Grundkurs Informatik: Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis – eine umfassende Einführung
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|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2023]
|
| Edition: | 8. Auflage |
| Series: | Lehrbuch
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXI, 892 Seiten Illustrationen, Diagramme |
| ISBN: | 9783658417789 |
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Inhaltsverzeichnis Webseite, Hinweise, Errata 1 Einführung 1.1 Was ist eigentlich Informatik?. 1.2 Zur Geschichte der Informatik. 1.2.1 Frühe Zähl-und Rechensysteme. 1.2.2 Die Entwicklung von Rechenmaschinen. 1.2.3 Die Computer-Generationen. 1.3 Prinzipieller Aufbau von Computern. 1.3.1 Zentraleinheit und Busstruktur. 1.3.2 Systemkomponenten. 1.4 Zahlensysteme und binäre Arithmetik. 1.4.1 Darstellung von Zahlen. 1.4.2 Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme. 1.4.3 Binäre Arithmetik . 1.4.4 Gleitkommazahlen . Literatur
. 2 Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information . Biologische Aspekte. 2.2.1 Sinnesorgane. 2.2.2 Datenverarbeitung im Gehirn. 2.2.3 Der genetische Code. 2.3 Diskretisierung von Nachrichten. 2.3.1 Abtastung. 2.3.2 Quantisierung. 2.4 Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik. 2.4.1 Die relative Häufigkeit. 2.4.2 Die mathematische Wahrscheinlichkeit. 2.4.3 Totale Wahrscheinlichkeit und Bayes-Formel. 2.4.4 Statistische
Kenngrößen. 2.4.5 Fakultät und Binomialkoeffizienten. 2.4.6 Kombinatorik. 2.5 Information und Wahrscheinlichkeit. 2.5.1 Der Informationsgehalt einer Nachricht. 2.5.2 Die Entropie einer Nachricht. 2.5.3 Zusammenhang mit der physikalischen Entropie. Literatur . 2.1 2.2 ix 1 1 3 3 4 7 12 12 15 17 17 18 24 30 35 37 37 39 39 39 40 43 43 45 47 47 47 49 54 55 56 60 60 62 64 68
xii 3 Inhaltsverzeichnis Codierung 69 3.1 Grundbegriffe. 69 3.1.1 Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz. 70 3.1.2 Beispiele für Codes. 71 3.2 Quellencodierung und Datenkompression. 75 3.2.1 Codebäume. 76 3.2.2 Der Huffman-Algorithmus. 77 3.2.3 Der Fano-Algorithmus. 81 3.2.4 Arithmetische Codierung. 82 3.2.5 Lauflängen-Codierung. 85 3.2.6 Differenz-Codierung. 86 3.2.7 Der LZW-Algorithmus. 90 3.2.8 Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG) . 94 3.3 Codesicherung und Kanalcodierung . 102 3.3.1 Hamming-
Distanz. 102 3.3.2 m-aus-n-Codes. 105 3.3.3 Codes mit Paritätsbits . 105 3.3.4 Fehlertolerante Gray-Codes. 109 3.3.5 Definition linearer Codes.111 3.3.6 Lineare Hamming-Codes.114 3.3.7 Zyklische Codes und Code-Polynome.119 3.3.8 CRC-Codes.121 3.3.9 Sicherung nicht-binärer Codes. 124 3.3.10 Reed-Solomon Codes .128 Literatur. 135 4 Verschlüsselung 137 4.1 Klassische Verfahren.139 4.1.1 Der Cäsar-
