لزوم یادگیری الگوریتم برای ورود به برنامه نویسی

امروزه تمام دنیا، دیجیتالی شده است. هر وسیله معمولی که زندگی را بسیار آسان و سریع می کند، دارای عقل و احساس ارتباط است. این پیشرفت‌ های تکنولوژیک به کمک نرم‌ افزار، مجموعه ‌ای از برنامه‌ هایی که برای حل مشکلی خاص طراحی شده‌ اند صورت می ‌گیرد. هر برنامه بر اساس الگوریتم است که یک منطق یا راه حل دارد. در این مقاله توضیح خواهیم داد که الگوریتم چیست و در چه مواردی کاربرد دارد. 

مردم اغلب می پرسند 'الگوریتم چیست؟' برای پاسخ باید گفت؛ الگوریتم تکنیکی گام به گام است که مجموعه ای از دستورالعمل ها را مشخص می کند که برای دستیابی به نتیجه مورد نظر باید به ترتیب دقیق دنبال شوند. الگوریتم‌ ها معمولاً مستقل از زبان‌ های برنامه ‌نویسی اصلی طراحی می ‌شوند بدان معنا که ممکن است در چندین زبان پیاده ‌سازی شوند. ویژگی های الگوریتم شامل ابهام، ظرافت، کارایی و استقلال زبان است. مقیاس پذیری و عملکرد الگوریتم، عناصر اصلی هستند که بر ارتباط آن تأثیر می گذارند.

الگوریتم چیست؟

الگوریتم مجموعه ای از دستورالعمل ها است که کامپیوتر باید به منظور اجرای محاسبات یا سایر کارهای حل مسئله از آن ها پیروی کند. الگوریتم مجموعه‌ ای محدود از دستورالعمل ‌ها است که با ترتیب معینی برای اجرای کاری مطابق با مشخصات رسمی آن انجام می ‌شود. این کل برنامه یا کد نیست. بلکه استدلال اساسی مشکل است که به شکل فلوچارت یا شبه کد بیان می شود.

قانون حل مشکل یا مسئله در دنیای واقعی این است که برای آن باید برنامه یا مجموعه ای از دستورالعمل ها ایجاد کنید. به این مجموعه  از دستورالعمل ها، الگوریتم گفته می شود.

الگوریتم: الگوریتم تکنیکی گام به گام است که برای حل مسئله ایجاد می شود.

ورودی: به الگوریتم پس از طراحی، ورودی های مورد نیاز و مطلوب داده می شود.

واحد پردازش: داده ها به واحد پردازش ارسال می شود که نتیجه مطلوب را ارائه می دهد.

خروجی: خروجی برنامه، نتیجه برنامه است.

ویژگی های الگوریتم

هر الگوریتمی باید ویژگی های خاصی داشته باشد که در این جا لیستی از برخی از آن ها آورده شده است:

ورودی مشخص شده

 اطلاعاتی که در طول محاسبات برای تولید نتیجه تغییر می ‌کند، ورودی نامیده می ‌شود. الگوریتم باید حداقل ورودی توصیف شده را داشته باشد. دقت ورودی، نیاز به درک کامل از نوع داده، مقدار و نحوه سازماندهی آن دارد.

 خروجی مشخص شده

اطلاعات به دست آمده در نتیجه محاسبات، خروجی است. حداقل یک خروجی توصیف شده کلی برای الگوریتم، مورد نیاز است و خروجی ایده آل باید هماهنگ شود. دقت در خروجی همچنین مستلزم دانستن نوع اطلاعات، مقدار و فرمت خروجی است. 

واضح و بدون ابهام

 الگوریتم ها باید هر مرحله را تعیین کنند و هر مرحله باید در همه رفتارها متمایز باشد و به معنای واحدی منجر شود. در نتیجه، الگوریتم باید ساده و سرراست باشد. ویژگی های هر مرحله نیز باید مورد بحث قرار گیرد (شمارش نحوه برخورد با خطاها). همه چیز در آن باید قابل اندازه گیری باشد نه ذهنی.

امکان پذیری الگوریتم

 امکان پذیری الگوریتم

الگوریتم  باید موثر باشد به این معنی که تمام مراحل مورد نیاز برای رسیدن به نتیجه مطلوب باید با منابع موجود قابل دستیابی باشد. این نباید شامل هیچ گونه پیشرفت غیرضروری یا بیش از حد باشد که ممکن است الگوریتم را بی اثر کند.

