آموزش الگوریتم و حل مسئله در برنامه نویسی

آموزش الگوریتم، ساخت ذهنیت برنامه نویس حرفه ای

سلام کاربران عزیز درسمن امروز با یکی دیگر از آموزش های مهم و کاربردی  در دنیای برنامه نویسی با ما همراه هستید.
این دوره آموزشی ما در مورد الگوریتم و حل مسئله در برنامه نویسی  است که هر فردی اگر بخواهد برنامه نویسی را شروع کند باید قبل از شروع با الگوریتم و فلوچارت آشنا باشد.
اگر درمورد الگوریتم و فلوچارت اطلاعاتی ندارید در ادامه درمورد آن صحبت می کنیم.

الگوریتم چیست؟

الگوریتم روشی گام به گام برای حل مسئله می باشد، هر دستورالعملی که مراحل انجام دادن کاری را با زبانی دقیق و با جزئیات کامل  بیان کند به طوری ترتیب مراحل مسئله و شرط پایان عملیات در آن مشخص باشد را الگوریتم گفته می شود.

برای حل یک مسئله هر شخص باید بتواند مراحل زیر را انجام دهد:

1. مسئله را به صورت شفاف شرح دهد.
2. در صورت نیاز مسئله را به مسئله های کوچکتر تقسیم کند.
3. برای هر زیر مسئله راه حل مرحله به مرحله ایجاد کند.

 آشنایی با ویژگی های الگوریتم

1. استفاده کردن از زبانی دقیق، ساده و قابل فهم:

این ویژگی باعث می شود که در انجام دستورالعمل ها یک برداشت یکسان بدست آید و در غیر اینصورت برداشت های متفاوت باعث می شود که دستورالعمل ها نتایج متفاوتی ایجاد کنند.
زبان الگوریتم می تواند یکی از زبان های گفتاری و نوشتاری مثل فارسی یا انگلیسی و... باشد. 

2. استفاده کردن از جزئیات کافی

داشتن این ویژگی باعث می شود دستورالعمل ها به طور کامل اجرا شوند. وجود موارد نامشخص و دستورالعمل های کلی  باعث از بین رفتن نتایج می شود.

3. ترتیب انجام دستورالعمل ها

یکی از ویژگی های مهم یک الگوریتم ترتیب انجام دستورالعمل می باشد که اگر این کار به درستی انجام نشود پیش بینی نتیجه کار مشخص نخواهد بود. در یک الگوریتم ترتیب انجام عملیات با استفاده از شماره گذاری دستورالعمل ها انجام می شود.

4. شروع و پایان الگوریتم:

در یک الگوریتم باید شروع دستورالعمل ها مشخص شود و هر الگوریتم یک نقطه شروع دارد و به عنوان اولین دستورالعمل از آن استفاده می کنند، پایان آن هم باید مشخص باشد و یک الگوریتم می تواند بیشتر از یک نقطه پایان داشته باشد.

برای اینکه درک بهتری از این موضوع داشته باشید مثالی برای شما شرح می دهیم:

الگوریتم استفاده از تلفن

1. شروع کن
2. گوشی تلفن را بردار
3. شماره مورد نظر را بگیر
4. صحبت کن
5. گوشی تلفن را در جای خود قرار بده
6. پایان

انواع الگوریتم

انواع مختلفی الگوریتم وجود دارد که هر کدام نیز کاربرد خاص خودشان را دارند. در ادامه نیز چند مورد از انواع الگوریتم ها را به تفصیل آورده ایم.

الگوریتم موتور جستجو

الگوریتم موتور جستجو یکی از الگوریتم های پرکاربرد در برنامه نویسی است. الگوریتم جستجو متشکل از فرمولی منحصر به فرد است که یک موتور جستجو با استفاده از آن عمل بازیابی اطلاعات خاصی را که قبلا ذخیره شده است در یک ساختار داده ای استفاده می کند.

