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Think Like a Programmer

Typische Programmieraufgaben kreativ lösen am Beispiel von …
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Produktdetails

Titel: Think Like a Programmer
Autor/en: V. Anton Spraul

EAN: 9783826696046
Format:  EPUB
Typische Programmieraufgaben kreativ lösen am Beispiel von C++.
MITP

25. Juni 2013 - epub eBook - 304 Seiten

Aus dem Inhalt:
  • Strategien zur Problemlösung
  • Eingabeverarbeitung
  • Statusverfolgung
  • Arrays
  • Zeiger und dynamische Speicherverwaltung
  • Klassen
  • Rekursion
  • Wiederverwendung von Code
  • Rekursive und iterative Programmierung
  • Denken wie ein Programmierer

Die Herausforderung beim Programmieren besteht nicht im Erlernen der Syntax einer bestimmten Sprache, sondern in der Fähigkeit, auf kreative Art Probleme zu lösen. In diesem einzigartigen Buch widmet sich der Autor
V. Anton Spraul genau jenen Fähigkeiten, die in normalen Lehrbüchern eher nicht behandelt werden: die Fähigkeit, wie ein Programmierer zu denken und Aufgaben zu lösen.
In den einzelnen Kapiteln behandelt er jeweils verschiedene Programmierkonzepte wie beispielsweise Klassen, Zeiger und Rekursion, und fordert den Leser mit erweiterbaren Übungen zur praktischen Anwendung des Gelernten auf.

Sie lernen unter anderem:
  • Probleme in diskrete Einzelteile zerlegen, die sich leichter lösen lassen
  • Funktionen, Klassen und Bibliotheken möglichst effizient nutzen und wiederholt verwenden
  • die perfekte Datenstruktur für eine Aufgabenstellung auswählen
  • anspruchsvollere Programmiertechniken wie Rekursion und dynamischen Speicher einsetzen
  • Ihre Gendanken ordnen und Strategien entwickeln, um bestimmte Problemkategorien in Angriff zu nehmen

Die Beispiele im Buch werden mit C++ gelöst, die dargestellten kreativen Problemlösungskonzepte gehen aber weit über die einzelnen Programmiersprachen und oft sogar über den Bereich der Informatik hinaus.
Denn wie die fähigsten Programmierer wissen, handelt es sich beim Schreiben herausragender Quelltexte um kreative Kunst und der erste Schritt auf dem Weg zum eigenen Meisterwerk besteht darin, wie ein Programmierer zu denken.