Code. 140 4.1.2 Vigenère-Codes. 141 4.1.3 Affine Substitutions-Chiffren und Enigma. 143 4.2 Moderne symmetrische Verfahren. 151 4.2.1 Der Data Encryption Standard (DES). 151 4.2.2 Der Advanced Encryption Standard (AES) . 152 4.2.3 One-Time-Pads und Stromchiffren. 155 4.3 Moderne asymmetrische Verfahren. 157 4.3.1 Diffie-Hellman Schlüsselaustausch . 157 4.3.2 Der RSA-Algorithmus. 161 4.3.3 Digitale Unterschrift. 167 4.3.4 Elliptische-Kurven-Kryptographie. 168 4.4 Kryptographische Hashfunktionen. 173 4.5 Sicherheitsniveau und Empfehlungen
. 178 4.6 Quantencomputer und Kryptographie . 179 4.6.1 Was ist ein Quantencomputer?. 179 4.6.2 Auswirkungen auf kryptographische Verfahren. 180 Literatur. 182
Inhaltsverzeichnis xiii 5 Computerhardware und Maschinensprache 185 5.1 Digitale Grundschaltungen. 185 5.1.1 Stromkreise. 185 5.1.2 Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise. 187 5.1.3 Logische Gatter. 190 5.2 Boolesche Algebra und Schaltfunktionen . 193 5.2.1 Aussagenlogik. 193 5.2.2 Der boolesche Verband. 195 5.2.3 Das boolesche Normalform-Theorem . 197 5.2.4 Vereinfachen boolescher Ausdrücke. 198 5.3 Schaltnetze und Schaltwerke. 201 5.3.1 Schaltnetze. 201 5.3.2 Spezielle Schaltnetze. 202 5.3.3
Schaltwerke. 205 5.4 Die Funktion einer CPU am Beispiel des M68OOO. 210 5.4.1 Die Anschlüsse der CPU M68000 . 210 5.4.2 Der innere Aufbau der CPU M68000 . 215 5.4.3 Befehlsformate und Befehlsausführung.220 5.4.4 Adressierungsarten. 223 5.5 Maschinensprache und Assembler. 229 5.5.1 Einführung. 229 5.5.2 Der Befehlssatz des M68000 . 230 5.5.3 Programmbeispiele. 239 Literatur.242 6 Rechnerarchitektur 243 6.1 Überblick. 243 6.2 Was ist eine Rechnerarchitektur? .
245 6.2.1 Physikalische Umsetzung - Silizium und Wafer.245 6.2.2 Digitale Schaltungen - Transistoren. 247 6.2.3 Gatter, Schaltnetze und Schaltwerke - Boolesche Logik . 247 6.2.4 Mikroarchitektur und Mikroprogramme. 247 6.2.5 Befehlssatz-Architektur . 248 6.2.6 Hardware-Struktur außerhalb der CPU. 249 6.2.7 Exkurs: Quantencomputer . 249 6.3 Die von-Neumann- Architektur. 250 6.3.1 Komponenten eines von-Neumann-Rechners. 250 6.3.2 Operationsprinzip. 252 6.4 Die Harvard-Architektur. 254 6.5 Der typische Desktop-PC und Laptop. 254 6.6 Befehlssatz. 257 6.6.1 Mikroprogramme und
CISC. 257 6.6.2 Reduced Instruction Set Computer: RISC. 258 6.6.3 Abwärtskompatibilität. 259 ,6.7 Klassifikation nach Flynn. 259
xiv Inhaltsverzeichnis Parallelität innerhalb einer Befehlssequenz.261 6.8.1 Fließbandverarbeitung - Optimierte Befehlsausführung.261 6.8.2 Superskalare Mikroprozessoren. 263 6.8.3 VLIW - Very Long Instruction Word. 264 6.9 Parallelität in Daten nutzen: Vektorprozessoren. 264 6.10 Parallele Ausführung mehrerer Befehlssequenzen. 265 6.10.1 Simultanes Multi-Threading innerhalb einer CPU. 267 6.10.2 Multi-Core-CPU . 267 6.10.3 Multiprozessor-Systeme.268 6.10.4 Multicomputer-Systeme. 269 6.11 Speicherhierarchie . 269 6.11.1 Speichertechnologien: Register, Cache und Hauptspeicher. 269 6.11.2 Caching. 271 6.11.3 Memory Management Unit und virtueller Speicher.273 6.11.4
