تعتبر الخوارزميات من الأدوات الأساسية التي تمكّن المستخدمين من حل المشكلات بشكل منهجي، حيث تتألف من مجموعة من التعليمات المتتابعة التي تُستخدم في المعالجات الحاسوبية لإنتاج نتائج مُحددة بناءً على المدخلات المعطاة.
تعريف الخوارزميات
- أُطلقت تسمية “خوارزمية” نسبةً إلى العالم العربي محمد بن موسى الخوارزمي الذي أسس علم الجبر، وأسهم بذلك في انتشار المعرفة عبر مختلف البلدان وترجمتها إلى لغات متعددة.
- استمر استخدام مصطلح الخوارزمية في الغرب ليتم تبنيه كمصطلح جديد يشير إلى البرمجة، وهناك مصطلحات أخرى تشير إلى بعض الأنماط من الخوارزميات مثل “الإجرائية” و”التقنية” و”المنهج”.
- عندما يقوم مبرمج بإعداد برنامج معين، فإنه يبدأ عادةً بفهم المشكلة جيدًا، ثم يسعى لوضع استراتيجيات للحل، والمحولة إلى لغة يفهمها الحاسوب، وهذه الاستراتيجيات تُعرف بالخوارزمية.
- تستخدم الخوارزميات في معالجة البيانات وإجراء العمليات الحسابية، إلى جانب العديد من المجالات الأخرى، وهي تتكون من خطوات محددة للحصول على نتائج معينة.
- تمثل الخوارزمية تسلسلًا دقيقًا من التعليمات، مما يستدعي تنظيمها وترتيبها بدقة من الأعلى إلى الأسفل لضمان فعاليتها.
أنواع الخوارزميات
- يمكن تصنيف الخوارزميات بناءً على الوظائف التي تؤديها، مثل خوارزميات البحث التي تهدف إلى العثور على عنصر معين ضمن مجموعة من البيانات.
1- خوارزميات الفرز
تقوم هذه الخوارزمية بترتيب عناصر معينة ضمن البيانات بأسلوب متسلسل يعتمد على شروط محددة.
2- الخوارزميات التكرارية
يمكن تنفيذها عند الحاجة إلى اتباع سلسلة من التعليمات بشكل متتابع، بالإضافة إلى الخوارزميات المتوازية التي تسمح بتنفيذ عدة أجزاء في وقت واحد عبر معالجات متعددة.
3- الخوارزميات الرجعية
تستعمل هذه الخوارزميات لإيجاد حل من بين مجموعة من المحاولات، حيث تمثل المحاولات فروعًا، وإذا لم يتم إيجاد الحل، يتم العودة والبحث عن مسار بديل حتى يتم الوصول للحل الصحيح.
4- الخوارزميات العودية
تقوم هذه الخوارزمية باستدعاء نفسها ضمن التعليمات الخاصة بها، ويوجد أنواع أخرى من الخوارزميات.
خصائص الخوارزميات
- الخوارزمية تتألف من مجموعة من التعليمات والقواعد الدقيقة التي يمكن للجميع فهمها، وتطبق على بيانات قابلة للتغيير للحصول على نتائج محددة.
- يُفضل أن تكون مدة تنفيذ الخوارزميات قصيرة لتكون فعالة، وينبغي أن تكون قائمة منتهية من المعلومات تنتهي بعد عدد محدود من التعليمات، مع معرفة نطاق المتغيرات الداخلة.
- يجب أن يكون من الممكن تنفيذ جميع العمليات خلال فترة محددة وباستخدام الإمكانيات اليدوية، وليس فقط عبر الحاسوب، ويجب أن تؤدي العملية إلى نتيجة واحدة على الأقل.
التراكيب الثلاثة للخوارزمية
تقتصر الخوارزمية في بدايتها على ثلاثة تراكيب أساسية، وفهم واستخدام هذه التراكيب يعزز من فهم الإنسان للخوارزمية ويساعد في اكتشاف الأخطاء وإصلاحها، وهي كما يلي:
1- التسلسل
ينبغي أن تكون الخوارزمية مكونة من مجموعة متسلسلة من التعليمات، وأن تكون هذه التعليمات بسيطة أو تتبع أي نوع آخر.
2- الاختيار
- توجد بعض المشكلات التي يصعب حلها بالتسلسل البسيط للتعليمات، لذا يجب تعديل بعض الشروط واختبار النتائج. إذا كانت النتيجة صحيحة، يتم اتباع التعليمات؛ وفي حال كانت غير صحيحة، تجب تجربة نتائج أخرى أو اتباع مسار مختلف، وتُعرف هذه الطريقة بالاختيار أو اتخاذ القرار.
3- التكرار
- يستخدم هذا التركيب في حل بعض المشكلات حيث تتكرر الخطوات المتسلسلة عدة مرات، ويطلق عليه اسم التكرار، دون الحاجة لاستخدام تراكيب إضافية.