Über den Autor:
V. Anton Spraul hat über 15 Jahre lang Vorlesungen über die Grundlagen der Programmierung und Informatik gehalten. In diesem Buch fasst er die von ihm dabei perfektionierten Verfahren zusammen. Er ist auch Autor von »Computer Science Made Simple«.
1;Cover;1 2;Titel;3 3;Impressum;4 4;Inhaltsverzeichnis;5 5;Danksagungen;11 6;Einführung;13 6.1;Über dieses Buch;15 6.1.1;Voraussetzungen;16 6.1.2;Ausgewählte Themen;16 6.1.3;Programmierstil;16 6.1.4;Übungen;17 6.1.5;Warum C++?;17 7;Strategien zur Problemlösung;19 7.1;1.1 Klassische Rätsel;20 7.1.1;1.1.1 Fuchs, Gans und Getreidesack;21 7.1.1.1;Aufgabe: Wie kann der Fluss überquert werden?;21 7.1.2;1.1.2 Schiebepuzzles;25 7.1.2.1;Aufgabe: Verschieben der 8;26 7.1.2.2;Aufgabe: Verschieben der 5;27 7.1.3;1.1.3 Sudoku;30 7.1.3.1;Aufgabe: Vervollständigen eines Sudoku-Quadrats;31 7.1.4;1.1.4 Das Quarrasi-Schloss;33 7.1.4.1;Aufgabe: Öffnen des außerirdischen Schlosses;33 7.2;1.2 Gängige Verfahren zur Problemlösung;36 7.2.1;1.2.1 Niemals ohne Plan;37 7.2.2;1.2.2 Umformulieren der Aufgabenstellung;38 7.2.3;1.2.3 Zerlegung in Teilaufgaben;39 7.2.4;1.2.4 Mit Bekanntem anfangen;40 7.2.5;1.2.5 Reduktion der Problemstellung;41 7.2.6;1.2.6 Analogien suchen;42 7.2.7;1.2.7 Experimentieren;43 7.2.8;1.2.8 Nicht entmutigen lassen;44 7.3;1.3 Übungen;45 8;Wahre Rätsel;47 8.1;2.1 Verwendete C++-Syntax;47 8.2;2.2 Ausgabe von Mustern;48 8.2.1;Aufgabe: Halbiertes Quadrat;48 8.2.2;Aufgabe: Quadrat (Halbiertes Quadrat, Reduktion);48 8.2.3;Aufgabe: Zeile (Halbiertes Quadrat, weitere Reduktion);49 8.2.4;Aufgabe: Herunterzählen durch Hochzählen;50 8.2.5;Aufgabe: Hochkant stehendes Dreieck;51 8.3;2.3 Eingabeverarbeitung;54 8.3.1;Aufgabe: Test einer Luhn-Prüfsumme;54 8.3.2;2.3.1 Zerlegung der Aufgabenstellung;56 8.3.2.1;Aufgabe: Ziffer in Ganzzahl konvertieren;58 8.3.2.2;Aufgabe: Test einer Luhn-Prüfsumme fester Länge;60 8.3.2.3;Aufgabe: Test einer einfachen Prüfsumme fester Länge;60 8.3.2.4;Aufgabe: Positiv oder negativ;63 8.3.3;2.3.2 Zusammenstellen der Teillösungen;64 8.4;2.4 Statusverfolgung;66 8.4.1;Aufgabe: Entschlüsseln einer Botschaft;66 8.4.2;Aufgabe: Einlesen einer Zahl mit drei oder vier Ziffern;71 8.4.3;Aufgabe: Einlesen einer Zahl mit drei oder vier Ziffern, weiter vereinfacht;72 8.5;2
.5 Fazit;81 8.6;2.6 Übungen;81 9;Arrays;85 9.1;3.1 Array-Grundlagen;86 9.1.1;3.1.1 Speichern;86 9.1.2;3.1.2 Kopieren;87 9.1.3;3.1.3 Zugriff und Suche;88 9.1.4;3.1.4 Sortieren;89 9.1.5;3.1.5 Statistische Werte;92 9.2;3.2 Aufgabenstellungen mit Arrays;93 9.2.1;Aufgabe: Modalwert berechnen;93 9.2.2;3.2.1 Refactoring;97 9.3;3.3 Arrays mit fest vorgegebenen Daten;100 9.4;3.4 Nicht-skalare Arrays;102 9.5;3.5 Mehrdimensionale Arrays;104 9.6;3.6 Wann werden Arrays verwendet?;108 9.7;3.7 Übungen;113 10;Zeiger und dynamische Speicherverwaltung;115 10.1;4.1 Zeiger-Grundlagen;115 10.2;4.2 Vorteile von Zeigern;117 10.2.1;4.2.1 Festlegung der Größe von Datenstrukturen zur Laufzeit;117 10.2.2;4.2.2 Größenänderung von Datenstrukturen;117 10.2.3;4.2.3 Gemeinsame Speichernutzung;118 10.3;4.3 Wann werden Zeiger verwendet?;119 10.4;4.4 Speicherverwaltung;120 10.4.1;4.4.1 Stack und Heap;120 10.4.2;4.4.2 Arbeitsspeicher;124 10.4.3;4.4.3 Lebensdauer;125 10.5;4.5 Aufgabenstellungen mit Zeigern;126 10.5.1;4.5.1 Zeichenketten variabler Länge;127 10.5.1.1;Aufgabe: Bearbeitung von Zeichenketten variabler Länge;127 10.5.2;4.5.2 Verkettete Listen;139 10.5.2.1;Aufgabe: Nachverfolgen einer unbekannten Zahl von Schülerdatensätzen;139 10.6;4.6 Fazit und Ausblick;148 10.7;4.7 Übungen;149 11;Klassen;151 11.1;5.1 Klassen-Grundlagen;151 