الگوریتم رمزگذاری

الگوریتم رمزگذاری روشی است که برای تبدیل داده ها به متن رمز گذاری شده استفاده می شود. این الگوریتم از کلید رمزگذاری استفاده می‌کند تا داده‌ها را به روشی قابل پیش ‌بینی تغییر دهد. این امر به نحوی صورت می گیرد که حتی اگر داده‌ های رمزگذاری‌ شده تصادفی به نظر برسند، می‌توان با استفاده از کلید رمزگشایی آن ها را به متن ساده ای تبدیل کرد. 
هدف استفاده از الگوریتم رمزگذاری برقراری امنیت در حین انتقال داده های الکترونیکی است. این الگوریتم از رمز های بلوکی متفاوت برای رمزگذاری استفاده می کند.

الگوریتم حریصانه

الگوریتم حریصانه برای حل یک مشکل با انتخاب بهترین گزینه موجود عمل می‌کند. با این حال یکی از نگرانی های برنامه نویسان این است که آیا بهترین گزینه موجود، بهینه ترین گزینه هم هست یا خیر. در جواب به این سوال باید بگوییم الگوریتم حریصانه هرگز تصمیم قبلی خود را معکوس نمی کند حتی اگر این تصمیم اشتباه باشد.

علت انتخاب نام حریصانه برای این الگوریتم این است که این الگوریتم مشکل بزرگ تر را به بخش های کوچک تقسیم می کند و آن را یک مشکل بزرگ نمی‌بیند. الگوریتم حریصانه برای مشکل های کوچک راه حل های سریع و بهینه را ارائه می دهد و حل کردن یک مسئله را به شدت آسان می کند. هدف این الگوریتم ساده سازی مسئله و گرفتن سریع ترین خروجی ها می باشد. این الگوریتم از بالا به پایین پیمایش می کند.

الگوریتم بازگشتی

این الگوریتم نام آشنا ترین الگوریتم در بین برنامه نویسان است. اگر بخواهیم ساده و مختصر الگوریتم بازگشتی را توضیح دهیم، باید بگوییم این الگوریتم خودش را بارها و بارها فراخوانی می کند تا مسئله حل شود. نکته ای که در این الگوریتم وجود دارد این است که در هر بار فراخوانی، مقدار ورودی کوچک تر از دفعه قبل می شود. الگوریتم بازگشتی ورودی کوچک‌تر را فراخوانی می کند و اعمالی را که از قبل مشخص شده است روی آن ورودی انجام داده و نتیجه را به عنوان ورودی بعدی به الگوریتم برمی‌گرداند. انواع الگوریتم بازگشتی به شرح زیر می باشد.

1. بازگشت مستقیم
2. بازگشت غیر مستقیم
3. بازگشت دُم
4. بدون دُم / بازگشت سَر
5. بازگشت خطی
6. بازگشت درخت

الگوریتم عقبگرد

یکی دیگر از الگوریتم هایی که در حل مسئله استفاده می شود، الگوریتم عقبگرد است. این الگوریتم برای یافتن خروجی از رویکرد brute force استفاده می کند. این رویکرد بدین صورت عمل می کند که تمامی راه حل های موجود را امتحان کرده و در نهایت یک یا چند مورد از بهترین راه حل ها را انتخاب می کند.

از این الگوریتم زمانی استفاده می کنیم که می خواهیم یک راه حل تدریجی برای یک مشکل پیدا کنیم . این الگوریتم برای حل مسائلی که بهینه بودن در آن ها اولویت دارد بسیار موثر است. بعضا برای پیدا کردن تمامی راه حل های ممکن از الگوریتم عقبگرد استفاده می شود.

الگوریتم تقسیم و غلبه

این الگوریتم به عنوان سه بخش در نظر گرفته می‌شود.

1. مسئله را به بخش های کوچک تر تقسیم می کنیم. این تقسیم بندی باید به گونه ای باشد که مشکل هر بخش با مشکل کلی یکی باشد.
2. مشکلات کوچک را با الگوریتم بازگشتی حل کرده و بر آن ها غلبه می کنیم. 
3. تمامی راه حل هایی که برای بخش های فرعی و کوچک در نظر گرفته ایم را با راه حل اصلی ادغام می کنیم.

