الگوریتم چیست ؛ انواع الگوریتم و کاربرد آن‌ها

دنیای امروز ما کاملاً دیجیتالی شده و دستگاه‌های مختلف زندگی ما را آسان‌تر و انجام کارها را سریع‌تر کرده‌اند. این پیشرفت‌های تکنولوژیک به‌کمک نرم‌افزار به‌دست آمده است. هر برنامه براساس الگوریتم خاص خود کار می‌کند و از منطق و راهکارهایی برای حل مشکلات و ارائه‌ی عملکرد بهره می‌برد.

در این مقاله قصد داریم ماهیت الگوریتم را زیر ذره‌بین ببریم و درمورد کاربردهای آن صحبت کنیم؛‌ پس اگر به فناوری‌های پایه‌ای و به‌خصوص برنامه‌نویسی و دانش نرم‌افزاری علاقه دارید در این سفر جذاب با ما همراه شوید.

مردم اغلب می‌پرسند الگوریتم چیست. برای پاسخ به آن‌ها باید گفت الگوریتم تکنیکی گام‌به‌گام محسوب می‌شود که برای دستیابی به نتیجه‌ی موردنظر، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها را ارائه می‌دهد که باید به‌ترتیبِ دقیق دنبال شوند.

الگوریتم‌ها معمولاً به‌طور مستقل از زبان‌های برنامه‌نویس اصلی طراحی می‌شوند و این یعنی امکان وجود دارد هر الگوریتم با چند زبان برنامه‌نویسی پیاده‌سازی شود. قابلیت‌های هر الگوریتم شامل ابهام، ظرافت، کارایی و استقلال زبان می‌شود. مقیاس‌پذیری و عملکرد الگوریتم، عناصر بسیار مهمی هستند که بر ارتباط آن تأثیر دارد.

الگوریتم، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌هایی است که کامپیوتر باید به‌منظور اجرای محاسبات یا سایر اقدامات مرتبط با حل مسئله از آن‌ها پیروی کند. الگوریتم مجموعه‌ای محدود از دستورالعمل‌ها به حساب می‌آید که با ترتیب مشخصی برای اجرای کارهای مرتبط انجام می‌شوند.

الگوریتم کل برنامه یا کد نیست و درواقع استدلال اساسی برای رفع مشکل و به‌شکل فلوچارت یا شبه کد طراحی می‌شود.

همان‌طور که JetLearn اشاره می‌کند، برای حل مشکلی که در دنیای واقعی وجود دارد، باید برنامه‌ یا مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها را طراحی کرد که به این مجموعه دستورالعمل، الگوریتم می‌گویند.

هر الگوریتم باید ویژگی‌های خاصی داشته باشد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

۱. ورودی مشخص‌شده: اطلاعاتی که در طول محاسبات برای تولید نتیجه تغییر می‌کنند ورودی نامیده می‌شود. هر الگوریتم باید حداقل صفر ورودی توصیف‌شده داشته باشد. دقت ورودی نیاز به درک کاملی از نوع داده، مقدار و نحوه سازماندهی آن دارد.

۲. خروجی مشخص‌شده: اطلاعات به‌دست‌آمده پس‌ از انجام محاسبات، خروجی نامیده می‌شود. حداقل یک خروجی توصیف‌شده‌ی کلی برای هر الگوریتم نیاز است و خروجی ایدئال باید براساس الگوریتم هماهنگ شود. دقت در خروجی همچنین به درک نوع اطلاعات، مقدار و فرمت خروجی بستگی دارد.

۳. واضح و بدون ابهام: الگوریتم‌ها باید هر مرحله را تعیین کنند و هر مرحله باید در همه‌ی رفتارها متمایز باشد و به معنایی واحد منجر شود. در نتیجه، الگوریتم باید ساده و سرراست باشد. ویژگی‌های هر مرحله نیز باید مورد بحث قرار گیرد و همه‌چیز در الگوریتم باید قابل اندازه‌گیری باشد.

۴. امکان‌پذیری: الگوریتم باید مؤثر باشد و این یعنی تمام مراحل موردنیاز برای رسیدن به نتیجه‌ی مطلوب باید با منابع موجود قابل دستیابی باشند. الگوریتم نباید شامل هیچ‌گونه پیشرفت غیرضروری یا بیش‌ازحد باشد زیرا در این شرایط می‌تواند بی‌اثر شود.

۵. استقلال: دستورالعمل‌های گام‌به‌گام باید در هر الگوریتم گنجانده شود و باید مستقل از هر کد برنامه‌نویسی باشند. الگوریتم باید با این انتظار طراحی شود که ممکن است تقاضا برای هر زبان برنامه‌نویسی ناگهان افزایش یابد.

۶. تناهی: الگوریتم باید کار در نقطه‌ای متوقف کند. پس‌ از توقف می‌توانید خروجی معمولی را به‌دست آورید. الگوریتم‌ها باید زمانی متوقف شوند که تعداد معینی از مراحل را تکمیل کرده باشند. الگوریتم نباید بی‌حدوحصر باشد و همیشه باید پس‌ از چند مرحله متوقف شود. توسعه‌ی الگوریتم بی‌نهایت فایده‌ای ندارد؛ زیرا مزیتی ارائه نمی‌دهد.

در ادامه شما را با انواع مختلف الگوریتم آشنا می‌کنیم.

