Boockmeyer / Fischbeck / Neubert Fit fürs Studium – Informatik

3. Auflage 2025
ISBN: 978-3-367-10856-5
Verlag: Rheinwerk
Format: PDF
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 446 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

So gelingt der Einstieg ins Informatikstudium! Schließen Sie Wissenslücken, die Ihnen im Studium das Leben schwer machen könnten. Dieser Vorkurs präsentiert Ihnen alles Wesentliche Schritt für Schritt, anschaulich und zum Mitmachen. Jedes Kapitel beginnt mit einer Knobelei, die Sie ohne Vorkenntnisse lösen können und die zu einem der Grundkonzepte der Informatik führt. Der Computer kann dabei meist ausgeschaltet bleiben - um einen Algorithmus zu entwerfen, in formale Sprachen einzusteigen oder die Grundlagen der Verschlüsselung zu verstehen, reichen Papier, Bleistift und dieses Buch.
Die Autoren kennen typische Verständnishürden und gehen auch die schwierigen Themen mit Schwung und didaktischem Feingefühl an. Diagramme, Beispiele und Aufgaben mit Lösungen helfen, alles zu verstehen. Mit Grundkenntnissen zu Rechnerarchitekturen, Algorithmen und ihrer Komplexität, formalen Sprachen, objektorientierter Programmierung u. v. m. gehen Sie gut vorbereitet an die Hochschule.

Aus dem Inhalt:

• Algorithmen und ihre Komplexität
• Formale Sprachen
• Rechnerarchitektur
• Datenstrukturen und Codierung
• Wichtiges aus der Mathematik
• Reguläre Ausdrücke
• Verschlüsselung
• Softwareentwicklung im Team
• Künstliche Intelligenz
• Betriebssysteme und Compiler
• Praxiseinstieg in Programmierung mit Java
• Wie werde ich Informatiker?

Arne Boockmeyer ist Doktorand an der Professur für Betriebssysteme und Middleware am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam. Er befasst sich mit der Didaktik des Faches Informatik, unterrichtet und betreut Studierende in allen Ebenen des Studiums und forscht im Bereich der Bahn-Digitalisierung und (Co-)Simulation. Er begeistert regelmäßig Schüler für die Informatik und freut sich immer, wenn er seine Faszination weitergeben kann.

Autoren/Hrsg.

Boockmeyer, Arne

Fischbeck, Philipp

Neubert, Stefan

Inhaltsverzeichnis

Geleitwort ... 17  Intro ... 19  1.  Algorithmen ... 28  1.1 ... Wo ist der Ausgang des Labyrinths? ... 29  1.2 ... Was ist ein Algorithmus? ... 30  1.3 ... Wie wird ein Algorithmus notiert? ... 32  1.4 ... Schleifen ... 35  1.5 ... Verzweigungen ... 37  1.6 ... Logische Aussagen ... 39  1.7 ... Funktionen ... 43  1.8 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 44  1.9 ... Aufgaben ... 45  1.10 ... Lösungen ... 46  2.  Zahlen und Kodierungen ... 50  2.1 ... Gib mir 31! ... 51  2.2 ... Zahlensysteme und Einheiten ... 52  2.3 ... Kodierungen ... 56  2.4 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 62  2.5 ... Aufgaben ... 63  2.6 ... Lösungen ... 64  3.  Datenstrukturen ... 68  3.1 ... Speicherung gleicher Daten ... 69  3.2 ... Geordnete Daten ... 69  3.3 ... Ungeordnete Daten ... 75  3.4 ... Datenzuordnungen ... 77  3.5 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 78  3.6 ... Aufgaben ... 80  3.7 ... Lösungen ... 81  4.  Einfache Sortieralgorithmen ... 84  4.1 ... Bücher sortieren ... 85  4.2 ... Selection Sort ... 86  4.3 ... Insertion Sort ... 91  4.4 ... Bubble Sort ... 93  4.5 ... Ordnungen ... 96  4.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 97  4.7 ... Aufgaben ... 98  4.8 ... Lösungen ... 99  5.  Komplexität ... 104  5.1 ... Schokolade aufteilen ... 105  5.2 ... Verschiedene Wege führen zum Ziel ... 106  5.3 ... Eingabegröße ... 106  5.4 ... Messen der Laufzeit ... 108  5.5 ... Berechnen der Laufzeit ... 108  5.6 ... Die Landau-Notation ... 111  5.7 ... Typische Laufzeiten ... 114  5.8 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 116  5.9 ... Aufgaben ... 118  5.10 ... Lösungen ... 119  6.  Effizientere Sortieralgorithmen ... 122  6.1 ... Sortieren im Team ... 123  6.2 ... Merge Sort ... 123  6.3 ... Quick Sort ... 128  6.4 ... Rekursion und Divide and Conquer ... 130  6.5 ... Noch schneller sortieren ... 133  6.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 135  6.7 ... Aufgaben ... 137  6.8 ... Lösungen ... 138  7.  Suchen ... 144  7.1 ... Finden und Sortieren ... 145  7.2 ... Lineare Suche ... 145  7.3 ... Binäre Suche ... 148  7.4 ... Suchbäume ... 151  7.5 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 158  7.6 ... Aufgaben ... 159  7.7 ... Lösungen ... 160  8.  Backtracking und dynamische Programmierung ... 164  8.1 ... Das Kistenproblem ... 165  8.2 ... Die perfekte Kiste ... 165  8.3 ... Branch and Bound ... 167  8.4 ... Dynamische Programmierung ... 168  8.5 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 170  8.6 ... Aufgaben ... 171  8.7 ... Lösungen ... 172  9.  Graphen ... 176  9.1 ... Morgendliches Anziehen ... 177  9.2 ... Verknüpfte Daten ... 178  9.3 ... Varianten von Graphen ... 179  9.4 ... Suchen und Bewegen in Graphen ... 182  9.5 ... Eigenschaften von Graphen ... 187  9.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 190  9.7 ... Aufgaben ... 191  9.8 ... Lösungen ... 193

