آموزش الگوریتم و حل مسئله 4 (پیشرفته)

دوره طراحی الگوریتم، ارتقا دهنده قدرت استدلال در برنامه نویسی

تعریف ساده طراحی الگوریتم به این صورت است که الگوریتم روشی برای حل چندین مسئله و یا حل یک مسئله با چندین روش است. با استفاده از الگوریتم می‌توانید مسئله و محاسبات را ساده تر از قبل انجام دهید. سوالی که اکثر مواقع در ذهن کاربران مطرح می شود، این است که «کاربرد الگوریتم ها کجاست؟». در پاسخ به این سوال باید گفت، الگوریتم ها در تمامی زمینه های کامپیوتری اعم از نرم افزار و سخت افزار، هوش مصنوعی و سیستم های بانکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

اگر بخواهیم دقیق تر بگوییم؛ یکی از ساده ترین کار هایی که می توان با الگوریتم انجام داد مرتب‌سازی مجموعه‌های اعداد و یکی از پیچیده ترین کارهایی که با استفاده از الگوریتم ها می‌توان انجام داد توصیه محتوای یک کاربر خاص در رسانه‌های اجتماعی است. الگوریتم‌ها معمولاً یک ورودی می‌گیرند و مطابق با دستور العمل های از پیش تعیین شده‌ای شروع به فعالیت می کنند. هنگامی که همه اعمال مربوطه اجرا می شوند، یک خروجی متناسب با نیاز کاربر تولید می‌شود.

توصیف یک الگوریتم خوب

یک الگوریتم خوب باید ساختار بندی مناسب و استانداردی را دنبال کند. برای آن که یک الگوریتم در دسته الگوریتم های خوب قرار بگیرد باید یک سری ویزگی ها را داشته باشد. از جمله این ویژگی ها می توان به مشخص بودن نقطه شروع و پایان اشاره کرد. این کار باعث می شود فرآیند به صورت نظام‌مند پیش برود. 

ویژگی بعدی بهینه بودن الگوریتم است. منظور از بهینه بودن الگوریتم این است که مسئله را با کمترین راه حل ممکن و به سریع ترین روش حل کند. هر چقدر مراحل کمتر باشد، اجرای آن سریع تر می شود. البته باید توجه کنیم که همیشه سریع ترین راه، بهترین راه نیست. تشخیص این امر نیز به عهده برنامه نویس و بنا به تشخیص وی و همچنین نیاز مسئله می باشد.

ویژگی دیگری که نشان دهنده یک الگوریتم خوب است، بدون ابهام بودن آن است . یک الگوریتم خوب و کامل باید بدون ابهام باشد. منظور از بدون ابهام بودن این است که دستور العمل هایی که در الگوریتم استفاده می شود، کاملا واضح و سرراست باشد.

آخرین ویژگی که معرف یک الگوریتم خوب می‌باشد، رسیدن به هدفی است که مشخص کرده ایم. تمامی مراحلی که نیاز است در یک الگوریتم طی شود، باید گام به گام پیاده سازی شود. حل یک مسئله برنامه نویسی دقیقا مثل ساختن یک خانه و یا دوختن یک لباس است. مراحل باید پشت سر هم انجام شوند، در غیر این صورت خروجی که انتظار داریم حاصل نمی‌شود.

درک کاربرد طراحی الگوریتم

الگوریتم ها را می‌توان در انواع مختلفی از نمادها مانند جملات زبان های طبیعی، نمودارهای جریان، زبان های برنامه نویسی یا جداول کنترل بیان کرد. در زبان‌های برنامه‌نویسی، برای بیان و استفاده از الگوریتم‌ها، آن‌ها را به شکلی در نظر گرفته اند که قابلیت اجرا در کامپیوتر را داشته باشند. با این حال عمدتا به عنوان راهی برای تعریف یا مستندسازی نیز استفاده می‌شوند.