عملکرد مستقل

 دستورالعمل های گام به گام باید در الگوریتم گنجانده شود و آن ها باید مستقل از هر کد برنامه نویسی باشند. باید با این انتظار انجام شود که ممکن است تقاضا برای هر زبان برنامه نویسی ناگهان افزایش یابد.

 تناهی نقطه ای

 در نقطه ای، الگوریتم باید کار را متوقف کند. اگر متوقف شوید می توانید خروجی معمولی را بدست آورید. الگوریتم ها باید زمانی خاتمه پیدا کنند که تعداد معینی از مراحل تکمیل شود. الگوریتم نباید بی حد و حصر باشد و همیشه باید پس از چند مرحله متوقف شود. توسعه الگوریتم بی نهایت فایده ای ندارد زیرا برای انسان بی فایده خواهد بود.

انواع الگوریتم ها

الگوریتم های تقسیم و تسخیر

پیاده سازی ساده ای از الگوریتم است که امکان می دهد الگوریتم را به صورت گام به گام بسازید. این روش الگوریتم را به منظور مقابله با مشکل به روش های مختلف تجزیه می کند و امکان می دهد تا مشکل را به چندین تکنیک تقسیم و خروجی معتبری را از ورودی معتبر تولید کنید. این خروجی دقیق به عملکرد های متفاوت منتقل می شود.

الگوریتم های بروت فورس

این روش با استفاده از چارچوب منطق عمومی، طراحی شده است. همچنین به عنوان الگوریتم جستجوی جامع شناخته می شود زیرا قبل از تصمیم گیری در مورد راه حل، تمام راه حل های ممکن را بررسی می کند. دو نوع الگوریتم مانند این وجود دارد:

 بهینه سازی: اگر بهترین پاسخ کشف شود، فرآیند یافتن همه راه حل های قابل اجرا برای مشکل و سپس انتخاب بهترین راه حل به پایان می رسد.

فداکاری: به محض کشف بهترین پاسخ، پایان می یابد.

الگوریتم های تصادفی

الگوریتم های تصادفی

مانند الگوریتم معمولی ورودی و خروجی از پیش تعیین شده دارید. الگوریتم های قطعی دارای مجموعه مشخصی از ورودی ها و خروجی ها و همچنین مجموعه ای از مراحل هستند که باید دنبال شوند. الگوریتم های غیر قطعی، کارایی کمتری نسبت به الگوریتم های قطعی دارند.

الگوریتم های شاخه و کران

رویکرد شاخه و کران فقط می تواند برای مقابله با مشکلات برنامه نویسی عدد صحیح استفاده شود. تمام مجموعه راه حل های قابل تصور با استفاده از این استراتژی به زیر مجموعه های کوچکتر تقسیم می شوند. سپس راه حل بهینه با ارزیابی بیشتر این زیر گروه ها پیدا می شود.

الگوریتم های حریص

الگوریتمی است که در آن هر تکرار بهترین تصمیم ممکن را برای یافتن نتیجه بهینه می گیرد. راه اندازی و استفاده از آن آسان است و تکمیلش به زمان کمتری نیاز دارد. با این حال، فقط چند مورد وجود دارد که این بهترین گزینه ها هستند:

الگوریتم های معکوس

فرآیند الگوریتمی است که به طور مکرر راه حل هایی را که نیازهای مشکل را برآورده نمی کنند کنار می گذارد.

الگوریتم های برنامه نویسی پویا

با ذخیره نتایج میانی، عملکرد الگوریتم را افزایش می دهد. برای شناسایی بهترین پاسخ برای مسئله، پنج مرحله را طی می کند:

    برای کشف راه حل بهینه، مسئله را به زیرمشکلات تقسیم می کند.

    پس از تفکیک مسئله به زیرمسائل، راه حل بهینه برای این مسائل فرعی را پیدا می کند.

    فرآیند به خاطر سپردن نتایج مسائل فرعی را به خاطر سپردن می ‌گویند.

    برای جلوگیری از محاسبه مجدد راه حل برای مشکلات فرعی مشابه، از آن استفاده مجدد می کند.

    در نهایت، خروجی پیچیده برنامه را محاسبه می کند.

عوامل الگوریتم

هنگام ایجاد الگوریتم، جنبه های زیر را در نظر داشته باشید:

ماژولاریت

اگر مشکلی را به ماژول ها یا مراحل کوچک تقسیم کنید که توضیح اولیه الگوریتم است، این ویژگی برای آن ساخته شده است.

