Die Veranstaltung Statistische Methoden der Datenanalyse ist in zwei Teile aufgeteilt.

Daten werden heute in der Regel auf elektronischem Weg erhoben. Die Studierenden erlernen, orientiert an der zeitlichen Abfolge einer Datenanalyse, den geeigneten Umgang mit statistischen Methoden zur Analyse von moderaten bis sehr großen Datenmengen. Die Übungsaufgaben werden unter Einbeziehung von gängiger Software (auch) am Computer gelöst. In der Veranstaltung wird praktische und theoretische Kompetenz in der Datenanalyse für die Erstellung von Abschlussarbeiten und die spätere Berufsausübung erworben.

Die Lehrinhalte umfassen:

SMD A: Numerische Methoden der Datenverarbeitung, Datenbehandlung und Programmierung, Algorithmen und Datenstrukturen, Methoden der linearen Algebra, Wahrscheinlichkeitsrechnung, ein- und mehrdimensionale Verteilungen, Zufallszahlen und Monte-Carlo-Methoden, Data-Mining-Methoden: Diskriminanzanalyse, Hauptkomponentenanalyse, Feature Selection, Überwachtes Lernen (kNN, Decision Trees, Random Forests), MRMR, Unüberwachtes Lernen (Ensemble-Lerner), Convolutional Neural Nets.

SMD B: Parameterschätzung, Optimierungsprobleme, Methode der kleinsten Quadrate, Maximum-Likelihood-Methode, numerische Fitverfahren, Regularisierung, Konfidenzintervalle und Hypothesentests, Parametrisierung von Daten, Bayes'sche Verfahren, Verfahren zur Lösung inverser Probleme, Validierungstechniken, Behandlung systematischer Fehler, Akzeptanzberechnung.

Die Studierenden erlernen Inhalte aus dem Grenzbereich zwischen Astronomie, Kern- und Teilchenphysik und Kosmologie und deren interdisziplinäre Diskussion. Erlernt werden auch auf dem Zusammenspiel von Theorie und Experiment beruhende Argumentationstechniken. Anhand von phänomenologischen Rechnungen wird erlernt, die Tragweite von Experimenten zu planen und zu prüfen.

Die Lerninhalte sind:

Kosmische Strahlung: Kerne, Elektronen, Photonen, Neutrinos, Nachweis energiereicher Teilchen, Beschleunigungsmechanismen, Propagation der Teilchen durch das interstellare Medium, Interaktion und Zerfall, galaktische Magnetfelder, kosmische Hintergrundstrahlung, Infrarothintergrund, kosmologische Aspekte, Stern- und Galaxienentstehung.

Astrophysikalische Quellen: Überreste von Sternexplosionen, kompakte Objekte (schwarze Löcher, Neutronensterne), Stoßwellen in der abgestoßenen Sternenhülle, Molekülwolken, Starburstgalaxien, Galaxienhaufen, Supernovae, Binärsysteme, Mikroquasare, Kerne aktiver Galaxien, Gamma Ray Bursts.

Teilchenphysikalische Quellen: Spallation, Dunkle Materie (WIMPs), topologische Defekte, Monopole, Protonzerfall, Axionen.

Teilchenphysikalische Messungen: inklusive Wirkungsquerschnitte, Energieverlust im Medium, Neutrinooszillationen, Physik bei höchsten Energien.

Nachweisinstrumente: optische Teleskope, Radioteleskope, Luftschaueranlagen, Gamma-Ray-Teleskope, Neutrino-Teleskope, Satellitenexperimente, Niederenergiedetektoren.

Praktische Konsequenzen: biologische Auswirkungen, technologische Konsequenzen.

Wie verstehen wir die Welt? Dieser Frage gehen wir nach, indem wir, der historischen Entwicklung folgend, die Ansprüche, die wir an unser Erklärungsmodell stellen, mit dem Wissen über die Natur in Beziehung setzen. Auf der Seite der Physik wird die Entwicklung von Grundbegriffen wie Zeit, Raum, Masse, Bewegung, Kausalität, Symmetrie, Wahrscheinlichkeit und Quanten von der Antike bis zur Gegenwart betrachtet. Dabei stellt sich heraus, dass diese Entwicklung nur in Beziehung auf die Erkenntnistheorien der Zeit verstanden werden kann. Daher wird parallel die Entwicklung der Erkenntnistheorien dargestellt und diskutiert. Da unser Handeln durchaus von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen bestimmt wird, ist das sich so ergebende Gesamtbild auch für das Verständnis von politischem Handeln relevant. Bezogen auf den Unterricht in Schulen wird erörtert, für welche Unterrichtsthemen in Physik wie Philosophie die diskutierten Inhalte relevant sind.

Kompetenzen: Die Studierenden erkennen die historischen Bedingungen, unter denen unser gegenwärtiges physikalisches Weltbild entstanden ist. Die Entstehung der Grundbegriffe, in denen das physikalische Weltbild formuliert wird (Raum, Zeit, Materie, Kausalität, Felder, Wahrscheinlichkeit, Quanten u. a.), wird erlernt. Im interdisziplinären Grenzbereich zwischen der Physik und der Philosophie (Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie) wird an diesem historischen Kontext gezeigt, wie physikalische Forschung begründet werden kann und wie physikalische Theorien aufgestellt und überprüft werden. Für einen etwaigen späteren Unterricht der Studierenden an Schulen oder Universitäten werden pädagogische Aspekte und Konnotationen vermittelt. Ziel der Veranstaltung ist, einen kompetenten und kritischen Umgang mit der Forschungsbegründung und Forschungsentwicklung zu vermitteln.

Diese Vorlesung wurde in enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Theoretische Philosophie, Prof. Dr. Dr. Brigitte Falkenburg, entwickelt und während vieler Jahre gemeinsam gehalten. Sie ist daher explizit auch im Philosophiestudium als philosophische Leistung anerkannt. Sie wird als physikalische Wahlveranstaltung auch in anderen Studiengängen gehört.