מדעי המחשב הוא ענף מדעי העוסק בלימוד הבסיס התאורטי למידע ולחישוביות, והחלתם של אלה על מערכות מחשב.
למדעי המחשב מספר רב של ענפי-משנה; חלקם מדגישים את היבטי החישוביות של תוצאות פרטניות (לדוגמה, גרפיקה ממוחשבת), אחרים עוסקים בחקר התכונות של בעיות חישוביות כלליות (לדוגמה, סיבוכיות), וענפי-משנה אחרים מתמקדים בפתרון הבעיות הכרוכות ביישום מעשי של חישובים ואלגוריתמים. ענף משמעותי במדעי המחשב הוא חקר ויישום שפות פורמליות לפתרון בעיות חישוביות מסוימות (לדוגמה, באמצעות שפת תכנות).
תרגום מכונה הוא פעולת תרגום משפה אחת לשפה אחרת המבוצעת על ידי תוכנתמחשב. התוכנה קולטת נוסח (לרוב טקסט כתוב) בשפה אחת, הנקראת שפת המקור, ופולטת תרגום של נוסח זה בשפת היעד.
תרגום מכונה הוא אחד מהנושאים הראשונים שהתעניינו בהם במדעי המחשב. אף שתרגום באמצעות מכונה הוא יעד חמקמק, כיום ישנן כמה מערכות המועילות לצרכים מסוימים. הענף במדעי המחשב העוסק בתרגום מכונה ובסוגיות דומות מכונה "עיבוד שפה טבעית".
למרות מגבלותיהן, תוכנות תרגום מכונה נמצאות בשימוש על ידי ארגונים שונים בכל העולם. המשתמש הגדול ביותר הוא כנראה האיחוד האירופי, שמשתמש בגרסה משופרת של מערכת SYSTRAN, על מנת לעזור בתרגום אוטומטי של כמות גדולה של טיוטות ראשוניות של מסמכים לשימוש פנימי.
החוקרים חלוקים ביניהם בשאלה האם תרגום מכונה מושלם ללא סיוע אנושי יהיה אפשרי אי פעם בעתיד. לדוגמה, פרופ' יעקב שויקה מאוניברסיטת בר-אילן, מראשוני החוקרים בתחום הבלשנות החישובית בישראל, העריך שתרגום מכונה מלא אינו אפשרי, וכי ייתכן שבעתיד אף יימצא חוק מדעי שמגדיר את רמת הדיוק שאפשר להגיע אליה בתרגום אוטומטי. גם מי שאופטימי מעריך שייקחו עוד שנים רבות של מחקר לפתרון הבעיה. למרות זאת, יש צפי להתפתחות רבה של התחום שישפרו את יכולתו לסייע במצבים שבהם תרגום אנושי הוא יקר מדי, או איטי מדי.
ב-1959 פרסם רבין יחד עם דנה סקוט מאמר קצר ואלגנטי בו הראו כיצד ניתן להתייחס לאוטומט כאל אובייקט מתמטי, הוכיחו את המשפטים העיקריים בתחום והמציא את האוטומט סופי לא דטרמיניסטי. שני הכותבים קיבלו את פרס טיורינג על מאמר זה.
פונקציית גיבוב (Hash function) היא פונקציה שממירה קלט חופשי באורך משתנה לפלט באורך קבוע, בדרך כלל קצר בהרבה. לפונקציות אלו שימושים בבעיות אלגוריתמיות רבות, ובהן מיון וחיפוש בטקסטים ארוכים ובקריפטוגרפיה. בתמונה תיאור שלדי של פונקציית גיבוב.
גרף הינו אחד ממבני הנתונים השימושיים ביותר. בדוגמה לעיל, עץ פורש מינימלי, אשר מתאר את אוסף הקשתות בעל המשקל הנמוך ביותר, אשר מכסה את כלל צמתי הגרף.
מדעי המחשב, בהיותם מדע, מתבססים על יסודות מתמטיים רבים מתחום האלגברה, הקומבינטוריקה והלוגיקה.
מדעי המחשב מציעים מגוון של מבני נתונים מופשטים המהווים מודל מתמטי נוח עבור בעיות יום-יומיות. שימוש במודלים אלו מאפשר גיבוש, ניתוח ומיטובאלגוריתמים עבור בעיות אלו.
חישוביות הינה תחום תאוריה בסיסי במדעי המחשב אשר עוסק ביכולת החישוב של מחשב: מה ניתן ומה לא ניתן לחשב על ידי מחשב. הניתוח המדעי מבוסס על מודל מתמטי עבור מכונת חישוב אשר נקרא מכונת טיורינג.
סיבוכיות חישובית היא ענף של תחום החישוביות אשר מתמקד בפונקציות אשר ניתן לחשב במחשב, ועוסק ביעילות הביצוע של אותו חישוב: כמה מהר ניתן לעשותו, מה הזיכרון המינימלי הנדרש וכיוצא בזה.
אלגוריתם הוא דרך שיטתית (כלומר כזו שצעדיה מוגדרים היטב) לביצוע של משימה מסוימת במספר סופי של צעדים. מתכון להכנת עוגה הוא דוגמה לאלגוריתם, אך בדרך-כלל משמש מושג זה לפתרון בעיות במתמטיקה או במדעי המחשב. כל תוכנית מחשב היא אלגוריתם, או אוסף של אלגוריתמים.