Festplatten. 274 6.11.5 Flash-Speicher und Solid State Disks. 275 6.12 Ein- und Ausgabe: Interrupts und DMA. 276 6.13 Verbindungsstrukturen. 278 6.13.1 Gemeinsamer Bus. 278 6.13.2 Zugriffsprotokolle für Busse und gemeinsame Speicher.280 6.13.3 Punkt-Zu-Punkt Verbindungen: PCI-Express und SATA . 281 6.13.4 Weitere Verbindungsstrukturen. 282 6.13.5 Allgemeine topologische Verbindungsstrukturen. 283 6.14 Mikrocontroller und Spezialprozessoren. 284 Literatur.286 6.8 7 Rechnernetze 289 7.1 Was ist ein Rechnernetz?. 289 7.2 Das OSI-Schichtenmodell der Datenkommunikation . 291 7.3
Bitübertragungsschicht. 295 7.3.1 Kupfer, Glasfaser und der freie Raum. 295 7.3.2 Leitungscodierung. 296 7.3.3 Modulation, Multiplexing und Multiple Access. 297 7.3.4 Netztopologien. 302 7.4 Technologien der Sicherungsschicht. 303 7.4.1 Netze im Nahbereich: PAN und WPAN. 303 7.4.2 Lokale Netze: LAN und WLAN. 305 7.4.3 Vorgriff: Leitungs-und Paketvermittlung . 310 7.4.4 Zugang zum Internet: DSL, Kabel, FTTH und 5G. 311 7.4.5 Die Behandlung von Übertragungsfehlern. 319 7.5 Netzwerk- und Transportschicht: TCP/IP und das Internet.320 7.5.1 Überblick über das Internet. 320 7.5.2 IP: Internet Protocol.322 7.5.3
IPv6. 326 7.5.4 ICMP: Internet Control Message Protocol. 329 7.5.5 TCP: Transmission Control Protocol.330
Inhaltsverzeichnis XV 7.5.6 TLS und SSL: Transport Level Security. 330 7.5.7 UDP: User Datagram Protocol. 331 7.6 Anwendungsschicht: Von DNS bis HTTP und URIs.332 7.6.1 DNS: Domain Name System. 332 7.6.2 E-Mail . 332 7.6.3 FTP: File Transfer Protocol . 333 7.6.4 SSH: secure shell und TELNET: teletype network. 333 7.6.5 HTTP und HTTPS: Hypertext Transfer Protocol . 334 7.6.6 URI: Uniform Resource Identifier. 335 Literatur. 337 8 Betriebssysteme 339 Überblick.339 8.1.1 Aufgaben.341 8.1.2 Betriebsarten. 342 8.2
Betriebssystem-Architekturen .343 8.3 Aufgaben eines Betriebssystemsim Detail. 347 8.3.1 Prozessverwaltung. 347 8.3.2 Synchronisation . 351 8.3.3 Interprozess-Kommunikation. 353 8.3.4 Speicherverwaltung und virtueller Speicher. 355 8.3.5 Geräteverwaltung und -treiber. 357 8.3.6 Dateiverwaltung . 358 8.4 Benutzerschnittstelle: Shell, GUI und NUI. 360 8.4.1 Kommandozeilen-Interpreter am Beispiel UNIX. 361 8.4.2 Besonderheiten am Beispiel der UNIX-Shell. 362 8.4.3 Grafische Benutzerschnittstelle. 365 8.4.4 Natürliche Benutzerschnittstelle (NUI) . 366 8.5 Beispiele für
Betriebssysteme. 367 8.5.1 Microsoft-Windows . 367 8.5.2 UNIX, LINUX und Android. 368 8.6 Betriebssystem-Virtualisierung. 370 8.6.1 Anwendungsbereiche.371 8.6.2 Hypervisoren. 371 8.6.3 Virtuelle Maschinen. 373 8.6.4 Grundlegende Aktivitäten der Virtualisierung.374 8.7 Container am Beispiel Docker. 374 8.7.1 Images und Container. 375 8.7.2 Betriebsmittel: Netzwerk und Verzeichnisse. 376 8.7.3 Eigene Images erzeugen. 376 8.7.4 Docker auf Windows und Linux.377
Literatur.378 8.1 9 Höhere Programmiersprachen und C 9.1 379 Zur Struktur höherer Programmiersprachen. 379 9.1.1 Ebenen des Informationsbegriffs in Programmiersprachen. 384