11.2;5.2 Ziele bei der Verwendung von Klassen;153 11.2.1;5.2.1 Verkapselung;154 11.2.2;5.2.2 Wiederverwendung von Code;155 11.2.3;5.2.3 Zerlegung in Teilaufgaben;155 11.2.4;5.2.4 Information Hiding;156 11.2.5;5.2.5 Verständlichkeit;158 11.2.6;5.2.6 Ausdrucksfähigkeit;159 11.3;5.3 Eine einfache Klasse;159 11.3.1;Aufgabe: Notenliste;160 11.3.2;5.3.1 Grundgerüst einer Klasse;160 11.3.3;5.3.2 Unterstützende Methoden;165 11.4;5.4 Klassen mit dynamischen Daten;169 11.4.1;Aufgabe: Nachverfolgen einer unbekannten Zahl von Schülerdatensätzen;169 11.4.2;5.4.1 Hinzufügen eines Knotens;172 11.4.3;5.4.2 Umorganisieren einer Liste;175 11.4.4;5.4.3 Destruktor;179 11.4.5;5.4.4 Tiefe Kop
ien (Deep Copy);180 11.4.6;5.4.5 Klassen mit dynamischen Daten im Überblick;185 11.5;5.5 Fehlervermeidung;186 11.5.1;5.5.1 Fingierte Klassen;187 11.5.2;5.5.2 Monotalente;188 11.6;5.6 Übungen;188 12;Rekursion;191 12.1;6.1 Grundlagen der Rekursion;191 12.2;6.2 Start- und Endrekursion;192 12.2.1;Aufgabe: Wie viele Papageien?;192 12.2.2;6.2.1 Lösungsweg 1;193 12.2.3;6.2.2 Lösungsweg 2;194 12.2.3.1;Aufgabe: Wer ist unser bester Kunde?;196 12.2.4;6.2.3 Lösungsweg 1;198 12.2.5;6.2.4 Lösungsweg 2;199 12.3;6.3 Das Hauptkonzept der Rekursion;201 12.3.1;Aufgabe: Berechnung der Summe eines Arrays von Ganzzahlen;202 12.4;6.4 Häufige Fehler;204 12.4.1;6.4.1 Zu viele Parameter;205 12.4.2;6.4.2 Globale Variablen;206 12.5;6.5 Rekursion bei dynamischen Datenstrukturen;208 12.5.1;6.5.1 Rekursion und verkettete Listen;208 12.5.1.1;Aufgabe: Negative Zahlen in einer einfach verketteten Liste zählen;210 12.5.2;6.5.2 Rekursion und Binärbäume;211 12.5.2.1;Aufgabe: Suche nach dem größten Wert in einem Binärbaum;213 12.6;6.6 Wrapper-Funktionen;214 12.6.1;Aufgabe: Anzahl der Blätter eines Binärbaums;214 12.7;6.7 Wann wird Rekursion verwendet?;217 12.7.1;6.7.1 Rekursion: Gegenargumente;218 12.7.1.1;Aufgabe: Ausgabe einer verketteten Liste;220 12.7.1.2;Aufgabe: Ausgabe einer verketteten Liste in umgekehrter Reihenfolge;220 12.8;6.8 Übungen;222 13;Wiederverwendung von Code;225 13.1;7.1 Sinnvolle und nicht sinnvolle Wiederverwendung von Code;225 13.2;7.2 Komponenten;227 13.2.1;7.2.1 Code-Blöcke;227 13.2.2;7.2.2 Algorithmen;227 13.2.3;7.2.3 Entwurfsmuster;228 13.2.4;7.2.4 Abstrakte Datentypen;229 13.2.5;7.2.5 Bibliotheken;230 13.3;7.3 Kenntnisse über Komponenten erweitern;230 13.3.1;7.3.1 Forschendes Lernen;231 13.3.1.1;Aufgabe: Klassenvorsteher;232 13.3.2;7.3.2 Lernen bei Bedarf;235 13.3.2.1;Aufgabe: Effizientes Durchlaufen einer Liste;236 13.4;7.4 Auswahl eines Komponententyps;244 13.4.1;7.4.1 Komponentenwahl in der Praxis;246 13.4.1.1;Aufgabe: Teilweise Sortierung;246 13.4.2;7.4.2 Vergleich der
Ergebnisse;251 13.5;7.5 Übungen;251 14;Denken wie ein Programmierer;253 14.1;8.1 Das Gesamtkonzept;253 14.1.1;8.1.1 Stärken ausschöpfen, Schwächen lindern;254 14.1.2;8.1.2 Aufbau des Gesamtkonzepts;261 14.2;8.2 Beliebige Aufgabenstellungen in Angriff nehmen;262 14.2.1;Aufgabe: Schummeln beim Galgenmännchen;264 14.2.2;8.2.1 Wie man schummelt;265 14.2.3;8.2.2 Erforderliche Operationen zum Schummeln beim Galgenmännchen;267 14.2.4;8.2.3 Der erste Entwurf;269 14.2.5;8.2.4 Der erste Code;270 14.2.6;8.2.5 Analyse der ersten Ergebnisse;281 14.2.7;8.2.6 Die Kunst des Problemlösens;282 14.3;8.3 Programmierkenntnisse weiterentwickeln;283 14.3.1;8.3.1 Neue Programmiersprachen;284 14.3.2;8.3.2 Kenntnisse in bekannten Programmiersprachen erweitern;287 14.3.3;8.3.3 Zusätzliche Bibliotheken;288 14.3.4;8.3.4 Besuchen Sie einen Kurs;289 14.4;8.4 Fazit;289 14.5;8.5 Übungen;291 15;Stichwortverzeichnis;293