الگوریتم پویا

الگوریتم پویا که به اختصار به صورت DP نشان داده می شود، یک روش الگوریتمی است که برای حل بهینه مسائل مورد استفاده قرار می گیرد. الگوریتم پویا با تقسیم یک مسئله به قسمت های کوچک تر اقدام به حل مشکل می کند. این الگوریتم با این رویکرد که راه حل بهینه برای مشکل بزرگ، وابسته به راه حل های بهینه برای بخش های کوچک تر است، عمل می کند.

الگوریتم مرتب سازی

الگوریتم مرتب سازی الگوریتمی است که عناصر موجود در یک لیست را به ترتیب قرار می دهد. این ترتیب می تواند بر اساس بزرگ به کوچک و یا کوچک به بزرگ اعداد باشد. و یا مرتب سازی بر اساس ترتیب واژگان صعودی یا نزولی باشد. اصولا مرتب سازی با هدف متعارف ساختن داده ها و همچنین تولید خروجی قابل فهم و خوانش برای انسان صورت می گیرد.

الگوریتم هش

الگوریتم هش یک تابع هش رمز گذاری شده است که داده ها را دستکاری و غیر قابل خواندن می کند.الگوریتم هش که یک الگوریتم ریاضی است، داده های با اندازه متفاوت را به یک هش با اندازه ثابت تبدیل می کند. کاربرد این الگوریتم زمانی است که می خواهیم مطمئن شویم که داده ها در حین انتقال بدون تغییر به دست مخاطبان می رسد. الگوریتم تابع هش به گونه ای طراحی شده است که یک تابع یک طرفه و غیر قابل وارونه شدن، باشد. 

الگوریتم تصادفی

الگوریتم تصادفی الگوریتمی است که میزان مشخصی از تصادفی بودن را در منطق خود دارد و با این رویکرد فعالیت می کند. به بیانی دیگر این الگوریتم برای تصمیم گیری های خودش از اعداد تصادفی استفاده می کند. این الگوریتم معمولا از بیت های تصادفی که به صورت یکنواخت هستند به عنوان ورودی استفاده می کند. به عنوان مثال در مرتب سازی تصادفی اعداد از یک عدد تصادفی شروع می کنیم. هدف از این کار کاهش پیچیدگی زمانی است. 

فلوچارت چیست؟

بیان کردن تصویری الگوریتم با کمک مجموعه استاندارد از اشکال ساده  را فلوچارت می گویند. برای توضیح مراحل حل مسائل از چند جمله کلی و استاندارد استفاده می شود با دسته بندی کردن این جملات و انتساب هر دستور به یک شکل می توان الگوریتم را از حالت نوشتاری به حالت تصویری تبدیل کرد.

فلوچارت مجموعه ای از علائم تصویری ساده است که الگوریتم را به شکل نماد های تصویری یا نموداری شرح می دهد. با رسم کردن فلوچارت درک الگوریتم ساده تر و نوشتن برنامه آسان تر می شود. در واقع فلوچارت یکی از روش های برقراری ارتباط منطقی بین مراحل مختلف حل مساله است.

فلوچارت تشکیل شده از اشکالی است که این شکل ها دارای مفهوم خاصی می باشند.برای حل مسائل پیچیده و طولانی بهتر است از فلوچارت استفاده شود برنامه نویس از روی فلوچارت بهتر می تواند برنامه را پیاده سازی کند.

فلوچارت به چهار دسته کلی تقسیم می شود:

• فلوچارت مستندات
• فلوچارت داده‌ها
• فلوچارت سامانه‌ها
• فلوچارت برنامه‌ها

اجزای فلوچارت به شرح زیر می باشد:

• شروع و پایان
• ترتیب
• محاسبات
• شرط ها
• ورودی داده ها
• چاپ و نمایش داده ها