xvi Inhaltsverzeichnis 9.1.2 Systeme und Strukturen.386 Methoden der Syntaxbeschreibung. 389 9.2.1 Die Backus-Naur Form. 389; 9.2.2 Syntaxgraphen. 393 i 9.2.3 Eine einfache Sprache als Beispiel: C- -. 393 ; 9.3 Einführung in die Programmiersprache C . 398 ; 9.3.1 Der Aufbau von C-Programmen. 398; 9.3.2 Einfache Datentypen . 402 ; 9.3.3 Strukturierte Standard-Datentypen. 407 ; 9.3.4 Operatoren und Ausdrücke. 410; 9.3.5 Anweisungen. 413 ; 9.3.6 Funktionen. 417 ί 9.3.7 Ein-und Ausgabefunktionen. 421; 9.3.8 Verarbeitung von
Zeichenketten. 423 ; 9.3.9 Das Zeigerkonzept in C . 424 ; Literatur. 433 \ 9.2 10 Objektorientierte Programmiersprachen und Java 435 ; 10.1 Entstehung objektorientierter Sprachen. 435 : 10.2 Einführung in die Programmiersprache Java. 438 ' 10.2.1 Grundlegender Aufbau eines Java-Programms. 440; 10.2.2 Syntax ähnlich wie in C.442 10.2.3 Datentypen und Variablen: Statische Typisierung. 443 10.3 Klassen und Objekte. 448 10.3.1 Attribute und Methoden. 449 10.3.2 Statische Attribute und Methoden. 450; 10.3.3 Pakete (Packages) . 452 ; 10.3.4 Kapselung und Geheimnisprinzip. 453 10.3.5
VererbungundPolymorphie. 455; 10.4 Fortgeschrittene Java-Themen. 459 ; 10.4.1 Generische Klassen, Behälter und Algorithmen. 459: 10.4.2 Ausnahmen und Fehlerbehandlung.462 10.4.3 Annotationen und Reflection. 464 10.4.4 Testgetriebene Entwicklung mit Java. 465 10.4.5 Threads, Streams und parallele Verarbeitung .466 10.4.6 Lambda-Ausdrücke und funktionale Programmierung . 470 10.4.7 Das Java-Ökosystem.471 Literatur. 473 11 Automatentheorie und formale Sprachen 475 11.1 Grundbegriffe der Automatentheorie. 475 11.1.1 Endliche Automaten. 475 11.1.2 Darstellung von Automaten. 478 11.1.3 Die akzeptierte Sprache von
Automaten. 480 11.1.4 Kellerautomaten . 486 11.1.5 Turing-Maschinen . 490
Inhaltsverzeichnis xVii 11.2 Einführung in die Theorie der formalen Sprachen. 497 11.2.1 Definition von formalen Sprachen. 497 11.2.2 Die Chomsky-Hierarchie.498 11.2.3 Reguläre Ausdrücke. 505 11.2.4 Das Pumping-Lemma . 507 11.2.5 Die Analyse von Wörtern . 510 11.2.6 Compiler. 514 Literatur. 519 12 Algorithmen - Berechenbarkeit und Komplexität 521 12.1 Berechenbarkeit. 523 12.1.1 Entscheidungsproblem und Church-Turing These. 523 12.1.2 Das Halteproblem . 526 12.1.3 Satz von Rice und weitere unentscheidbare Probleme. 528 12.1.4 LOOP-, WHILE-und GOTO-Berechenbarkeit. 530 12.1.5 Primitiv rekursive und μ-rekursive
Funktionen. 532 12.2 Komplexität. 537 12.2.1 Die Ordnung der Komplexität: 0-Notation .538 12.2.2 Analyse von Algorithmen. 542 12.2.3 Die Komplexitätsklassen P und NP . 546 12.2.4 NP-vollständige Probleme. 547 12.2.5 Weitere Komplexitätsklassen. 552 12.2.6 Quantencomputer: Probabilistische Komplexitätsklassen. 554 12.3 Probabilistische Algorithmen. 555 12.3.1 Pseudo-Zufallszahlen. 555 12.3.2 Monte-Carlo-Methoden .560 12.3.3 Probabilistischer Primzahltest. 563 12.4 Rekursion. 566 12.4.1 Definition und einführende Beispiele . .566 12.4.2
