Algorithmus

Was ist ein Algorithmus?

Ein Algorithmus ist eine systematische Methode, um Probleme zu lösen oder Berechnungen durchzuführen. Er besteht aus einer präzisen Folge von Schritten, die in Hardware- oder Softwareroutinen Aktionen ausführen. Algorithmen finden in der gesamten IT-Branche Anwendung. In Mathematik, Programmierung und Informatik bezeichnet ein Algorithmus normalerweise ein kleineres Verfahren zur Lösung wiederkehrender Probleme. Außerdem dienen Algorithmen als Spezifikationen für die Datenverarbeitung und spielen eine zentrale Rolle in automatisierten Systemen. 

Algorithmen können zum Sortieren von Zahlen oder für komplexere Aufgaben wie Empfehlungen in sozialen Medien genutzt werden. Typischerweise beginnen sie mit einer Eingabe und Anweisungen für eine bestimmte Berechnung. Wenn diese Berechnung ausgeführt wird, liefert der Prozess eine Ausgabe. Ein Algorithmus zum Sortieren von Zahlen könnte beispielsweise eine ungeordnete Liste als Eingabe erhalten und nach den Sortieranweisungen eine geordnete Liste als Ausgabe erzeugen.

Wie funktionieren Algorithmen?

Algorithmen können in natürlichen Sprachen, Programmiersprachen, Pseudocode, Flussdiagrammen und Steuertabellen geschrieben sein. Ausdrücke in natürlicher Sprache sind selten, da sie mehrdeutig sind. Programmiersprachen sind die häufigere Wahl.

Algorithmen verwenden eine anfängliche Eingabe zusammen mit einer Reihe von Anweisungen. Bei der Eingabe handelt es sich um die für die Entscheidungsfindung erforderlichen Ausgangsdaten, die in Form von Zahlen oder Wörtern dargestellt werden können. Die Eingabedaten werden einer Reihe von Anweisungen oder Berechnungen unterzogen, die Arithmetik- und Entscheidungsprozesse umfassen. Die Ausgabe ist der letzte Schritt in einem Algorithmus und wird normalerweise als weitere Daten ausgedrückt.

Ein Suchalgorithmus beispielsweise nimmt eine Suchanfrage als Eingabe und lässt sie durch eine Reihe von Anweisungen laufen, um eine Datenbank nach relevanten Elementen für die Anfrage zu durchsuchen. Automatisierungssoftware ist ein weiteres Beispiel für Algorithmen, da die Automatisierung einem Satz von Regeln folgt, um Aufgaben zu erledigen. Automatisierungssoftware besteht aus vielen Algorithmen, die alle dazu dienen, einen bestimmten Prozess zu automatisieren.

Was sind die verschiedenen Arten von Algorithmen?

Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen, die alle unterschiedliche Aufgaben erfüllen sollen. Algorithmen führen zum Beispiel Folgendes aus:

• Suchmaschinen-Algorithmus. Dieser Algorithmus nimmt Suchzeichenfolgen von Schlüsselwörtern und Operatoren als Eingabe, sucht in der zugehörigen Datenbank nach relevanten Webseiten und gibt die Ergebnisse zurück.
• Verschlüsselungsalgorithmus. Dieser Rechenalgorithmus wandelt Daten nach bestimmten Aktionen um, um sie zu schützen. Ein symmetrischer Schlüsselalgorithmus, wie zum Beispiel der Data Encryption Standard, verwendet denselben Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Daten. Solange der Algorithmus ausreichend ausgeklügelt ist, kann niemand, der den Schlüssel nicht kennt, die Daten entschlüsseln.
• Greedy-Algorithmus. Dieser Algorithmus löst Optimierungsprobleme, indem er die lokal optimale Lösung findet, in der Hoffnung, dass es sich dabei um die optimale Lösung auf globaler Ebene handelt. Er garantiert jedoch nicht die optimalste Lösung.
• Rekursiver Algorithmus. Dieser Algorithmus läuft immer wieder durch, bis er ein Problem gelöst hat. Rekursive Algorithmen rufen sich selbst mit einem kleineren Wert auf, wenn eine rekursive Funktion aufgerufen wird.
• Backtracking-Algorithmus. Dieser Algorithmus findet eine Lösung für ein gegebenes Problem in inkrementellen Ansätzen und löst es Stück für Stück.
• Divide-and-Conquer-Algorithmus. Dieser gängige Algorithmus ist in zwei Teile unterteilt. Der eine Teil unterteilt ein Problem in kleinere Teilprobleme. Der zweite Teil löst diese Probleme und kombiniert sie dann zu einer Lösung.
• Algorithmus für dynamische Programmierung. Dieser Algorithmus löst Probleme, indem er sie in Teilprobleme zerlegt. Die Ergebnisse werden dann gespeichert, um sie bei zukünftigen entsprechenden Problemen anzuwenden.
• Brute-Force-Algorithmus. Dieser Algorithmus iteriert alle möglichen Lösungen für ein Problem blind und sucht nach einer oder mehreren Lösungen für eine Funktion.
• Sortieralgorithmus. Sortieralgorithmen ordnen Datenstrukturen auf der Grundlage eines Vergleichsoperators neu zu, um eine neue Reihenfolge für die Daten festzulegen.
• Hashing-Algorithmus. Dieser Algorithmus nimmt Daten und wandelt sie in eine einheitliche Nachricht mit einem Hash-Wert
• Randomisierter Algorithmus. Dieser Algorithmus reduziert Laufzeiten und zeitliche Komplexität. Er verwendet Zufallselemente als Teil seiner Logik.