الأساليب الصحيحة لتعلم الخوارزميات
- عند بدء تعلم الخوارزميات، من الضروري استخدام دفتر لتدوين الأفكار، لأن تحليل البرنامج يجب أن يتم على الورقة أولًا قبل كتابته على الحاسوب لضمان صحة التحليل.
- يساعد التحليل المكتوب بدوره على التعلم بشكل أفضل، إذ إن العديد من المحترفين يقومون بكتابة الأكواد على الورق قبل تنفيذها على الحاسوب، لذا احرص على كتابة الشيفرة أكثر من مرة في البداية.
- كما ينبغي تجربة الأكواد وتعديلها لتفهم أهمية كل سطر، مما يسهل تنمية مهاراتك وتحليل المشكلات بشكل أسرع.
- يجب فهم المشكلة بدقة وتحديد المدخلات والمخرجات المطلوبة، ثم صياغة المعلومات بوضوح واستخدام العمليات الرياضية المناسبة.
- تخيل الحل الشامل للمشكلة، ثم قم بتقسيم هذا الحل إلى وظائف رئيسية، وخذ الوقت لتقييم كل وظيفة كما لو كانت مشكلة مستقلة تحتاج إلى حلها، والتي تتألف من عدة خطوات.
- احرص دائمًا على استخدام التعليمات الأساسية حسب الحاجة، مع تكرار هذه العملية حتى نصل إلى العمليات القابلة للتعبير بشكل سلس.
- عندما تصل إلى النهاية، ستكون الخوارزمية مكتملة مكتوبة بلغة الخوارزمية، مما يمكّننا من تحويلها إلى لغة برمجة مناسبة مثل Java أو Pascal أو C++.
تعبير وتمثيل الخوارزمية
- يمكننا التعبير عن الخوارزميات بطرق متعددة مثل الجداول التحكمية، وأشباه الأكواد، ولغات البرمجة، وغيرها.
- تتمثل الخوارزميات أيضًا بواسطة الخرائط الانسيابية التي توضح خطوات حل المشكلة من البداية إلى النهاية، مع إغفال التفاصيل وإعطاء صورة عامة للحل.
- تنقسم الخرائط الانسيابية إلى أربعة أنواع، تشمل مخططات العمليات التسلسلية، والمخططات ذات التفرع، والتكرار، والاختيار.
- يمكن تمثيل الخوارزمية أيضًا باستخدام الشفرات الوصفية، حيث تُكتب بلغة قريبة من لغات البرمجة دون الالتزام بقواعد محددة.
الطريقة النصية للتعبير عن الخوارزمية
- تعتبر اللغات البرمجية من أفضل الطرق للتعبير عن الخوارزميات، حيث تتميز بصياغات قواعدية تمنع حدوث أي لبس في التعبير مقارنةً باللغات الطبيعية.
- يوفر استخدام طرق منظمة للتعبير عن الخوارزمية حرية تدوين الحل برموز يمكن أن يفهمها الحاسوب بسهولة، وهو ما يعرف بلغة الخوارزمية.
- تتكون لغة الخوارزمية من عدة عناصر، منها المتغيرات التي تتعامل مع القيم القابلة للتغيير، والثوابت التي تبقى ثابتة، والصياغات التي تشمل المتغيرات والثوابت عمليات الحساب.
- يمكن التعبير عن مسار الحل بواسطة تعليمة القراءة، التي تُحمل القيمة إلى الذاكرة، وتعليمة الكتابة التي تُظهر القيم على الشاشات المختلفة.
- أيضاً تشمل التعليمات التسند، التي تُسند القيم إلى الذاكرة، والتعليمة التكرارية المخصصة لتكرار مجموعة من التعليمات تحت شرط معين أو عند تحقيق جملة منطقية.
- تتضمن التعليمات الشرطية شكلين، إما التنفيذ المشروط أو الشرط الاختياري الذي يتيح اختيار أحد الطريقتين وفق شرط محدد.
الطريقة البيانية للتعبير عن الخوارزمية
- تعتمد هذه الطريقة على توضيح الخطوات اللازمة لتنفيذ الخوارزمية باستخدام الأشكال الهندسية، بالإضافة إلى التعبيرات الرياضية والعبارات بلغة طبيعية.
- يرتكب بناءً على هذه الخطوات ما يُعرف بالمخطط التدفقي، حيث تحدد الأسهم تسلسل العمليات اللازمة لإكمال العمل.
- المخطط التسلسلي يستخدم أشكالًا هندسية مُعتمدة، حيث يتم تحديد كل شكل لعملية معينة، مثل استخدام الشكل البيضاوي لتحديد بداية ونهاية الخوارزمية.
- بينما يُستخدم المستطيل لتمثيل العمليات التنفيذية العادية، ويستخدم الشكل المعين للعمليات التي تشمل قرارات منطقية، فضلاً عن اختيار تحقق شرط معين.
