Der Algorithmus und seine Einsatzgebiete im Überblick

Algorithmen sind eine universelle Sprache zur Beschreibung unserer Probleme, Ideen und Lösungsansätze. Bei unseren Tätigkeiten kommen Algorithmen überall vor, auch wenn wir sie als solche nicht erkennen und nicht wahrnehmen. Ein Algorithmus wird von jedem Menschen verwendet, um eine Routineaufgabe zu lösen. Auch die Schritte beim Zähneputzen oder zum Backen eines Kuchens können mit einem Algorithmus beschrieben werden. Vor Anwendung eines Algorithmus muss man wissen und festlegen, wie genau die Aufgabe zu lösen ist – mit welchen Ausführungsschritten, in welcher Reihenfolge und mit welchen Abhängigkeiten, Bedingungen und Regeln.

Algorithmen sind universell, weil sie verschiedene Aufgaben – von ganz einfachen Alltagsaufgaben bis zu sehr komplexen wissenschaftlichen Problemen – beschreiben und lösen können. Der Prozess der Beschreibung einer Aufgabe ähnelt sich dem Programmieren. Ist die Aufgabe einmal formalisiert dargestellt, zum Beispiel in einer Programmiersprache, kann die Aufgabe auch von einem Computer ausgeführt werden. Die zur Lösung der Aufgabe erforderlichen Schritte kann man sich als einen Satz von Regeln, Objekten und genauen Anweisungen (Aktionen) vorstellen.

Unter welchen Voraussetzungen kommen Algorithmen zum Einsatz?

Algorithmen kommen zum Einsatz, wenn eine formalisierte Modellbeschreibung möglich ist und die Aufgabe mit einer endlichen Anzahl von Schritten in einer Sprache Ihrer Wahl genau definiert werden kann. Eine Formalisierung der Aufgabe ist erforderlich, um eine effektive Methode zur Lösung der Aufgabe mit dem Algorithmus zu bestimmen und den Ablauf kompakt, jedoch vollständig, eindeutig und korrekt darzustellen.

Hier ein Beispiel eines einfachen Fußgängeralgorithmus, mit dem man eine Straße sicher überquert:

1. Nähern Sie sich der nächsten Kreuzung, die auf dem Weg zum Zielort liegt.
2. Warten Sie auf die grüne Ampel.
3. Überqueren Sie die Straße auf dem Zebrastreifen.
4. Wenn eine andere Kreuzung vor Ihnen liegt, fahren Sie mit Schritt 1 fort.

Eine Besonderheit eines guten Algorithmus ist, dass die in Form einer klaren Schritt-für-Schritt-Anweisung beschriebene Aufgabe nicht nur von dem Autor, sondern auch von einem anderen Ausführer (Person, Computer, Maschine) erledigt werden kann. Ein guter Algorithmus zeichnet sich durch hohe Intelligenz aus, handelt geschickt und deckt alle möglichen Situationen ab. In jeder Situation – sowohl im Normalfall als auch in einem Fehlerfall – trifft der Algorithmus eine optimale Entscheidung und ergreift die richtigen zielführenden Aktionen.

Wo und wie werden Algorithmen verwendet?

Algorithmen existieren in Form von genauen und für einen Ausführer verständlichen Anweisungen. Komplexe Algorithmen sind am besten für Computer geeignet. Ein Vorteil von Computeralgorithmen besteht darin, dass sie automatisch und wiederholt ausgeführt werden können, wie z.B. der Algorithmus eines Ticketautomaten an einer Bushaltestelle. Der Algorithmus ist das Herzstück jedes Computersystems, jedes Anwendungsprogramms und jeder intelligenten Maschine.

Das Konzept eines Algorithmus bezieht sich auf die Grundbegriffe der Mathematik und Informatik, gilt jedoch nicht ausschließlich nur für Computerprogramme. Auch ein Mensch führt einen Algorithmus aus, wenn er beispielsweise einen Kuchen nach einem bestimmten Kochbuchrezept backt. Das Rezept enthält alle zum Backen des Kuchens erforderlichen Informationen, Anweisungen und Arbeitsschritte und fungiert so als ein Algorithmus.

Drei Arten von Algorithmen: Rechen-, Steuerungs- und Entscheidungsalgorithmen

Rechenalgorithmen

Im allgemeinen Fall kann der Ausführer eines Algorithmus eine Person, ein Computer, eine Maschine oder ein Mechanismus sein. Während sich Rechenalgorithmen mit mathematischen Berechnungen und Formeln beschäftigen und von Computern ausgeführt werden, gehören Steuerungsalgorithmen zum Zuständigkeitsbereich von Maschinen und Automaten. Intelligente Maschinen wie moderne vernetzte Autos oder Roboter haben Schnittstellen zur Interaktion mit Menschen sowie mit anderen Maschinen, so dass die Informationen zwischen Maschinen beziehungsweise zwischen den gehosteten Algorithmen ausgetauscht werden können.