10.  Formale Sprachen ... 196  10.1 ... Sätze erzeugen ... 197  10.2 ... Grammatiken ... 198  10.3 ... Automaten ... 201  10.4 ... Sprachen und Mengenoperationen ... 205  10.5 ... Reguläre Ausdrücke ... 208  10.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 210  10.7 ... Aufgaben ... 211  10.8 ... Lösungen ... 212

11.  Modellierung ... 216  11.1 ... Das Vereinsfest ... 217  11.2 ... Modellierung und Modelle ... 217  11.3 ... Problemmodellierung ... 219  11.4 ... Prozessmodellierung ... 220  11.5 ... Strukturmodellierung ... 223  11.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 226  11.7 ... Aufgaben ... 228  11.8 ... Lösungen ... 229

12.  Datenbanken ... 232  12.1 ... Max' Lieblingsfilme ... 233  12.2 ... Strukturierte Datenspeicherung ... 235  12.3 ... Operationen auf Datenbanken ... 239  12.4 ... Empfohlene Strukturierung von Daten ... 246  12.5 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 250  12.6 ... Aufgaben ... 252  12.7 ... Lösungen ... 255

13.  Künstliche Intelligenz ... 260  13.1 ... Mensch gegen Maschine ... 261  13.2 ... Was ist Intelligenz? ... 262  13.3 ... Nachgeahmte Intelligenz ... 265  13.4 ... Maschinelles Lernen ... 272  13.5 ... Anwendungsfelder ... 281  13.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 285  13.7 ... Aufgaben ... 287  13.8 ... Lösungen ... 288

14.  Computer ... 290  14.1 ... Addieren auf der Hardware-Ebene ... 291  14.2 ... Logische Schaltungen ... 292  14.3 ... Hardware-Komponenten und ihr Zusammenspiel ... 295  14.4 ... Betriebssysteme ... 298  14.5 ... Betriebssystemunabhängigkeit ... 303  14.6 ... Virtuelle Computer ... 304  14.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 305  14.8 ... Aufgaben ... 307  14.9 ... Lösungen ... 308

15.  Netzwerke ... 310  15.1 ... Die Post des Kanzleramts ... 311  15.2 ... Eine mögliche Lösung für die Poststelle ... 311  15.3 ... Netzwerke ... 313  15.4 ... Internetstruktur ... 316  15.5 ... Einheitliche Kommunikation ... 320  15.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 323  15.7 ... Aufgaben ... 324  15.8 ... Lösungen ... 325

16.  Verschlüsselung ... 328  16.1 ... Fdhvdu ... 329  16.2 ... Warum verschlüsseln? ... 329  16.3 ... Symmetrische Verschlüsselung ... 330  16.4 ... Asymmetrische Verschlüsselung ... 331  16.5 ... Hybridverfahren ... 333  16.6 ... Verschlüsselungen knacken ... 334  16.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 336  16.8 ... Aufgaben ... 337  16.9 ... Lösungen ... 338