Was sind Beispiele für Algorithmen?

Das maschinelle Lernen ist ein gutes Beispiel für einen Algorithmus, da es mehrere Algorithmen verwendet, um Ergebnisse vorherzusagen, ohne explizit dafür programmiert zu sein.

Beim maschinellen Lernen wird überwachtes Lernen (Supervised Learning) oder unüberwachtes Lernen (Unsupervised Learning) eingesetzt. Beim überwachten Lernen versorgen Datenwissenschaftler komplexe Algorithmen mit markierten Trainingsdaten und definieren die Variablen, die der Algorithmus auf Korrelationen untersuchen soll. Unüberwachtes maschinelles Lernen umfasst Algorithmen, die auf nicht gekennzeichneten Daten trainieren und diese nach Mustern durchsuchen, die zur Gruppierung von Datenpunkten in Teilmengen verwendet werden können. Die meisten Arten von Deep Learning, einschließlich neuronaler Netze, sind unbeaufsichtigte Algorithmen.

Das in der künstlichen Intelligenz verwendete maschinelle Lernen beruht ebenfalls auf Algorithmen. Auf maschinellem Lernen basierende Systeme können jedoch inhärente Verzerrungen in den Daten aufweisen, die den Algorithmus für maschinelles Lernen speisen. Dies könnte zu Systemen führen, die nicht vertrauenswürdig und potenziell schädlich sind.

Obwohl Algorithmen in der Informatik, der künstlichen Intelligenz und in Szenarien des maschinellen Lernens ausgiebig verwendet werden, kommen sie auch im täglichen Leben häufig zum Einsatz.

Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Algorithmen, die im realen Leben verwendet werden:

• Einem Rezept folgen. Rezepte geben eine Reihe von Schritten vor, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen, zum Beispiel die Zubereitung von Blaubeer-Muffins oder die Zubereitung von Spaghetti-Soße von Grund auf. Rezepte zielen darauf ab, konsistente Ergebnisse zu erzielen und helfen Einzelpersonen – unabhängig von ihrem Hintergrund – ein bestimmtes Gericht zuzubereiten, indem sie detaillierte Anweisungen befolgen. Auf diese Weise spiegeln Rezepte die Algorithmen der Informatik wider, die Schritte zur Erzeugung reproduzierbarer Ergebnisse vorgeben.
• Schnürsenkel binden. Das Binden von Schnürsenkeln ist ein weiteres Beispiel für das Befolgen eines Algorithmus. Es gibt zum Beispiel eine endliche Anzahl von Schritten, die zu einem richtig gebundenen traditionellen Schnürsenkelknoten führen.
• Gesichtserkennung. Die Gesichtserkennung wird häufig bei der iPhone-Anmeldung sowie bei Snapchat- und Instagram-Filtern eingesetzt. Sie funktioniert, indem Gesichtsmerkmale aus einem Foto oder Video mithilfe eines Algorithmus auf eine biometrische Karte projiziert werden. Das Programm sucht dann nach einer Übereinstimmung zwischen dieser Karte und einer Datenbank mit Gesichtern, um die Identifizierung des Nutzers zu bestätigen. Wenn die Gesichtserkennung für Snapchat- oder Instagram-Filter verwendet wird, muss die Datenbank nicht durchsucht werden, da der Algorithmus einfach eine Karte des Gesichts erstellt und den Filter darauf anwendet.
• Verkehrssignale. Verkehrssignale verwenden intelligente Algorithmen, um den Verkehrsfluss zu steuern. Diese Algorithmen gruppieren verschiedene Algorithmen oder Bewegungen, wie zum Beispiel das Geradeausfahren oder Rechtsabbiegen, in Phasen, was zur Sicherheit und Effizienz beiträgt. Wenn sich ein Autofahrer beispielsweise einer roten Ampel nähert, durchläuft die Ampel diese Phasen. Durch Auswertung des Verkehrsaufkommens entscheidet ein Algorithmus, wann es für das Fahrzeug sicher ist, weiterzufahren.
• Sortieren von Dokumenten und Papieren. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie Algorithmen für verschiedene Aufgaben und Zwecke eingesetzt werden können, zum Beispiel zum Sortieren von Dateien in alphabetischer Reihenfolge, nach Wortzahl, Datum oder nach anderen Spezifikationen. Wenn jemand seine persönlichen oder beruflichen Dokumente nach einer Reihe von Anweisungen ordnet, wendet er algorithmisches Denken an, um den Organisationsprozess mit Hilfe kleiner Aufgaben zu vereinfachen.
• Die Suche nach einem Buch in der Bibliothek. Die Suche nach einem Buch in der Bibliothek gleicht dem Befolgen eines Algorithmus oder eines Schritt-für-Schritt-Plans. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel die Nutzung des Computersystems der Bibliothek oder die Suche nach Etiketten in den Regalen, auf denen das Genre, das Thema oder der Autor des Buches angegeben sind. Egal welche Methode man wählt, wenn sie erklärt und von anderen durchgeführt werden kann, dann kann sie als Algorithmus eingestuft werden.