Steuerungsalgorithmen

Steuerungsalgorithmen sind dafür ausgelegt, auf verschiedene externe Ereignisse und Informationen nach den vordefinierten Regeln zu reagieren und entsprechende Handlungen als Reaktionen auszuführen. Steuerungsalgorithmen können bestimmte Ereignisse und Aktionen anhand der vorliegenden Informationen auch selbstständig auslösen bzw. aktiv ausführen. Im Gegensatz zu Rechenalgorithmen können Steuerungsalgorithmen zeitlich unbegrenzt laufen, um eine bestimmte Aufgabe dauerhaft und automatisch zu lösen.

Funktioniert der Algorithmus zur Lösung einer Aufgabe korrekt – d.h. wurde vollständig definiert, ist fehlerfrei und kommt in einem Computer, einer Maschine oder einem Automat zum Einsatz – so kann man davon ausgehen, dass der Algorithmus niemals „müde“ wird und seine Aufgabe exakt nach den Vorschriften erfüllt. Ein automatischer Algorithmus führt seine Aufgaben immer korrekt aus, solange keine unerwarteten Fehler passieren, deren Bearbeitung im Algorithmus nicht vorgesehen worden sind, und solange die Host-Maschine normal arbeitet.

Entscheidungsalgorithmen

Entscheidungsalgorithmen haben mehr mit der menschlichen bzw. künstlichen Intelligenz (KI) zu tun als Rechen- oder Steuerungsalgorithmen. Sie kommen zum Einsatz, wenn man eine optimale Entscheidung anhand der gegebenen Informationen und Entscheidungskriterien treffen muss. Moderne Entscheidungsalgorithmen setzen die Digitalisierung voraus und werden zusammen mit Internet, Informationstechnologien und KI ein Teil unserer vernetzten Welt. Ein klassisches Beispiel eines Entscheidungsalgorithmus ist der Algorithmus eines Schach-Programms, das die Elemente künstlicher Intelligenz aufweist.

Algorithmen und künstliche Intelligenz (KI)

Der Computer als eine Maschine ist nur so intelligent wie seine Programme und Algorithmen. Algorithmen helfen uns nicht nur, Computer besser zu verstehen, sondern auch unsere eigenen Ideen besser zu formulieren und die gewünschten Resultate effizienter zu erzielen. Damit Algorithmen noch leistungsstärker und intelligenter werden und mehr Aufgaben lösen können, sind Rechen-, Steuerungs- und Entscheidungsalgorithmen in modernen Systemen miteinander verknüpft und integriert. Fortgeschrittene Algorithmen sind nicht nur für die Softwarequalität entscheidend, sondern bilden auch die Basis für die künstliche Intelligenz.

Algorithmen und die Lebensqualität

Allmählich nehmen Algorithmen einen zentralen Platz nicht nur in der Informatik und Computertechnologie sondern auch in der modernen Technik und Industrie. Obwohl der aktuelle Ruhm des Algorithmus direkt mit der Digitalisierung und Verbreitung von Informationstechnologien (IT) zusammenhängt, sind Algorithmen in unserem Alltag und Beruf fest verankert und überall einsetzbar.

Die Qualität, Korrektheit und Intelligenz von Algorithmen bestimmen die Lebensqualität. Denn Aktivitäten von Menschen werden nicht durch intelligente Maschinen und Automaten komplett ersetzt, sondern werden mit diesen integriert. Damit diese Symbiose besser funktioniert, müssen wir unsere Kenntnisse über Algorithmen, Computer und Informationstechnologien verbessern und ausbauen. Die Erweiterung dieses Wissens ist für alle Menschen wichtig und erforderlich, damit Menschen und Computer einander besser verstehen.

Fazit

Genauso wie Computer beeinflussen auch Algorithmen zunehmend unser Leben. In der Ära der Digitalisierung, Automatisierung und künstlichen Intelligenz gilt der Algorithmus nicht nur als der Grundbegriff der Informatik und ist kein Prärogativ von Computerexperten. In der modernen Welt werden Algorithmen zum entscheidenden Erfolgsfaktor. Es ist für die Gesellschaft wichtig und unabdingbar, dass jeder Mensch die Grundprinzipien von Algorithmen versteht.

Algorithmen dienen zur Verbesserung der gegenseitigen Verständigung und Kommunikation zwischen Menschen und Maschinen im alltäglichen Leben jedes einzelnen Menschen und verbessern so unsere Lebensqualität. Wenn Sie ihre Aufgaben und Probleme besser lösen wollen, lohnt es sich, Algorithmen zu lernen und aktiv zu verwenden.