Heuristik

Autor: Leandro Alegsa Erstellungsdatum: 3. November 2020

Eine Heuristik ist ein praktischer Weg zur Lösung eines Problems. Sie ist besser als der Zufall, funktioniert aber nicht immer. Eine Person entwickelt eine Heuristik, indem sie Intelligenz, Erfahrung und gesunden Menschenverstand einsetzt. Versuch und Irrtum ist die einfachste Heuristik, aber eine der schwächsten. Faustregel und "fundierte Vermutungen" sind andere Bezeichnungen für einfache Heuristiken. Da eine Heuristik nicht sicher ist, ein Ergebnis zu erhalten, gibt es immer Ausnahmen.

Manchmal sind Heuristiken eher vage: "Schauen Sie, bevor Sie springen" ist ein Leitfaden für das Verhalten, aber "denken Sie über die Konsequenzen nach" ist etwas klarer. Manchmal besteht eine Heuristik aus einer ganzen Reihe von Stufen. Wenn Ärzte einen Patienten untersuchen, durchlaufen sie eine ganze Reihe von Tests und Beobachtungen. Sie finden vielleicht nicht heraus, was falsch ist, aber sie geben sich selbst die besten Chancen, erfolgreich zu sein. Dies wird als Diagnose bezeichnet.

In der Informatik ist eine "Heuristik" eine Art Algorithmus. Algorithmen werden geschrieben, um eine gute Lösung für ein Problem zu erhalten. Ein heuristischer Algorithmus kann normalerweise ziemlich gute Lösungen finden, aber es gibt keine Garantie oder keinen Beweis, dass die Lösungen korrekt sind. Die Zeit, die es dauert, den Algorithmus auszuführen, ist eine weitere Überlegung.

Hintergrund

Heuristik ist die Kunst, mit begrenztem Wissen und wenig Zeit eine adäquate Lösung für ein Problem zu finden. Formal basiert die Heuristik auf Erfahrung; sie kann die Suche nach einer Lösung mit einfachen Regeln beschleunigen. Eine vollständige Suche kann zu lange dauern oder zu schwierig sein.

Genauer gesagt sind Heuristiken Strategien, die leicht zugängliche, wenn auch lose anwendbare Informationen nutzen, um die Problemlösung bei Menschen und Maschinen zu steuern.

Heuristiken können in einigen Bereichen der Wissenschaft verwendet werden, in anderen jedoch nicht: Für die Wirtschaft ist eine um ein Prozent niedrigere Lösung oft akzeptabel; ein Teleskop, das einen Fehler von einem Grad aufweist, ist wahrscheinlich unbrauchbar, wenn es auf ein weit entferntes Objekt gerichtet ist. Das gleiche Teleskop, das auf das Fenster auf der anderen Straßenseite gerichtet ist, wird diesen Fehler wahrscheinlich tolerieren; ein um ein Grad verfehltes Teleskop wird auf kurze Entfernung keine großen Auswirkungen haben.

Heuristiken können dazu verwendet werden, eine Antwort abzuschätzen, die dann durch eine exakte Lösung in sehr kleinem Maßstab klarer wird, vielleicht um bei einem Projekt Zeit, Geld oder Arbeitskraft zu sparen. So kann z.B. durch eine heuristische Schätzung, wie viel Gewicht eine Brücke voraussichtlich tragen wird, bestimmt werden, ob die Brücke aus Holz, Stein oder Stahl bestehen sollte, und entsprechende Mengen des benötigten Materials können gekauft werden, während der genaue Entwurf der Brücke fertiggestellt wird.

Der Einsatz von Heuristiken in bestimmten sehr technischen Bereichen kann jedoch schädlich sein - die Informatik ist ein Beispiel dafür. Einen Computer so zu programmieren, dass er mehr oder weniger die gewünschten Aktionen ausführt, kann zu schweren Störungen führen. Deshalb müssen Computeraufgaben im Allgemeinen ziemlich genau sein. Es gibt jedoch bestimmte Bereiche, in denen Computer heuristische Lösungen sicher berechnen können - z.B. stützt sich die Suchtechnologie von Google stark auf Heuristiken und produziert "Beinahe-Treffer" zu einer Suchanfrage, wenn keine exakte Übereinstimmung gefunden wird. Dies ermöglicht es dem Benutzer, Fehler, die die Suche produziert, zu korrigieren. Beispiel: Wenn die Suchmaschine nach dem Namen "Peter Smith" sucht und diesen genauen Namen nicht finden kann, findet sie stattdessen heuristisch "Pete Smith", und die Person, die die Suchmaschine verwendet, muss entscheiden, ob Pete und Peter dieselbe Person sind.