Rekursive Programmierung und Iteration. 568 12.4.3 Backtracking. 571 Literatur. 573 13 Suchen und Sortieren 577 13.1 Einfache Suchverfahren.577 13.1.1 Sequentielle Suche. 577 13.1.2 Binäre Suche.578 13.1.3 Interpolationssuche. 579 13.1.4 Radix-Suche.581 13.2 Suchen von Mustern in Zeichenketten. 582 13.2.1 Musterabgleich durch sequentielles Vergleichen. 582 13.2.2 Musterabgleich durch Automaten. 583 13.2.3 Die Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt. 584 13.2.4 Ähnlichkeit von Mustern und Levenshtein-Distanz. 586 13.3 Gestreute Speicherung
(Hashing). 588 13.3.1 Hashfunktionen. 588
xviii Inhaltsverzeichnis 13.3.2 Kollisionsbehandlung. 590 13.3.3 Komplexitätsberechnung . 595 13.4 Direkte Sortierverfahren . 597 13.4.1 Vorbemerkungen. 597 13.4.2 Sortieren durch direktes Einfügen (Insertion Sort).600 13.4.3 Sortieren durch direktes Auswählen (Selection Sort). 602 13.4.4 Sortieren durch direktes Austauschen (Bubblesort). 604 13.5 Höhere Sortierverfahren . 607 13.5.1 Shellsort . 607 13.5.2 Quicksort. 608 13.5.3 Vergleich der Sortierverfahren. 612 13.6 Sortieren externer Dateien . 614 13.6.1 Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs.614 13.6.2 Sequentielle
Speicherorganisation. 617 13.6.3 Direktes Mischen (Direct Merge, Mergesort). 621 13.6.4 Natürliches Mischen (Natural Merge).624 13.6.5 n-Band-Mischen. 626 Literatur. 629 14 Datenstrukturen, Bäume und Graphen 631 14.1 Sequentielle Datenstrukturen. 632 14.1.1 Lineare Listen . 632 14.1.2 Stapel, Schlangen und Ringpuffer. 636 14.2 Binärbäume. 639 14.2.1 Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen. 641 14.2.2 Binäre Suchbäume. 646 14.2.3 Ausgleichen von Bäumen undAVL-Bäume. 653 14.2.4 Heaps und Heapsort. 657 14.3 Vielwegbäume
. 664 14.3.1 Rückführung auf Binärbäume. 664 14.3.2 Definition von (a,h)-Bäumenund B-Bäumen. 665 14.3.3 Operationen auf B-Bäumen . 668 14.4 Graphen. 676 14.4.1 Definitionen und einführende Beispiele.676 14.4.2 Speicherung von Graphen. 680 14.4.3 Suchen, Einfügen und Löschenvon Knoten und Kanten . 685 14.4.4 Durchsuchen von Graphen.688 14.4.5 Halbordnung und topologisches Sortieren. 701 14.4.6 Minimal spannende Bäume. 702 14.4.7 Union-Find Algorithmen. 704 Literatur. 711 15 Software-Engineering 713 15.1
Überblick. 713 15.1.1 Was ist Software?.713 15.1.2 Was bedeutet Engineering?. 714
Inhaltsverzeichnis xix 15.1.3 Warum ist Software-Engineering schwierig? . 715 15.2 Tätigkeiten im Software-Lebenszyklus. 716 15.2.1 Anforderungsanalyse und Spezifikation. 716 15.2.2 Architekturentwurf. 718 15.2.3 Implementierung. 718 15.2.4 Test und Integration . 718 15.2.5 Inbetriebnahme. 719 15.2.6 Wartung und Weiterentwicklung. 719 15.3 Querschnittsdisziplinen.719 15.3.1 Projektmanagement. 719 15.3.2 Qualitätsmanagement. 721 15.3.3 Konfigurationsmanagement .722 15.4 Vorgehensmodelle. 723 15.4.1
