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.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. Die Interessenschwerpunkte des PhD-Studenten sind Algorithmik und Graphentheorie. 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.Stefan Neubert hat zahlreiche Informatik-Workshops und -Camps für Schülerinnen und Schüler 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 arbeit, komplexe Themen verständlich zu machen. Der PhD-Student am Hasso-Plattner-Institut schätzt sein Fach auch dafür, dass es Kreativität und Teamfähigkeit erfordert, obwohl das vielleicht oft nicht vermutet wird. Schüler wie Leser schätzen seine verständliche Sprache und anschaulichen Beispiele - vor allem dann, wenn es anspruchsvoller wird.

Mit vielen Beispielen, Knobeleien, Übungen und Lösungen

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



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



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



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



5. Komplexität ... 104


5.1 ... Schokolade aufteilen ... 105

5.2 ... Verschiedene Wege führen zum Ziel ... 106

5.3 ... Eingabegröße ... 107

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



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 ... 131

6.5 ... Noch schneller sortieren ... 133

6.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 136



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



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



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



10. Formale Sprachen ... 196


10.1 ... Sätze erzeugen ... 197

10.2 ... Grammatiken ... 198

10.3 ... Automaten ... 202

10.4 ... Sprachen und Mengenoperationen ... 206

10.5 ... Reguläre Ausdrücke ... 208

10.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 210



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



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 ... 247

12.5 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 251



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 ... 278

13.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 282



14. Computer ... 288


14.1 ... Addieren auf Hardware-Ebene ... 289

14.2 ... Logische Schaltungen ... 290

14.3 ... Hardware-Komponenten und ihr Zusammenspiel ... 293

14.4 ... Betriebssysteme ... 296

14.5 ... Betriebssystemunabhängigkeit ... 301

14.6 ... Virtuelle Computer ... 302

14.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 303



15. Netzwerke ... 308


15.1 ... Die Post des Kanzleramts ... 309

15.2 ... Eine mögliche Lösung für die Poststelle ... 309

15.3 ... Netzwerke ... 311

15.4 ... Internetstruktur ... 314

15.5 ... Einheitliche Kommunikation ... 318

15.6 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 321



16. Verschlüsselung ... 326


16.1 ... Fdhvdu ... 327

16.2 ... Warum verschlüsseln? ... 328

16.3 ... Symmetrische Verschlüsselung ... 328

16.4 ... Asymmetrische Verschlüsselung ... 329

16.5 ... Hybridverfahren ... 332

16.6 ... Verschlüsselungen knacken ... 332

16.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 334



17. Softwareentwicklung ... 338


17.1 ... Algorithmus vs. Software ... 339

17.2 ... Die Werkzeuge eines Softwareentwicklers ... 341

17.3 ... Große Probleme lösen ... 343

17.4 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 345



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 ... 352

18.6 ... Versionsverwaltung ... 353

18.7 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 358



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



20. Hands-on: Programmieren mit Python ... 378


20.1 ... Die Programmiersprache Python ... 379

20.2 ... Hallo Leser ... 380

20.3 ... Variablen ... 381

20.4 ... Klassen, Objekte und Methoden ... 382

20.5 ... Datentypen ... 386

20.6 ... Kontrollstrukturen ... 393

20.7 ... Fehlersuche ... 396

20.8 ... Eine kleine Werkzeugkiste ... 398



21. Ethik in der Informatik ... 404


21.1 ... Recht und Ordnung ... 405

21.2 ... Informatik in der Wirtschaft ... 407

21.3 ... Der Wert persönlicher Daten ... 409

21.4 ... Gemeingüter und Open Source ... 412

21.5 ... Vertrauen in Informationen ... 415

21.6 ... Verantwortung für Technologie ... 416

21.7 ... IT-Gerechtigkeit ... 419

21.8 ... Der technisierte Mensch ... 420

21.9 ... Zusammenfassung und Einordnung ... 422



22. Extro ... 424


22.1 ... Wie wird man Informatiker*in? ... 425

22.2 ... Ressourcen ... 430

22.3 ... Wie geht es weiter? ... 430



Index ... 433