Datenstrukturen und Algorithmen - Grundlegende Datenstrukturen und Algorithmen kennenlernen und anwenden - M - Kompetenzraster Informatik
Datenstrukturen und Algorithmen - Grundlegende Datenstrukturen und Algorithmen kennenlernen und anwenden - M - Kompetenzraster Informatik
Grundlegende Datenstrukturen und Algorithmen |
Einleitung
In diesem aiMOOC beschäftigen wir uns mit den grundlegenden Datenstrukturen und Algorithmen. Datenstrukturen sind ein zentraler Bestandteil der Informatik. Sie ermöglichen es, Daten effizient zu speichern, zu organisieren und darauf zuzugreifen. Algorithmen hingegen sind Verfahren oder Vorschriften zur Lösung von Problemen oder zur Bearbeitung von Daten. Beide, Datenstrukturen und Algorithmen, bilden das Fundament für effiziente und leistungsfähige Softwareentwicklung. Dieser Kurs führt dich durch die wichtigsten Konzepte, von einfachen Strukturen wie Listen und Stacks bis hin zu komplexeren Strukturen wie Bäumen und Graphen. Außerdem lernst du grundlegende Algorithmen zur Datenmanipulation, -suche und -sortierung kennen.
Grundlegende Datenstrukturen
Arrays
Arrays sind die einfachsten und am weitesten verbreiteten Datenstrukturen. Sie speichern Elemente in einer festen Reihenfolge und ermöglichen den schnellen Zugriff auf jedes Element über einen Index.
Verkettete Listen
Eine verkettete Liste ist eine Sammlung von Elementen, die Knoten genannt werden. Jeder Knoten enthält Daten und einen Verweis (Link) auf den nächsten Knoten in der Liste.
Stacks und Queues
Stacks (Stapel) und Queues (Warteschlangen) sind spezialisierte Datenstrukturen, die für bestimmte Szenarien optimiert sind. Stacks folgen dem Prinzip "zuletzt rein, zuerst raus" (LIFO), während Queues dem Prinzip "erst rein, erst raus" (FIFO) folgen.
Bäume
Bäume sind hierarchische Datenstrukturen, die Elemente in einem verzweigten System speichern. Sie bestehen aus Knoten, die durch Kanten verbunden sind.
Graphen
Graphen bestehen aus einer Menge von Knoten und Kanten, die diese Knoten verbinden. Sie eignen sich hervorragend, um Beziehungen zwischen Objekten darzustellen.
Grundlegende Algorithmen
Suchalgorithmen
Suchalgorithmen ermöglichen das Auffinden von Elementen innerhalb von Datenstrukturen. Zu den bekanntesten gehören die lineare Suche und die binäre Suche.
Sortieralgorithmen
Sortieralgorithmen ordnen die Elemente einer Datenstruktur in einer bestimmten Reihenfolge an. Beliebte Sortieralgorithmen sind Bubble Sort, Quick Sort und Merge Sort.
Graphenalgorithmen
Graphenalgorithmen dienen der Analyse von Graphen und der Lösung spezifischer Probleme wie dem Finden des kürzesten Weges zwischen zwei Knoten.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist die Hauptfunktion eines Arrays? (Speicherung von Elementen in einer festen Reihenfolge mit schnellem Zugriff über Indizes) (!Speicherung von Elementen ohne jegliche Reihenfolge) (!Verarbeitung von Daten in einer LIFO-Struktur) (!Asynchrone Datenverarbeitung)
Welche Datenstruktur folgt dem LIFO-Prinzip? (Stack) (!Queue) (!Array) (!Verkettete Liste)
Welcher Sortieralgorithmus ist im Durchschnitt am schnellsten? (Quick Sort) (!Bubble Sort) (!Insertion Sort) (!Selection Sort)
Für welche Problemstellung wird der Dijkstra-Algorithmus verwendet? (Finden des kürzesten Weges zwischen zwei Knoten in einem Graphen) (!Sortieren von Elementen in einem Array) (!Umkehren der Reihenfolge in einer verketteten Liste) (!Finden des größten Elements in einem Binärbaum)
Was ist eine Eigenschaft eines balancierten Baumes? (Bessere Leistung bei Suchvorgängen durch eine garantierte maximale Höhe) (!Alle Knoten haben genau zwei Kinder) (!Knoten können beliebig viele Kinder haben) (!Keine Notwendigkeit zur Neubalancierung nach Einfüge- oder Löschoperationen)
Memory
| Array | Speicherung in fester Reihenfolge |
| Stack | LIFO-Prinzip |
| Queue | FIFO-Prinzip |
| Binärbaum | Hierarchische Datenstruktur |
| Dijkstra-Algorithmus | Kürzester Weg in einem Graphen |
Kreuzworträtsel
| array | Welche Datenstruktur speichert Elemente in einer festen Reihenfolge? |
| stack | Welche Datenstruktur folgt dem LIFO-Prinzip? |
| queue | Welche Datenstruktur folgt dem FIFO-Prinzip? |
| graph | Was stellt Beziehungen zwischen Objekten dar? |
| sort | Was tun Algorithmen, um Elemente in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen? |
| search | Was tun Algorithmen, um ein spezifisches Element zu finden? |
| tree | Welche Struktur wird verwendet, um Elemente hierarchisch zu speichern? |
| quicksort | Welcher Sortieralgorithmus ist bekannt für seine Geschwindigkeit? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Datenstrukturen: Zeichne ein Diagramm, das die Unterschiede zwischen Arrays und verketteten Listen darstellt.
- Algorithmen: Schreibe Pseudocode für die lineare Suche in einer Liste.
Standard
- Binärbaum: Implementiere einen einfachen Binärbaum in einer Programmiersprache deiner Wahl.
- Sortieralgorithmen: Vergleiche die Laufzeit von Bubble Sort und Quick Sort für eine zufällige Liste von Zahlen.
Schwer
- Graphen: Entwerfe einen Algorithmus, der prüft, ob ein Graph zusammenhängend ist.
- Balancierte Bäume: Erstelle eine Präsentation über die Bedeutung balancierter Bäume für Datenbanken.
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Lernkontrolle
- Arrays: Erkläre, warum Arrays besonders geeignet sind, wenn häufiger Zugriff auf Elemente über Indizes erforderlich ist.
- Verkettete Listen: Diskutiere die Vor- und Nachteile verketteter Listen im Vergleich zu Arrays.
- Sortieralgorithmen: Bewerte die Eignung verschiedener Sortieralgorithmen für große Datensätze.
- Graphen: Untersuche, wie Graphenalgorithmen in sozialen Netzwerken verwendet werden können.
- Bäume: Analysiere, wie die Struktur von Bäumen die Datenorganisation und -abfrage beeinflusst.
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