Informatik

Informatik ist die „Wissenschaft von der systematischen Darstellung, Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Digitalrechnern“. Historisch hat sich die Informatik einerseits aus der Mathematik als Strukturwissenschaft entwickelt, andererseits als Ingenieursdisziplin aus dem praktischen Bedarf nach der schnellen und insbesondere automatischen Ausführung von Berechnungen.

Bereits Leibniz hatte sich mit binären Zahlendarstellungen beschäftigt. Gemeinsam mit der Booleschen Algebra, die zuerst 1847 von George Boole ausgearbeitet wurde, bilden sie die wichtigsten mathematischen Grundlagen späterer Rechensysteme. 1937 veröffentlicht Alan Turing seine Arbeit On Computable Numbers with an application to the Entscheidungsproblem, in welcher die nach ihm benannte Turingmaschine vorgestellt wird, ein mathematisches Maschinenmodell, das bis heute für die Theoretische Informatik von größter Bedeutung ist. Dem Begriff der Berechenbarkeit liegen bis heute universelle Modelle, wie die Turingmaschine und die Komplexitätstheorie zu Grunde, die sich ab den 1960er Jahren zu entwickeln begann. Die Berechenbarkeit greift bis in die Gegenwart auf Varianten dieser Modelle zurück.

Die Informatik unterteilt sich in die Teilgebiete der Theoretischen Informatik, der Praktischen Informatik und der Technischen Informatik.

Theoretische Informatik

→ Hauptartikel: Theoretische Informatik

Als Rückgrat der Informatik befasst sich das Gebiet der Theoretischen Informatik mit den abstrakten und mathematikorientierten Aspekten der Wissenschaft. Das Gebiet ist breit gefächert und beschäftigt sich unter anderem mit Themen aus der theoretischen Linguistik (Theorie formaler Sprachen bzw. Automatentheorie), Berechenbarkeits- und Komplexitätstheorie. Ziel dieser Teilgebiete ist es, fundamentale Fragen wie „Was kann berechnet werden?“ und „Wie effektiv/effizient kann man etwas berechnen?“ umfassend zu beantworten.

Automatentheorie und Formale Sprachen

→ Hauptartikel: Formale Sprache

Automaten sind in der Informatik „gedachte Maschinen“, die sich nach bestimmten Regeln verhalten. Ein endlicher Automat hat eine endliche Menge von inneren Zuständen. Er liest ein „Eingabewort“ zeichenweise ein und führt bei jedem Zeichen einen Zustandsübergang durch. Zusätzlich kann er bei jedem Zustandsübergang ein „Ausgabesymbol“ ausgeben. Nach Ende der Eingabe kann der Automat das Eingabewort akzeptieren oder ablehnen.

Der Ansatz der formalen Sprachen hat seinen Ursprung in der Linguistik und eignet sich daher gut zur Beschreibung von Programmiersprachen. Formale Sprachen lassen sich aber auch durch Automatenmodelle beschreiben, da die Menge aller von einem Automaten akzeptierten Wörter als formale Sprache betrachtet werden kann.

Kompliziertere Modelle verfügen über einen Speicher, zum Beispiel Kellerautomaten oder die Turingmaschine, welche gemäß der Church-Turing-These alle durch Menschen berechenbaren Funktionen nachbilden kann.

Berechenbarkeitstheorie

→ Hauptartikel: Berechenbarkeitstheorie

Im Rahmen der Berechenbarkeitstheorie untersucht die theoretische Informatik, welche Probleme mit welchen Maschinen lösbar sind. Ein Rechnermodell oder eine Programmiersprache heißt Turing-vollständig, wenn damit eine universelle Turingmaschine simuliert werden kann. Alle heute eingesetzten Computer und die meisten Programmiersprachen sind Turing-vollständig, das heißt man kann damit dieselben Aufgaben lösen. Auch alternative Berechnungsmodelle wie der Lambda-Kalkül, WHILE-Programme, μ-rekursive Funktionen oder Registermaschinen stellten sich als Turing-vollständig heraus. Aus diesen Erkenntnissen entwickelte sich die Church-Turing-These, die zwar formal nicht beweisbar ist, jedoch allgemein akzeptiert wird.

Praktische Informatik

Die Praktische Informatik entwickelt grundlegende Konzepte und Methoden zur Lösung konkreter Probleme in der realen Welt, beispielsweise der Verwaltung von Daten in Datenstrukturen oder der Entwicklung von Software. Einen wichtigen Stellenwert hat dabei die Entwicklung von Algorithmen. Beispiele dafür sind Sortier- und Suchalgorithmen.
Eines der zentralen Themen der praktischen Informatik ist die Softwaretechnik (auch Softwareengineering genannt). Sie beschäftigt sich mit der systematischen Erstellung von Software. Es werden auch Konzepte und Lösungsvorschläge für große Softwareprojekte entwickelt, die einen wiederholbaren Prozess von der Idee bis zur fertigen Software erlauben sollen.

Technische Informatik

Die Technische Informatik befasst sich mit den hardwareseitigen Grundlagen der Informatik, wie etwa Mikroprozessortechnik, Rechnerarchitektur, eingebetteten und Echtzeitsystemen, Rechnernetzen samt der zugehörigen systemnahen Software, sowie den hierfür entwickelten Modellierungs- und Bewertungsmethoden.

Wirtschaftsinformatik

Die Wirtschaftsinformatik beschäftigt sich mit der Digitalisierung in Wirtschaft, Verwaltung und Gesellschaft. Die Wirtschaftsinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit Entwicklung und Anwendung von Informations- und Kommunikationssystemen in Wirtschaftsunternehmen befasst. Aus Sicht der Informatik handelt es sich bei der Wirtschaftsinformatik um eine Angewandte Informatik.

Da sich die Wirtschaftsinformatik mit der Entwicklung von Informationssystemen befasst, wird sie auch als Ingenieurwissenschaft verstanden. In erster Linie jedoch setzt sie sich mit Informations- und Kommunikationssystemen auseinander, die ebenso wie in der Informatik nicht zwangsläufig als computergestützte Systeme verstanden werden. Vielmehr entwickelt die Wirtschaftsinformatik für reale, soziale und wirtschaftliche Systeme Modelle und versucht, daraus Anforderungen für Informationssysteme zu formulieren und Informationsmodelle zu generieren.

Informatik in interdisziplinären Wissenschaften

Dieses interdisziplinäre Feld beschäftigt sich mit der computergestützten Analyse, Modellierung und Simulation von naturwissenschaftlichen Problemen und Prozessen.

Die Bioinformatik (englisch bioinformatics, auch computational biology) befasst sich mit den informatischen Grundlagen und Anwendungen der Speicherung, Organisation und Analyse biologischer Daten. Die ersten reinen Bioinformatikanwendungen wurden für die DNA-Sequenzanalyse entwickelt. Dabei geht es primär um das schnelle Auffinden von Mustern in langen DNA-Sequenzen und die Lösung des Problems, wie man zwei oder mehr ähnliche Sequenzen so übereinander legt und gegeneinander ausrichtet, dass man eine möglichst optimale Übereinstimmung erzielt (sequence alignment). Mit der Aufklärung und weitreichenden Funktionsanalyse verschiedener vollständiger Genome (z. B. des Fadenwurms Caenorhabditis elegans) verlagert sich der Schwerpunkt bioinformatischer Arbeit auf Fragestellungen der Proteomik, wie z. B. dem Problem der Proteinfaltung und Strukturvorhersage, also der Frage nach der Sekundär- oder Tertiärstruktur bei gegebener Aminosäuresequenz.