בינה מלאכותית היא ענף של מדעי המחשב העוסק ביכולתם של מחשבים לפעול באופן המציג יכולות השמורות עד כה לבינה האנושית בלבד. מכיוון שמחשב יכול לבצע פעילויות מוגדרות במהירות רבה ביותר, לעיתים נוצרת התחושה שהוא מדמה פעולה אינטליגנטית, כגון יכולת משחק שחמט או ניהול שיחה.
בשנת 1950 הוגדר הכלי שבעזרתו ניתן לקבוע האם מכונה הגיעה לרף האינטליגנציה האנושית, במבחן הקרוי מבחן טיורינג:
"אם יינתן לאדם, היושב בחדר סגור, לנהל שיחה באמצעות ממשק מחשב (Console) עם ישות שנמצאת בחדר השני, כאשר אותה ישות תהיה או אדם או מכונה, והמשוחח לא יוכל לזהות האם מולו ניצב אדם או מכונה, או-אז המכונה תחשב לתבונית.
שימוש בגרפיקה ממוחשבת (ובפרט בגרפיקת תלת־ממד) לצורך יצירת אנימציה קרוי אנימציה ממוחשבת. לטכנולוגיה זו שימושים רבים בקולנוע, בטלוויזיה ובמשחקי מחשב.
היכולת של הגרפיקה הממוחשבת (ובפרט גרפיקת תלת־ממד) לייצר תמונות ריאליסטיות משמשת גם באדריכלות, רפואה ובתחומי תעשייה אחרים.
תחום אחר בגרפיקה הממוחשבת, עיבוד תמונה, משמש בעיקר לעיבוד תמונות שצולמו במצלמה. בעזרת שיטות אלה אפשר לתקן פגמים שנפלו בצילום, לשנות את תכונות התמונה כולה או חלקים ממנה, וכן ליצור אפקטים מיוחדים כגון מורפינג.
חישוב קוונטי הינו תחום במדעי המחשב בו מכונת החישוב פועלת על פי עקרונות הפיזיקה הקוונטית ומוגבלת אך ורק על ידי חוקים פיזיקליים אלו. להבדיל ממכונת החישוב ה"קלאסית" (מכונת טיורינג הפועלת לפי חוקי הפיזיקה הקלאסית), המחשב הקוונטי יודע לעבד ביטים-קוונטיים, קיוביטים, בעלי התכונה המוזרה שמצבם אינו בהכרח '0' או '1' אלא יכול להיות סופרפוזיציה שלהם. מודל חישובי זה מאפשר ביצוע אלגוריתמים קוונטיים בעלי מקביליות גבוהה, ויעילות טובה יותר מהאלגוריתם הקלאסי הרגיל.
כח החישוב של מחשב קוונטי אינו גדול יותר מאשר של מחשב רגיל, אך כאמור יעילותו גבוהה יותר. פעולות כמו מציאת גורם ראשוני של מספר גדול, או מציאת מפתח של צופן, ניתנות לביצוע במחשב קוונטי ביעילות פולינומית, לעומת היעילות האקספוננציאלית של מחשב קלאסי.
תורת הקודים היא תחום במתמטיקה ובמדעי המחשב שעוסק בהעברה יעילה של מידע דרך מערכת מציאותית שיוצרת שגיאות ברצף.
כאשר מעבירים מידע דרך מוליך טוב ככל שיהיה (גלי רדיו, קווי טלפון), נופלות טעויות במידע כתוצאה מרעשי רקע שנוצרים מסיבות טכניות בעיקר. שגיאה קטנה ככל שתהיה יכולה לעוות את המידע המתקבל ולהפוך אותו לחסר משמעות, או לבעל משמעות שונה מהרצוי. הבעיה קיימת מאז ומעולם גם בשפת הדיבור והכתיבה. ניתן לראות טעויות דפוס שנובעות מהחלפת אותיות כמעט בכל ספר שיוצא לשוק.
בעיה זו נעשתה חריפה במיוחד בתקשורת בין מחשבים, בה שינוי של ביט אחד במסר יכול להרוס את החישוב כולו.
בתורת הקודים מפותח מושג הקוד וכן גם כלים שמאפשרים הבחנה ותיקון שגיאות במידע המתקבל.
Donald E. Knuth, The Art of Computer Programming, vol 2 & 3, Addison-Wesley Publishing Company
תיאור של מדף ספרים במדעי המחשב לא יהיה שלם בלי לכלול בו את סדרת ספריו החלוצית של דונלד קנות', The Art of Computer Programming. החלק הראשון בסדרה יצא לאור בשנת 1968, ובו הבטחה לסדרה בת שבעה כרכים. אחריו יצאו לאור עוד שני חלקים, וכל השלושה זכו למהדורות נוספות, מעודכנות ומורחבות. ספרי הסדרה עוסקים בצורה מעמיקה בנושאי יסוד במדעי המחשב: אלגוריתמים, מבני נתונים, מספרים אקראיים, אריתמטיקה, מיון וחיפוש. קנות' ממשיך לעבוד על חלקים נוספים בסדרה ועל מהדורות נוספות לחלקים שכבר יצאו לאור.