فرآیند مرسوم در پیاده سازی الگوریتم ها

طراحی الگوریتم یک روش یا یک فرآیند ریاضی برای حل مسئله است. در طراحی الگوریتم‌ها از روش های زیاد و متفاوتی برای حل مسئله استفاده می‌شود. بسیاری از شیوه های حل در عملیات های برنامه نویسی مانند الگوریتم های پویا، تقسیم و غلبه، دودویی، درهم سازی، مرتب سازی و جستجو، کار را برای برنامه نویس آسان می‌کنند. 

مراحل معمول در توسعه الگوریتم ها:

• تعریف مسئله
• مدلسازی و توسعه آن
• تعیین مشخصات الگوریتم
• طراحی الگوریتم مناسب
• بررسی صحت الگوریتم
• پیاده سازی الگوریتم
• تست برنامه
• گرفتن خروجی نهایی و تهیه اسناد مربوطه

پیچیدگی در الگوریتم ها

تعریف ساده ای که می‌توان از پیچیدگی الگوریتمی ارائه داد به این صورت است که معیاری است از مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک الگوریتم با ورودی به اندازه n تکمیل شود. به پیچیدگی الگوریتمی، پیچیدگی یا زمان اجرا نیز گفته می شود. یک الگوریتم باید نتیجه را در یک زمان محدود، حتی برای مقادیر بزرگ تر از n نیز محاسبه کند. در حالی که پیچیدگی معمولاً بر حسب زمان است، گاهی اوقات پیچیدگی از نظر مکان نیز محاسبه می‌شود تا نیاز به فضا در حافظه را به دست آورد.

با یک مثال بیشتر متوجه پیچیدگی‌ها می‌شوید. فرض کنید در یک لیست طولانی از داده های مرتب نشده به دنبال یک داده خاص هستید، احتمالاً برای یافتن آن داده خاص تمامی داده ها را مقایسه کنید. زمان مورد نیاز در جستجو، متناسب با اندازه لیست داده ها است. حال اگر جستجو را در لیست مرتبی مانند فرهنگ لغت انجام دهید، جستجو سریعتر می شود زیرا کلمات به ترتیب مرتب شده اند. در این جستجو، ترتیب مشخص است و می‌توانید به سرعت تصمیم بگیرید که در کدام قسمت از لیست به دنبال داده مورد نظر باشید.

آنچه در طراحی الگوریتم چهار خواهید دید...

دوره طراحی الگوریتم چهار، دوره‌ای کاملا متفاوت از سه دوره قبلی است. یکی علل تمایز این دوره با دوره های قبلی این است که مسائل مطرح شده در این دوره را به شیوه ای متفاوت حل کرده‌ایم. هدف از این کار آشنایی هر چه بیشتر با سایر روش های مرسوم در حل مسئله است. خلاقیت در حل مسائل برنامه نویسی می تواند بسیار راه‌گشا باشد؛ به طوری که ممکن است یک الگوریتم حل مسئله سریع تر باشد اما پاسخ بهینه ای ارائه ندهد. اینجاست که باید سایر الگوریتم ها را بشناسید و به آن‌ها مسلط باشید تا بتوانید بهترین تصمیم ممکن را بگیرید.

ویژگی بارز بعدی این دوره حل تعداد بیشتر سوالات نسبت به دوره های قبل است. در این دوره به تمامی الگوریتم های معروف در برنامه نویسی پرداخته شده است. سطح سوالات این دوره نیز بسیار بالاتر از  دوره های قبل است. این سوالات به صورتی انتخاب شده اند که می توانند دانش شما در طراحی الگوریتم به میزان قابل توجهی ارتقا دهند.

از دیگر مطالبی که در این دوره به آن پرداخته شده است؛ مفاهیم و اصول پایه در طراحی الگوریتم است و این روند تا بیان طراحی الگوریتم به صورت تخصصی و پیشرفته ادامه پیدا کرده است. الگوریتم ‌های پیشرفته نیز که بر اساس الگوریتم ‌های پایه ساخته شده‌ا‌ند، از ایده‌ های جدید استفاده می‌کنند. طراحی الگوریتم مختص به یک حوزه خاص نیست و هر برنامه نویسی در هر حوزه و شاخه ای که باشد، ملزم به یادگیری طراحی الگوریتم است.