Ein Algorithmus ist eine eindeutige, schrittweise definierte Handlungsvorschrift zur Lösung eines Problems oder zur Durchführung einer bestimmten Aufgabe. In der Informatik ist ein Algorithmus ein zentraler Baustein für die Programmierung und Automatisierung von Prozessen. Er beschreibt, wie Eingabedaten verarbeitet werden müssen, um zu einem gewünschten Ergebnis zu gelangen.
Der Begriff stammt ursprünglich aus der Mathematik und geht auf den persischen Gelehrten Al-Chwarizmi zurück, dessen Werke im Mittelalter den Grundstein für systematisches Rechnen legten.
Was ist ein Algorithmus?
Ein Algorithmus ist eine Art „Rezept“, das eine klare Abfolge von Anweisungen vorgibt. Diese Anweisungen sind so formuliert, dass sie auch von Maschinen (etwa Computern) eindeutig interpretiert und ausgeführt werden können. Algorithmen finden sich nicht nur in komplexen Softwarelösungen, sondern auch in alltäglichen Vorgängen, zum Beispiel beim Sortieren von Namen in alphabetischer Reihenfolge oder beim Navigieren von A nach B mit einer digitalen Karte.
Damit ein Verfahren als Algorithmus gilt, muss es bestimmte Eigenschaften erfüllen:
- Eindeutigkeit: Jeder Schritt ist klar definiert und führt zu einem eindeutigen Ergebnis.
- Endlichkeit: Der Algorithmus endet nach einer begrenzten Anzahl von Schritten.
- Ausführbarkeit: Die Anweisungen müssen tatsächlich durchführbar sein – sei es durch Menschen oder Maschinen.
- Determinismus (klassischerweise): Bei gleichen Eingaben liefert der Algorithmus immer die gleichen Ausgaben.
Wie funktioniert ein Algorithmus?
Ein Algorithmus arbeitet grundsätzlich nach dem folgenden Schema:
Eingabe (Input)
Der Algorithmus erhält einen definierten Satz an Anfangsdaten.
Verarbeitung
Die Daten werden gemäß einer festgelegten Logik Schritt für Schritt bearbeitet.
Ausgabe (Output)
Das Ergebnis des Prozesses wird zurückgegeben oder an einen weiteren Verarbeitungsschritt übergeben.
Beispiel: Ein einfacher Algorithmus zur Bestimmung des größten Werts in einer Zahlenreihe durchläuft jede Zahl, vergleicht sie mit dem bisher größten Wert und speichert diesen gegebenenfalls. Am Ende gibt er die größte gefundene Zahl zurück.
In der Praxis bestehen viele Algorithmen aus mehreren verschachtelten Teilschritten, Schleifen, Bedingungen oder rekursiven Aufrufen, wodurch sie auch komplexe Probleme lösen können.
Wofür werden Algorithmen eingesetzt?
Algorithmen sind das Herzstück fast jeder digitalen Anwendung. Sie ermöglichen die Automatisierung, Analyse und Optimierung von Aufgaben in verschiedensten Bereichen.
Beispiele für den Einsatz von Algorithmen sind:
- Suchmaschinen: Algorithmen durchsuchen das Internet nach relevanten Informationen und sortieren Ergebnisse nach Relevanz.
- Navigation: Sie berechnen den kürzesten oder schnellsten Weg unter Berücksichtigung aktueller Verkehrsdaten.
- Social Media: Algorithmen bestimmen, welche Inhalte Nutzern angezeigt werden, basierend auf Vorlieben, Interaktionen oder Verhalten.
- Maschinelles Lernen: Lernalgorithmen analysieren Daten, erkennen Muster und passen sich neuen Informationen an.
- Finanzmärkte: Algorithmen analysieren Trends, führen automatisch Handelsentscheidungen durch oder bewerten Risiken.
- Medizin: Sie helfen bei der Auswertung von Bilddaten, der Diagnose von Erkrankungen oder der Individualisierung von Therapien.
Arten von Algorithmen (Auswahl)
Es gibt eine Vielzahl von Algorithmentypen, die je nach Aufgabenstellung unterschiedlich funktionieren:
- Sortieralgorithmen (z. B. QuickSort, MergeSort): Ordnen Daten nach bestimmten Kriterien
- Suchalgorithmen (z. B. Binäre Suche): Finden gezielt Informationen in großen Datenmengen
- Optimierungsalgorithmen (z. B. genetische Algorithmen): Suchen nach der besten Lösung unter vielen möglichen
- Kryptografische Algorithmen (z. B. RSA, AES): Sichern Daten durch Verschlüsselung
- Graphenalgorithmen (z. B. Dijkstra): Analysieren Netzwerke oder Beziehungsstrukturen
- Rekursive Algorithmen: Rufen sich selbst auf, um ein Problem schrittweise zu lösen
Moderne Entwicklungen wie künstliche Intelligenz oder Big Data beruhen auf besonders komplexen Algorithmen, die riesige Datenmengen analysieren, lernen und sich dynamisch anpassen können.
Bedeutung in der Informatik und im Alltag
Algorithmen sind ein grundlegender Bestandteil der Informatik und bilden die Basis nahezu jeder digitalen Anwendung. Ob beim Schreiben von Software, beim Steuern von Maschinen oder beim Auswerten von Daten – überall kommen Algorithmen zum Einsatz. Sie ermöglichen es, Prozesse zu automatisieren, Aufgaben effizient zu lösen und große Datenmengen systematisch zu analysieren.
Auch im Alltag begegnen uns Algorithmen regelmäßig, zum Beispiel bei der Navigation mit dem Smartphone, bei Produktempfehlungen in Online-Shops oder bei der Anzeige von Inhalten in sozialen Netzwerken.
Ihre Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit machen sie also zu einem der präsentesten und wichtigsten Werkzeuge der digitalen Welt.