Basismodelle. 724 15.4.2 V-Modell XT als plangetriebenes Vorgehensmodell.726 15.4.3 Serum als agiles Produktmanagement-Framework. 728 15.4.4 Praktiken der moderenen Software-Entwicklung und DevOps . 730 15.5 Modelle im Software-Engineering.731 15.5.1 Vom Problem zur Lösung . 731 15.5.2 Die Unified Modeling Language. 732 15.5.3 Ausgewählte Diagramme der UML im Detail. 734 15.6 Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen.742 15.6.1 Pseudocode. 742 15.6.2 Flussdiagramme .742 15.6.3 Struktogramme nach Nassi-Shneiderman .743 15.6.4 Entscheidungstabellen. 746 Literatur.749 16
Datenbanken 751 16.1 Einführung und Definition. 751 16.2 Daten und ihre Modellierung.752 16.3 Zugriffsmuster auf gespeicherte Daten. 754 16.4 Datenbanktechnologien Geschichte und Überblick. 756 16.5 Relationale Datenbankmanagement-Systeme . 759 16.5.1 Relationen . 759 16.5.2 Schlüssel. 760 16.5.3 Beziehungen (Relationships). 761 16.6 Relationale Algebra. 762 16.7 Die Datenbanksprache SQL . 766 16.7.1 SQL als deklarative Sprache. 766 16.7.2 Definition des Datenbankschemas. 767 16.7.3 Einfügen, Ändern und Löschen von Daten. 768 16.7.4 Suchen
mit SELECT. 769 16.7.5 Programmiersprachen und SQL. 770 16.8 Transaktionen, OLTP und ACID. 771 16.9 OLAP, Data Warehousing und Data-Mining. 772
XX Inhaltsverzeichnis 16.10Semi-Strukturierte Daten mit XML. 776 16.10.1 Der Aufbau von XML-Dokumenten. 777 16.10.2 Wohlgeformtheit und Validität. 777 16.10.3 XML-Schema. 778 16.10.4XPath. 779 16.10.5 XSL: Extended Style Sheet Language. 780 Literatur. 783 17 Anwendungsprogrammierung imInternet 785 17.1 Client-Server-Systeme. 785 17.2 Grundlegende Technologien. 786 17.2.1 HTML. 786 17.2.2 DOM: Document Object Model. 792 17.2.3 CSS: Cascading Style Sheets. 793 17.3
Webanwendungen. 797 17.3.1 HTML Formulare. 797 17.3.2 Auswertung von Formularen. 799 17.4 JavaScript. 801 17.4.1 Grundlegende Eigenschaften. 801 17.4.2 Funktionen. 804 17.4.3 Objekte und Prototypen . 806 17.4.4 Klassen seit ES6. 809 17.4.5 JSON: JavaScript Object Notation.809 17.4.6 JavaScript und DOM. 810 17.4.7 Ereignisgesteuerte Programmierung mit JavaScript. 812 17.4.8 AJAX: Asynchronous JavaScript And XML. 813 Literatur. 814 18 Maschinelles Lernen: Deep Learning mit neuronalen Netzen 815 18.1
Klassifikation und Regression . 816 18.2 Neuronale Netze . 818 18.2.1 Das Perzeptron-Neuronenmodell. 818 18.2.2 Aktivierungsfunktionen . 819 18.2.3 Mehrschichtperzeptron. 823 18.3 Bilderkennung: Neuronale Faltungsnetze (CNN). 829 18.4 Verarbeitung natürlicher Sprache - Vorverarbeitung: Vom Text zum Vektor . 837 18.4.1 Tokenisierung. 838 18.4.2 Word2vec.839 18.5 Verarbeitung natürlicher Sprache: Transformer . 841 18.5.1 Überblick. 842 18.5.2 Positionscodierung. 845 18.5.3 Decodierer-Ausgabe: Lineare Schicht Softmax. 846 18.5.4 Aufmerksamkeitsmechanismen
. 848 18.5.5 Addition, Normierung, Abkürzungen. 852 18.5.6 GPT Co. 853 18.6 Normalisierung und Regularisierung. 854
Inhaltsverzeichnis xxi 18.7 Bewertung von Klassifikatoren . 858 18.8 Ausblick. 861 Literatur. 863 Index 867 Die Autoren 893 |
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