درستی

درستی الگوریتم زمانی تعریف می ‌شود که ورودی‌ های ارائه‌ شده، نتیجه مورد انتظار را ارائه می ‌دهند که نشان می ‌دهد الگوریتم با موفقیت توسعه یافته و تجزیه و تحلیل آن به درستی به پایان رسیده است.

قابلیت نگهداری

نشان می دهد که الگوریتم باید به شیوه ای ساده و سازماندهی شده ساخته شود تا زمانی که روش دوباره تعریف می شود، هیچ تغییر اساسی در روش جاری ایجاد نشود.

کارکرد

تعدادی از مراحل منطقی را برای حل مشکل در موقعیت دنیای واقعی در نظر می گیرد.

استحکام

ظرفیت الگوریتم برای توضیح صحیح مشکل را استحکام می گویند.

کاربر پسند بودن

 طراح، روشی را که درک آن مشکل باشد، به برنامه نویس منتقل نمی کند.

سادگی

 وقتی الگوریتم پایه باشد، درک آن آسان است.

توسعه پذیری

 اگر طراح یا برنامه نویس الگوریتم دیگری بخواهد از الگوریتم شما استفاده کند، باید قابل گسترش باشد.

تجزیه و تحلیل الگوریتم

تجزیه و تحلیل الگوریتم

قبل و بعد از تولید، الگوریتم ممکن است در دو سطح تحلیل شود. در زیر دو آنالیز الگوریتم آمده است:

تحلیل پیشین

 تحلیل پیشین، در این زمینه، به تحلیل نظری الگوریتم قبل از اجرای آن اشاره دارد. قبل از پیاده سازی روش، پارامترهای متعددی ممکن است در نظر گرفته شود مانند سرعت پردازنده که هیچ تاثیری در پیاده سازی ندارد.

تحلیل پسین

 تحلیل عملی الگوریتم در این زمینه به عنوان تحلیل پسین شناخته می شود. الگوریتم ممکن است به هر زبان کامپیوتری برای آزمایش نوشته شود. این مطالعه نشان می دهد که چقدر زمان و مکان برای کار مورد نیاز است.

الگوریتم برای چه مواردی استفاده می شود؟

الگوریتم ها در سراسر حوزه علوم کامپیوتر به کار گرفته می شوند. آن ها ستون فقرات علم کامپیوتر هستند. در علم کامپیوتر، الگوریتم مجموعه ‌ای از دستورالعمل‌ ها است که به رایانه اجازه می ‌دهد هر کاری را انجام دهد مانند کار با ماشین حساب یا پرتاب موشک.

اساسا، برنامه های کامپیوتری الگوریتم هایی هستند که در زبان های برنامه نویسی تعریف شده اند که ماشین، آن ها را درک می کند. روشی که الگوریتم‌ های رایانه ‌ای به شدت بر روی رسانه‌ های اجتماعی تأثیر می‌ گذارند این است که کدام پست ‌ها ظاهر می ‌شوند، کدام آگهی ‌ها قابل مشاهده هستند و غیره. الگوریتم ها همه این عملکرد ها را انجام می دهند.

مهندسان گوگل از الگوریتم‌ هایی برای بهبود جستجوها، پیش ‌بینی این که کاربران وارد خواهند شد و غیره از الگوریتم‌ ها استفاده می‌ کنند. دانستن نحوه ایجاد الگوریتم یکی از اجزای مهم برنامه‌ نویسی کامپیوتر در هنگام حل مسئله است.

دو جنبه اساسی در الگوریتم وجود دارد:

اهمیت نظری

 باید چالش دنیای واقعی را در صورت ارائه، به ماژول های کوچک تر تقسیم کنید. برای ساده سازی موضوع، ابتدا تمام اجزای نظری آن را درک کنید.

اهمیت عملی

 همان طور که همه می دانید، نظریه تا زمانی که عملی نشود بی فایده است. در نتیجه، ارتباط نظری و عملی الگوریتم ‌ها ممکن است ارزیابی شود.

چرا بچه ها باید اهمیت برنامه نویسی را درک کنند؟

بسیاری از رشته ها به تفکر الگوریتمی یا توانایی ترسیم رویه های بدون ابهام برای حل مشکل نیاز دارند.  همیشه از الگوریتم ها و تفکر الگوریتمی استفاده می کنیم حتی اگر از آن آگاه نباشیم. دانش آموزان می توانند از تفکر الگوریتمی برای تفکیک مسائل و ایجاد راه حل در مراحل مجزا استفاده کنند. دانش آموزان باید از توانایی های تفکر و استدلال سازمان یافته برای درک و به کارگیری الگوریتم استفاده کنند.

