ Ein solches System besteht aus einem zentralen Himmelskörper und beliebig vielen weiteren
+ kosmischen Systemen, die sich im Orbit um diesen zentralen Himmelskörper befinden. Neben der
+ Spezifikationen in `CosmicSystem` beachten Sie bitte folgende spezielle Anforderungen und Hinweise
+ für die Implementierung:
+
+- `toString()`: diese Methode soll eine textuelle Beschreibung der Hierarchie von Himmelskörpern
+und Subsystemen liefern. Dafür wird der Namen des zentralen Himmelskörpers eines Systems
+gefolgt von den Objekten im Orbit jeweils in {}-Klammern repräsentiert. Beispiel:
+
+    `"Sun {Mercury, Venus, Earth {Moon} , Mars {Deimos, Phobos} , Vesta, Pallas, Hygiea, Ceres}"`
+
+- `numberOfBodies()`: diese Methode liefert die Gesamtanzahl aller Himmelskörper (nicht Systeme)
+im System bzw. Himmelskörper, das heißt alle Objekte vom Typ `NamedBodyForcePair`. Das oben genannte
+Beispiel-System besteht z.B. aus 12 Himmelskörpern, das Mars-System im Orbit der Sonne jedoch nur
+aus 3.
+
+- `getMass()`: diese Methode liefert die Summe der Massen aller Himmelskörper im System.
+
+- `getMassCenter()`: diese Methode liefert den Schwerpunkt aller Himmelskörper im System. Dieser
+entspricht dem mit den Massen gewichteten Mittelwert aller Positionen, es müssen daher alle Positionen
+mit der jeweiligen Masse multipliziert und aufsummiert werden und das Resultat durch die Summe aller
+Massen dividiert werden. Nutzen Sie dafür die bereits implementierten Rechenoperationen in `Vector3`.
+
+- `addForceFrom(Body b)` aktualisiert für jedes `NamedBodyForcePair`-Objekt in `this` die Kraft,
+indem die von `b` auf das `NamedBodyForcePair`-Objekt ausgeübte Kraft zur Kraft hinzuaddiert wird.
+
+- `addForceTo(CosmicSystem cs)` aktualisiert für jedes `NamedBodyForcePair`-Objekt in `cs` die
+Kraft, indem alle Kräfte die von Körpern aus `this` auf das `NamedBodyForcePair`-Objekt
+ausgeübt werden, zur Kraft im Objekt hinzuaddiert werden. Beispiel: Die
+Anweisung `cs.addForce(cs)` aktualisiert alle wechselseitigen im System `cs` wirkenden Kräfte.
+
+- `update()` führt auf Basis der gespeicherten Kräfte alle Bewegungen im System `this` durch und 
+setzt danach alle Kräfte wieder auf den null-Vektor zurück.
+
+- `getBodies()` liefert eine Liste (Typ: `BodyLinkedList`) mit allen Himmelskörpern aus `this`.
+
+**3. Implementierung von `Simulation4`:**
+
+Implementieren Sie die Simulationsschleife unter Verwendung eines Objekts vom Typ 
+`HierachicalSystem`. Alle Berechnungen sollen mittels Methoden von `CosmicSystem` durchgeführt
+werden.
+
+### Hinweise: ###
+
+- Nutzen Sie für die Implementierung dieser Methoden Rekursion sowie das Konzept des _dynamischen Bindens_.
+Da `NamedBodyForcePair` und `HierarchicalSystem` Untertypen von `CosmicSystem` sind, haben sie
+jeweils eine eigene Implementierung der in `CosmicSystem` definierten Methoden und es wird zur
+Laufzeit entschieden, von welchem dynamischen Typ ein Objekt ist und welche Methode somit ausgeführt
+wird. Sie dürfen hier keine Typumwandlungen (Casts) und auch nicht die Methoden `getClass()` und
+`instanceOf()` verwenden.
+
+- Es ist möglich, aber nicht verlangt, `addForceTo(CosmicSystem cs)` ohne Verwendung von
+`getBodies()` zu implementieren. Dazu kann in `addForceTo(CosmicSystem cs)` der Zugriff auf
+die eizelnen Körper in `cs` dadurch erreicht werden, dass `this` für alle seine Himmelskörper
+und Untersysteme `addForceTo(cs)` aufruft. Wird beim rekursiven Abstieg ein einzelner Himmelskörper
+erreicht (Blattknoten) ruft dieser `cs.addForceFrom(this)` auf.
+
+- Achten Sie bei der Berechnung der Kräfte in `addForceFrom(Body b)` darauf, dass die Kraft nicht 
+verändert wird, wenn `this` und `b` derselbe Himmelskörper sind.
+
+#### _Punkteaufteilung_
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+- Implementierung von `CosmicSystem` in `NamedBodyForcePair`: 1.5 Punkte
+- Implementierung von `CosmicSystem` in `HierarchicalSystem`: 2.5 Punkte
+- Implementierung von `Simulation4`: 1 Punkte
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+- Gesamt: 5 Punkte
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