17.  Softwareentwicklung ... 340  17.1 ... Algorithmus vs. Software ... 341  17.2 ... Die Werkzeuge in der Softwareentwicklung ... 343  17.3 ... Große Probleme lösen ... 345  17.4 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 347

18.  Teamarbeit ... 348  18.1 ... Konflikte ... 349  18.2 ... Warum Teams? ... 350  18.3 ... Softwareentwicklung im Team ... 350  18.4 ... Kommunikation in Teams ... 351  18.5 ... Aufgabenverwaltung und Kommunikationswerkzeuge ... 353  18.6 ... Versionsverwaltung ... 354  18.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 358  18.8 ... Aufgaben ... 360  18.9 ... Lösungen ... 361

19.  Fehler ... 362  19.1 ... Auf Fehlersuche ... 363  19.2 ... Warum ist Software fehlerhaft? ... 364  19.3 ... Bugs ... 365  19.4 ... Verschiedene Fehlerarten ... 365  19.5 ... Techniken zur Fehlervermeidung ... 371  19.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 374  19.7 ... Aufgaben ... 375  19.8 ... Lösungen ... 376

20.  Hands-on: Programmieren mit Python ... 378  20.1 ... Die Programmiersprache Python ... 379  20.2 ... Hallo Leser*in ... 380  20.3 ... Variablen ... 381  20.4 ... Klassen, Objekte und Methoden ... 382  20.5 ... Datentypen ... 386  20.6 ... Kontrollstrukturen ... 393  20.7 ... Fehlersuche ... 397  20.8 ... Eine kleine Werkzeugkiste ... 398  20.9 ... Aufgaben ... 399  20.10 ... Lösungen ... 400

21.  Ethik in der Informatik ... 404  21.1 ... Recht und Ordnung ... 405  21.2 ... Informatik in der Wirtschaft ... 408  21.3 ... Der Wert persönlicher Daten ... 410  21.4 ... Gemeingüter und Open Source ... 412  21.5 ... Vertrauen in Informationen ... 415  21.6 ... Verantwortung für Technologie ... 416  21.7 ... IT-Gerechtigkeit ... 420  21.8 ... Die technisierte Gesellschaft ... 421  21.9 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 423

22.  Extro ... 424  22.1 ... Wie wird man Informatiker*in? ... 424  22.2 ... Ressourcen ... 430  22.3 ... Wie geht es weiter? ... 430  Index ... 433

Über Autor(innen)

Fischbeck, Philipp
Philipp Fischbeck kennt typische Hürden beim Lernen aus seiner Arbeit mit Jugendlichen in Schüler*innen-Workshops und mit Studierenden als Tutor und Dozent am Hasso-Plattner-Institut. Dort schloss er seine Promotion mit den Schwerpunkten Algorithmik und Graphentheorie ab. Er ist immer wieder begeistert, wenn sich schwierige Themen und Techniken nach etwas Einarbeitungszeit meistern lassen. Wer sich vom Spaß am Problemlösen und Rätseln anstecken lassen möchte, ist bei ihm richtig.

Boockmeyer, Arne
Arne Boockmeyer ist Doktorand an der Professur für Betriebssysteme und Middleware am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam. Er befasst sich mit der Didaktik des Faches Informatik, unterrichtet und betreut Studierende in allen Ebenen des Studiums und forscht im Bereich der Bahn-Digitalisierung und (Co-)Simulation. Er begeistert regelmäßig Schüler für die Informatik und freut sich immer, wenn er seine Faszination weitergeben kann.

Neubert, Stefan
Stefan Neubert hat zahlreiche Informatik-Workshops und -Camps für Schüler*innen entwickelt und durchgeführt. Studierende im Bachelor-Studiengang haben seine langjährige Tätigkeit in der Lehrveranstaltung "Theoretische Informatik" mit einem Lehrpreis belohnt, weil er mit Leidenschaft dafür arbeitet, komplexe Themen verständlich zu machen. Inzwischen arbeitet er als Program Manager für den Bachelor-Studiengang am Hasso-Plattner-Institut, wo er zuvor auch studiert, unterrichtet und geforscht hat. An der Informatik schätzt er besonders, dass sie Kreativität und Teamfähigkeit erfordert, obwohl das vielleicht oft nicht vermutet wird. Lernende schätzen seine verständliche Sprache und anschaulichen Beispiele – vor allem dann, wenn es anspruchsvoller wird.