V. Anton Spraul gibt seit mehr als 15 Jahren Kurse zur Einführung in die Programmierung und Computerwissenschaften. In diesem Buch vereint er die Techniken, mit denen er in zahlreichen Einzelstunden Programmierschülern geholfen hat.

Einführung


Bereitet es Ihnen Mühe, Programme zu schreiben, obwohl Sie davon überzeugt sind, Programmiersprachen eigentlich verstanden zu haben? Lesen Sie manchmal ein ganzes Kapitel in einem Buch über Programmierung und nicken dabei ständig wissend, aber es fällt Ihnen dennoch schwer, das Gelesene in Ihren eigenen Programmen umzusetzen? Können Sie im Internet gefundene Beispielprogramme so gut verstehen, dass Sie anderen die Bedeutung jeder einzelnen Codezeile erklären können, aber glauben, einen Krampf im Kopf zu haben, wenn Sie einer Programmieraufgabe gegenüberstehen und den leeren Bildschirm Ihres Texteditors sehen?

So geht es nicht nur Ihnen. Ich unterrichte seit mehr als 15 Jahren Programmierung, und den meisten meiner Studenten ist es irgendwann während ihrer Ausbildung ebenfalls so ergangen. Bei der hier fehlenden Fähigkeit handelt es sich darum, Problemlösungen zu finden, also anhand der Beschreibung einer bestimmten Aufgabe ein neues Programm zu schreiben, das diese Problemstellung löst. Nicht jede Art der Programmierung erfordert umfangreiches Lösen von Problemen. Falls Sie ein bereits bestehendes Programm nur geringfügig ändern, debuggen oder um Testcode ergänzen, geschieht die Programmierung möglicherweise so „mechanisch”, dass Ihr Erfindungsreichtum gar nicht erst auf die Probe gestellt wird. Früher oder später erfordern jedoch alle Programme das Lösen von Problemstellungen, und alle guten Programmierer können das.

Problemlösungen zu finden ist schwierig. Bei manchen Menschen, den „Naturtalenten” (in der Welt der Programmierung das Pendant zu begabten Athleten im Sport), scheint es so einfach zu sein. Diese wenigen Auserwählten übersetzen komplizierte Ideen wie im Schlaf in Quellcode. Wenn man ein Java-Gleichnis bemühen m&
ouml;chte, könnte man sagen, dass der Java-Code kompiliert im Gehirn abläuft, während wir anderen eine virtuelle Maschine verwenden müssen, die den Code nur interpretiert.