کاربرد های الگوریتم

کاربردهای الگوریتم

در این جا چند نمونه از نحوه استفاده از الگوریتم ها در عمل آورده شده است:

اینترنت برای زندگی روزمره ما حیاتی است و بدون آن نمی توانیم زندگی را به تصویر بکشیم. اینترنت نتیجه الگوریتم های درخشان و خلاقانه است. این الگوریتم‌ ها به تعداد زیادی از وب ‌سایت ‌ها در اینترنت اجازه می ‌دهند تا کار کرده و چنین حجم زیادی از داده را مدیریت کنند.

فعالیت‌ های روزانه تجارت الکترونیک، مانند شماره کارت اعتباری یا نقدی، رمز عبور، OTP  و بسیاری موارد دیگر به شدت به داده‌های ما وابسته هستند. رمزارزهای عمومی و امضای دیجیتال مبتنی بر روش‌ های ریاضی از جمله فناوری‌ های اصلی مورد استفاده هستند.

حتی اگر برنامه به محتوای الگوریتم در سطح برنامه نیاز نداشته باشد، به شدت به الگوریتم‌ ها وابسته است زیرا به سخت ‌افزار، رابط کاربری گرافیکی، شبکه یا جهت شی تکیه می ‌کند که همگی به استفاده از الگوریتم‌ ها نیاز دارند.

موارد حیاتی دیگری نیز وجود دارد که از الگوریتم استفاده شده است مانند زمانی که ویدیویی در یوتیوب تماشا می ‌کنیم دفعه بعد که شروع به بازدید کردیم توصیه ‌های مربوط به آن را در قالب ویدیوهای توصیه شده دریافت خواهیم کرد.

نتیجه گیری

حتی اگر روزی پردازنده فوق‌العاده سریع و حافظه بی ‌نهایت داشته باشیم، باز هم باید آنالیز کرده و الگوریتم ‌هایی بسازیم تا بررسی کنیم که آیا راه‌ حل به پایان می‌ رسد یا خیر. کاربرد های تجاری، محاسبات علمی، مهندسی، تحقیقات عملیاتی یا هوش مصنوعی، تعریف چالش ‌ها، ابداع الگوریتم‌ های کارآمد برای رسیدگی به آن ها و برخورد با ساختارهای داده، همیشه ضروری است.

سوالات متداول

الگوریتم چیست

الگوریتم چیست؟

الگوریتم مجموعه ای از دستورالعمل ها برای حل مسئله است. دستور غذا که شامل دستورالعمل‌ های خاصی برای پختن آن است، نمونه ‌ای متداول از الگوریتم است.

الگوریتم برای چه مواردی استفاده می شود؟

الگوریتم ها دستورالعمل هایی برای انجام کار یا حل مسئله هستند. دستور العمل ها، مانند فرمول های ریاضی، الگوریتم هستند. کد الگوریتمی نوعی کد کامپیوتری است. الگوریتم ها برای مدیریت اینترنت و انجام جستجوهای آنلاین استفاده می شوند.

وقتی می گویید 'الگوریتم' دقیقاً منظورتان چیست؟

در گسترده ‌ترین تعریف، الگوریتم مجموعه ‌ای از دستورالعمل‌ ها است که به رایانه می ‌گوید 'چگونه' مجموعه‌ ای از حقایق جهان را به اطلاعات قابل استفاده تبدیل کند. اطلاعات قابل استفاده برای انسان ها، دستورالعمل ها برای رایانه ها یا ورودی برای الگوریتم دیگری است و حقایق داده ها هستند.

در علوم کامپیوتر، الگوریتم چیست؟

فرآیندی برای پرداختن به مسئله کامپیوتری کاملاً تعریف شده به عنوان الگوریتم شناخته می شود. تمامی بخش ‌های علوم کامپیوتر اعم از هوش مصنوعی، پایگاه ‌های اطلاعاتی، گرافیک، شبکه، سیستم‌ های عامل و امنیت بر اختراع و مطالعه الگوریتم‌ ها تکیه دارند.


برگردان به فارسی: سولماز همدانی

کاری از تیم تولید محتوای مجتمع فنی تهران نمایندگی ونک