Beispiele

Polya

Hier sind einige andere häufig verwendete Heuristiken aus Polyas Buch How to Solve It von 1945:

Wenn Sie Schwierigkeiten haben, ein Problem zu verstehen, versuchen Sie, ein Bild zu zeichnen.
Wenn Sie keine Lösung finden können, versuchen Sie, davon auszugehen, dass Sie eine Lösung haben und zu sehen, was Sie daraus ableiten können ("rückwärts arbeiten").
Wenn das Problem abstrakt ist, versuchen Sie, ein konkretes Beispiel zu untersuchen.
Versuchen Sie zunächst, ein allgemeineres Problem zu lösen: das "Erfinderparadoxon": der ehrgeizigere Plan hat vielleicht mehr Erfolgschancen.

Verpackungsproblem

Ein Beispiel, bei dem Heuristiken nützlich sind, ist eine Art Verpackungsproblem. Das Problem besteht darin, eine Reihe von Artikeln zu verpacken. Es gibt Regeln, die eingehalten werden müssen. Zum Beispiel hat jeder Artikel einen Wert und ein Gewicht. Das Problem besteht nun darin, die wertvollsten Gegenstände mit dem geringstmöglichen Gewicht zu erhalten. Ein anderes Beispiel ist der Einbau einer Reihe von Gegenständen unterschiedlicher Größe auf engem Raum, wie z.B. im Kofferraum eines Autos.

Um die perfekte Lösung für das Problem zu finden, müssen alle Möglichkeiten ausprobiert werden. Dies ist oft keine gute Option, da es lange dauert, sie auszuprobieren, und im Durchschnitt muss die Hälfte der Möglichkeiten ausprobiert werden, bis eine Lösung gefunden ist. Was die meisten Menschen also tun werden, ist, mit dem größten Gegenstand zu beginnen, ihn einzupassen und dann zu versuchen, die anderen Gegenstände um ihn herum anzuordnen. Das ergibt meistens eine gute Lösung. Es gibt jedoch Fälle, in denen eine solche Lösung sehr schlecht ist und eine andere Technik angewendet werden muss.

Daher ist dies eine heuristische Lösung.

Beispiel für ein Verpackungsproblem. Es handelt sich um ein eindimensionales (Zwangs-)Knapsackproblem: Welche Kisten sollten gewählt werden, um den Geldbetrag zu maximieren und das Gesamtgewicht unter 15 kg zu halten? Ein mehrdimensionales Problem könnte die Dichte oder die Abmessungen der Schachteln berücksichtigen, wobei letzteres ein typisches Verpackungsproblem ist. (Die Lösung in diesem Fall besteht darin, alle Schachteln außer der grünen zu wählen).

Fragen und Antworten

F: Was ist eine Heuristik?

A: Eine Heuristik ist ein praktischer Weg zur Lösung eines Problems, der besser ist als der Zufall, aber nicht immer funktioniert.

F: Wie werden Heuristiken entwickelt?

A: Eine Person entwickelt eine Heuristik, indem sie Intelligenz, Erfahrung und gesunden Menschenverstand einsetzt.

F: Was ist die einfachste Heuristik?

A: Die einfachste Heuristik ist Versuch und Irrtum.

F: Wie lauten andere Namen für einfache Heuristiken?

A: Andere Bezeichnungen für einfache Heuristiken sind Daumenregel und 'educated guesses'.

F: Gibt es bei Heuristiken immer Ausnahmen?

A: Ja, da eine Heuristik nicht sicher zu einem Ergebnis führt, gibt es immer Ausnahmen.

F: Was ist eine Diagnose im medizinischen Bereich?

A: Eine Diagnose ist eine ganze Reihe von Schritten, die Ärzte bei der Untersuchung eines Patienten durchlaufen, um sich selbst die besten Chancen auf Erfolg zu geben.

F: Was ist eine "Heuristik" in der Computerwissenschaft?

A: In der Informatik ist eine Heuristik eine Art von Algorithmus, der in der Regel recht gute Lösungen findet, aber es gibt keine Garantie oder einen Beweis dafür, dass die Lösungen korrekt sind.