Als Programmierer kein Naturtalent zu sein, ist aber auch nicht weiter schlimm. Wäre dem so, gäbe es nur sehr wenige Programmierer auf der Welt. Dessen ungeachtet sind mir schon zu viele achtbare angehende Programmierer begegnet, die sich zu lange frustriert abmühen. Schlimmstenfalls geben sie das Programmieren komplett auf und sind davon überzeugt, ihr Ziel nie zu erreichen und dass nur Leute mit einer angeborenen Gabe gute Programmierer sind.

Warum aber ist es so schwierig, zu erlernen, Programmieraufgaben zu lösen?

Zum Teil liegt es daran, dass das Lösen von Problemen und das Erlernen der Syntax einer Programmiersprache ganz unterschiedliche Tätigkeiten sind und daher völlig andere „Muskeln” des Verstands beanspruchen. Beim Erlernen der Syntax einer Programmiersprache, dem Lesen von Quellcode und dem Auswendiglernen einer Programmierschnittstelle (API, englisch Application Programming Interface) handelt es sich um vornehmlich analytische Vorgänge in der linken Hirnhälfte. Ein originelles Programm unter Verwendung der vorher erlernten Werkzeuge und Fähigkeiten zu schreiben, ist hingegen eine Aktivität der rechten, kreativen Hirnhälfte.

Nehmen wir an, Sie möchten einen Zweig entfernen, der in die Regenrinne Ihres Hauses gelangt ist, aber Ihre Leiter ist zu kurz, um den Zweig zu erreichen. Sie begeben sich in Ihre Garage und suchen nach irgendeinem Objekt (oder einer Kombination von Objekten), das es Ihnen erlaubt, den Zweig aus der Regenrinne zu entfernen. Gibt es eine Möglichkeit, die Leiter zu verlängern? Gibt es ein Objekt, das Sie auf der Leiter stehend dazu verwenden könnten, den Zweig zu erreichen und fortzuschaffen? Vielleicht kö
;nnten Sie auch vom Inneren des Hauses aus einfach aufs Dach steigen und den Zweig von ober her zu fassen bekommen. Das ist mit Problemlösen gemeint, und es handelt sich dabei um eine kreative Tätigkeit. Ob Sie es glauben oder nicht, wenn Sie ein Programm erstmals entwerfen, sind Ihre Denkvorgänge und diejenigen der Person, die den Zweig entfernen möchte, ziemlich ähnlich und unterscheiden sich deutlich von den Denkvorgängen einer Person, die eine bereits vorhandene for-Schleife debuggt.

Allerdings legen die meisten Bücher über Programmierung ihren Schwerpunkt auf Syntax und Semantik. Nun sind Syntax und Semantik einer Programmiersprache natürlich unverzichtbar, aber sie sind nur der erste Schritt beim Lernen, wie man in der Sprache programmiert. Die meisten Bücher für Programmieranfänger führen im Wesentlichen vor, wie man ein Programm versteht, nicht, wie man eines schreibt. Diejenigen Bücher, die sich auf das Schreiben von Programmen konzentrieren, sind häufig tatsächlich „Kochbücher”, in denen „Rezepte” für bestimmte Gegebenheiten aufgeführt sind. Derartige Bücher können zwecks Zeitersparnis durchaus wertvoll sein, sind aber ungeeignet, um zu lernen, eigenständig Code zu schreiben. Denken Sie an Kochbücher im eigentlichen Sinn. Auch wenn hervorragende Köche Kochbücher besitzen, wird niemand, der sich nur auf Kochbücher verlässt, zu einem großartigen Koch. Ein exzellenter Koch kennt sich mit Zutaten, deren Vorbereitung und Garmethoden aus und weiß, wie er diese miteinander kombinieren muss, um fantastische Gerichte zuzubereiten. Um eine leckere Mahlzeit anzurichten, benötigt ein wirklich guter Koch nur eine vollständig ausgestattete Küche. In vergleichbarer Weise kennt sich ein ausgezeichneter Programmierer mit der Syntax der Sprache, Anwendungsframeworks, Algo
rithmen und den Prinzipien der Softwareentwicklung aus und versteht es, diese miteinander zu verbinden, um tolle Programme zu erstellen. Geben Sie einem exzellenten Programmierer eine Liste mit Vorgaben und lassen Sie ihn dann auf eine vollständig ausgerüstete Programmierumgebung los; es werden großartige Dinge geschehen!