الگوریتم‌های تقسیم و تسخیر، پیاده‌سازی ساده‌ای دارند. این به شما امکان می‌دهد الگوریتم را به‌طور گام‌به‌گام بسازید. راهکار مذکور الگوریتم را به منظور مقابله با مشکل، به روش‌های مختلف تجزیه می‌کند و درنتیجه می‌توانید مشکل را به چندین تکنیک تقسیم کنید و خروجی معتبری را از ورودی معتبر به‌دست آورید. این خروجی دقیق سپس به عملکردی متفاوت انتقال می‌یابد.

این الگوریتم‌ها با استفاده از چارچوب منطق عمومی طراحی می‌شوند. علاوه‌براین Brute Force به‌عنوان الگوریتم‌های جست‌وجوی جامع نیز شناخته می‌شوند زیرا قبل‌از تصمیم‌گیری درمورد راهکار، همه‌ی راه‌حل‌های ممکن را بررسی می‌کند. الگوریتم‌های Brute Force در دو نوع طراحی می‌شوند:

۱. Optimizing: اگر بهترین پاسخ کشف شود، فرآیند یافتن همه‌ی راه‌حل‌های قابل اجرا برای مشکل و سپس انتخاب بهترین راهکار پایان می‌یابد.

2. Sacrificing: به‌محض کشف بهترین پاسخ پایان می‌یابد.

شما مثل الگوریتم معمولی، ورودی و خروجی از پیش تعیین‌شده دارید. الگوریتم‌های قطعی دارای مجموعه‌ی مشخصی از ورودی‌ها و خروجی‌ها و همچنین مجموعه‌ای از مراحل هستند که باید دنبال شوند. الگوریتم‌های غیر قطعی کارایی کومتری نسبت به الگوریتم‌های قطعی دارند.

رویکرد شاخه و کران فقط برای مقابله با مسائل برنامه‌نویسی عدد صحیح استفاده می‌شود. همه‌ی راهکارهای قابل‌تصور با استفاده از این استراتژی به زیرمجموعه‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شوند و سپس راه‌حل بهینه با ارزیابی بیشتر این زیر گروه‌ها پیدا می‌شود.

در الگوریتم‌های حریص، هر تکرار بهترین تصمیم ممکن را برای یافتن نتیجه‌ی بهینه می‌گیرد. راه‌اندازی و استفاده این الگوریتم آسان بوده و تکمیل آن به زمان کمتری نیاز دارد. به‌هرحال، فقط چند مورد وجود دارد که در آن‌ها استفاده از الگوریتم‌ حریص بهترین گزینه است.

نوعی فرایند الگوریتمی که راهکاریی که نیازهای مشکل را برآورده نمی‌سازند، به‌طور مکرر کنار می‌گذارد.

با ذخیره‌ی نتایج میانی، عملکرد الگوریتم را بهبود می‌دهد و برای شناسایی بهترین پاسخ برای حل مسئله، پنج مرحله را طی می‌کند:

۱. برای کشف راه‌حل بهینه، مسئله را به مشکلات کوچک‌تر تقسیم می‌کند.

۲. پس‌ از تفکیک مسئله به مشکلات کوچک‌تر، راه‌حل بهینه را برای آن‌ها پیدا می‌کند.

۳. فرایند به‌ خاطر سپردن که به حفظ نتایج مسائل کوچک‌تر اشاره دارد.

۴. برای جلوگیری از محاسبه‌ی مجدد راه‌حل برای مشکلات فرعی مشابه، مجدداً از آن استفاده می‌کند.

۵. درنهایت خروجی برنامه‌ی پیچیده محاسبه می‌شود.

هنگام ایجاد الگوریتم، باید فاکتورهای زیر را مدنظر قرار دهید:

الگوریتم قبل و بعد از تولید می‌تواند در دو سطح تحلیل شود. در ادامه دو آنالیز الگوریتم را مرور می‌کنیم:

۱. تحلیل پیش‌بینی:‌ تحلیل پیش‌بینی در این زمینه به تحلیل نظری الگوریتم قبل‌ از اجرای آن اشاره دارد. قبل‌ از پیاده‌سازی روش، امکان دارد پارامترهای متعددی ازجمله سرعت پردازنده در نظر گرفته شوند.

۲. تحلیل پس‌ از ساخت:‌ تحلیل عملی الگوریتم در این زمینه به‌عنوان تحلیل پس‌ از ساخت در نظر گرفته می‌شود. امکان دارد الگوریتم برای آزمایش به هر زبان کامپیوتری نوشته شود. این مرحله نشان می‌دهد برای اجرای الگوریتم چقدر زمان و فضا نیاز است.

الگوریتم‌ها در سرتاسر حوزه‌ی علوم کامپیوتر به‌ کار گرفته می‌شوند و ستون فقرات میدان هستند. در علم کامپیوتر الگوریتم به مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها گفته می‌شود که به رایانه اجازه می‌دهد هر کاری از اجرای ماشین حساب گرفته تا پرتاب موشک فضایی را انجام دهد.

مهندسان گوگل از الگوریتم‌ها برای بهبود جست‌وجو‌ها، پیش‌بینی اینکه کاربران وارد چه بخش‌هایی خواهند شد و غیره استفاده می‌کنند. اطلاع از روش ایجاد الگوریتم، یکی از مهم‌ترین اجزای برنامه‌نویسی کامپیوتر هنگام حل مسئله است.

دو جنبه‌ی اساسی در الگوریتم وجود دارد: