Einblicke in die Hochschul- und Universitätsmaterie – Algorithm Engineering

Schülerbeitrag von Paul Jäger, Teilnehmer bei der diesjährigen Veranstaltungsreihe der JGW

“Ich habe in diesen Sommerferien an einem Kurs der JGW (Jugendbildung in Gesellschaft und Wissenschaft e.V.) teilgenommen. Die JGW wurde von ehemaligen Teilnehmenden der DSA (Deutsche SchülerAkademie) gegründet und bietet angelehnt an die DSA Kurse aus den Themenfeldern Natur-, Geistes- und Gesellschaftswissenschaften für begabte und motivierte Schüler an, zwischen denen man nach erfolgreicher Annahme wählen kann. Die Inhalte gehen über den Schulstoff hinaus und bieten so einen Einblick in Themen und Arbeitsweisen von Hochschulen und Universitäten.

Die Akademie, an der ich teilnahm, dauerte insgesamt 12 Tage und fand in der Historisch-Ökologischen Bildungsstätte in Papenburg statt. Neben dem Kurs, den ich besuchte, fanden dort gleichzeitig noch 5 weitere Kurse statt, sodass dort in etwa 90 Schülerinnen und Schüler vor Ort waren. Diese aßen gemeinsam und verbrachten ihre Freizeit miteinander in sogenannten KüAs (kursübergreifende Angebote), die sie häufig selbst organisierten oder auch von Mitarbeitern organisiert wurden. Das Angebot deckte einen großen Bereich ab, der von inhaltlichen Themen wie Mathe, Physik, Jura… über Sport bis hin zu Gesellschaftsspielen reichte. Weiterhin gab es viele gemeinsame Veranstaltungen wie das morgendliche Plenum, einen Spieleabend, einen Konzertabend und einen bunten Abend. An einem Tag gab es auch einen kursübergreifenden Ausflug und an einem anderen wurde einander ein Überblick über die eigene Kursarbeit gegeben. So gab es eine gute Gemeinschaft und einen regen Austausch zwischen den Kursen.

Insbesondere war aber die Gemeinschaft innerhalb eines Kurses ausgeprägt, da man täglich sechs Stunden Kursarbeit zusammen bestritt und viele Aufgaben in Gruppenarbeit erledigte.
Ich habe an dem Kurs „Algorithm Engineering“ teilgenommen, der von zwei im Fach Informatik Promovierenden geleitet wurde. Algorithm Engineering beschäftigt sich mit der Entwicklung und Analyse von Algorithmen sowohl von theoretischer als auch von praktischer Seite. Dazu wurden zunächst Vorträge zu verschiedenen Themen wie Berechenbarkeitstheorie, Komplexitätstheorie und Maschinenmodelle von den Teilnehmern gehalten, welche eine Grundlage für die theoretische Analyse legten. Weiterhin wurden Datenstrukturen wie zum Beispiel Listen, Stacks, Arrays und Queues hinsichtlich der theoretischen Laufzeiten der wichtigsten Operationen analysiert und aus diesen Datenstrukturen neue konstruiert, die noch bessere theoretische Laufzeiten aufweisen.
Auch verschiedene Sortieralgorithmen wurden analysiert und es wurde zum Beispiel bewiesen, warum Sortierverfahren, die auf Vergleiche basieren und  Elemente sortieren sollen, im Worst Case nicht in  liegen können, also nicht schneller sein können als ein positives Vielfaches von  (für ausreichend große ).

Nach diesen theoretischen Betrachtungen wurde die Funktionsweise eines modernen Computers näher in Betracht genommen, um zu erfahren, warum häufig in der Praxis Algorithmen und Datenstrukturen eingesetzt werden, die theoretisch gesehen eine schlechtere Laufzeit haben als manche Alternativen. Unter den Gründen hierfür liegt zum Beispiel die unterschiedliche Komplexität der zugrunde liegenden Modelle. Während die theoretischen Überlegungen viele Vereinfachungen machen, wie zum Beispiel, dass ein Speicherzugriff immer in konstanter Zeit erfolgen kann, ist dies in der Praxis nicht der Fall (z. B. durch Speicherhierarchie und Cache-Lines). Das führt dazu, dass man seine Algorithmen sowohl theoretisch als auch praktisch betrachten muss.

Zum Abschluss sollten wir unser Erlerntes anwenden und haben dazu in Gruppen ein Abschlussprojekt (in C++) programmiert. Zu den Projekten zählten die Optimierung von Quicksort, Heaps, minimale Spannbäume und Graphenfärbung.

Der Kurs hat mir insgesamt sehr gefallen. Kompetente, freundliche und hilfsbereite Kursleitende und Kursteilnehmer sorgten für ein angenehmes Umfeld, die Themen sind sehr spannend und die gelernten Inhalte helfen mir, bessere Algorithmen zu entwerfen und generell neue Sachen besser zu verstehen und zu erlernen.

Ich kann die Akademie an alle weiterempfehlen, die motiviert sind, eine Herausforderung suchen und viele neue, begabte und motivierte Menschen kennenlernen möchten.”