Bei der Ausbildung von Programmierern gibt es gegenwärtig im Bereich des Problemlösens kaum Orientierungshilfen. Stattdessen geht man davon aus, dass Programmierer, die Zugriff auf alle erforderlichen Programmierwerkzeuge besitzen, irgendwann schon lernen werden, gute Programme zu schreiben, wenn sie dazu aufgefordert werden. Das lässt sich auch nicht völlig von der Hand weisen, aber von jetzt bis „irgendwann” kann ein ziemlich langer Zeitraum sein. Vom Programmieranfänger bis zum abgeklärten Programmierer ist es ein langer und steiniger Weg, und zu viele der Leute, die sich auf den Weg gemacht haben, erreichen ihr Ziel nie.

Anstatt durch Versuch und Irrtum zu lernen, können Sie sich das Lösen von Problemen auch systematisch aneignen. Darum geht es in diesem Buch. Sie können Techniken zum Ordnen Ihrer Gedanken und Verfahren zum Auffinden von Lösungen und Strategien für bestimmte Arten von Problemen erlernen. Lassen Sie Ihrer Kreativität beim Studieren der verschiedenen Ansätze freien Lauf. Geben Sie sich hier keiner Täuschung hin: Programmieren und insbesondere das Lösen von Problemen sind kreative Tätigkeiten. Kreativität bleibt rätselhaft und niemand vermag genau zu sagen, wie ein kreativer Kopf funktioniert. Wenn wir aber imstande sind, das Komponieren von Musik zu erlernen und Ratschläge zum kreativen Schreiben zu befolgen, oder uns zeigen lassen können, wie man malt, dann können wir auch lernen, Aufgabenstellungen beim Programmieren kreativ zu lösen. Dieses Buch möchte Ihnen nicht vorschre
iben, was genau Sie tun sollen. Es soll Ihnen vielmehr dabei helfen, Ihre verborgenen Problemlösungsfähigkeiten weiterzuentwickeln, sodass Sie dann schon wissen werden, was zu tun ist. Es geht hier vor allem darum, Ihnen dabei zu helfen, ein Programmierer zu werden, wie er im Buche steht.

Mein Ziel ist es, dass Sie (und alle anderen Leser des Buchs) es lernen, beliebige Programmieraufgaben systematisch in Angriff zu nehmen und dabei zuversichtlich sind, die jeweilige Aufgabe schließlich lösen zu können. Ich wünsche mir, dass Sie nach der Lektüre des Buchs wie ein Programmierer denken und dass Sie sich für einen Programmierer halten.

Über dieses Buch


Nachdem die Notwendigkeit dieses Buches erläutert wurde, sind noch einige Bemerkungen dazu nötig, um was es sich beim vorliegenden Buch eigentlich handelt – und um was nicht.

Voraussetzungen


In diesem Buch wird davon ausgegangen, dass Ihnen die grundlegende Syntax und die Semantik der Programmiersprache C++ geläufig sind und Sie bereits damit begonnen haben, Programme zu schreiben. In den meisten Kapiteln wird von Ihnen erwartet, dass Sie bestimmte C++-Grundlagen kennen. In diesen Kapiteln finden Sie eingangs einen Überblick über diese Grundlagen. Machen Sie sich keine Sorgen, falls Sie noch im Begriff sind, die Sprache zu erlernen. Es gibt eine Vielzahl ausgezeichneter Bücher über C++ und Sie können das Lösen von Problemen und die Syntax gleichzeitig erlernen. Sie müssen jedoch die jeweils relevante Syntax erlernt haben, bevor Sie versuchen, die Aufgabenstellungen eines Kapitels in Angriff zu nehmen.

Ausgewählte Themen


Die im Buch behandelten Themen decken die Bereiche ab, bei denen ich Programmieranfänger am häufigst
en mit Schwierigkeiten habe kämpfen sehen. Diese Bereiche stellen gleichzeitig einen umfassenden Querschnitt der für Anfänger und fortgeschrittene Anfänger maßgeblichen Themengebiete dar.

Ich muss jedoch betonen, dass es sich hier nicht um ein „Kochbuch” mit Algorithmen oder...


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