مشاوره طراحی الگوریتم

الگوریتم مجموعه‌ای متناهی از دستورالعمل‌ها است، که به ترتیب خاصی اجرا می‌شوند و مسئله‌ای را حل می‌کنند. به عبارت دیگر یک الگوریتم، روشی گام به گام برای حل مسئله است.

امتیاز 5 از 5

مشاوره طراحی الگوریتم

الگوریتم چیست؟

الگوریتم مجموعه ای متناهی از دستورالعملهاست که به ترتیب خاصی اجرا می شوند و مسئله ای خاص را حل میکنند.به عبارتی دیگر یک الگوریتم روشی گام به گام برای حل یک مسئله است.شیوه محاسبه معدل دانشجویان یک نمونه الگوریتم است.

خصوصیات یک الگوریتم:

تمام الگوریتم‌ها باید شرایط و معیارهای زیر را دارا باشند:

ورودی: یک الگوریتم باید هیچ یا چندین پارامتر را به عنوان ورودی بپذیرد؛

خروجی: الگوریتم بایستی حداقل یک کمیت به عنوان خروجی (نتیجه عملیات) تولید کند؛

قطعیت: دستورهای الگوریتم باید با زبانی دقیق، و بی‌ابهام بیان شوند. هر دستورالعمل نیز باید انجام‌پذیر باشد. دستورهایی نظیر «مقدار ۶ یا ۷ را به x اضافه کنید» یا «حاصل تقسیم پنج بر صفر را محاسبه کنید» مجاز نیستند؛ چرا که در مورد مثال اول، معلوم نیست که بالاخره چه عددی باید انتخاب شود، و در خصوص مثال دوم هم تقسیم بر صفر در ریاضیات تعریف نشده‌است.

محدودیت: الگوریتم باید دارای شروع و پایان مشخصی باشد، به نحوی که اگر دستورهای آن را دنبال کنیم، برای تمامی حالات، الگوریتم پس از طی مراحل، خاتمه یابد. به علاوه، زمان لازم برای خاتمه الگوریتم هم باید به گونه‌ای معقول و کوتاه باشد.

عوامل موثر در ارائه یک الگوریتم:

به‌طور کلی جهت ارائهٔ یک الگوریتم کامل به ۳ مولفهٔ اصلی احتیاج داریم که عبارتند از:

مقادیر معلوم خواستهٔ مسئله

عملیات محاسباتی دستورهای شرطی

دستورهای تکرار (حلقه‌ها)

اطلاعات اولیه‌ای که در اختیار ما قرار می‌گیرد و با استفاده از آن‌ها به ارائهٔ راه حل می‌پردازیم شامل مقادیر معلوم مسئله هستند و نتایجی که بر اثر انجام عملیات محاسباتی به‌دست می‌آیند خواسته‌های مسئله نامیده می‌شوند. از آنجایی که هدف اصلی طراحی الگوریتم برای حل یک مسئله دستیابی به خواسته‌های مسئله می‌باشد بنابراین طی مراحل ۳ گانهٔ بالا در ارائهٔ الگوریتم الزامی است.

یک الگوریتم شامل دستورالعمل‌های پشت سر هم است که جهت ارائهٔ یک خروجی معتبر باید به ترتیب اجرا شوند، از این رو رعایت ترتیب در مولفه‌های اصلی نیز مؤثر است، چرا که اساساً بدون وجود خواستهٔ مسئله عملیات محاسباتی نیز وجود نخواهد داشت.

با به‌کارگیری دستورهای شرطی می‌توان خروجی و رفتار یک الگوریتم را با توجه به شرایط از پیش تعیین شده‌ی مسئله کنترل کرد، از سوی دیگر استفاده از دستورهای تکرار (حلقه‌ها) به برنامه‌نویس کمک می‌کنند یک دستور تکراری را چندین بار اجرا کند.

نقش الگوریتم در علوم کامپیوتر:

در علوم رایانه، یک الگوریتم را یک روال محاسباتی خوش‌تعریف می‌دانند، که مقدار یا مجموعه‌ای از مقادیر را به عنوان ورودی (Input) دریافت کرده و پس از طی چند گام محاسباتی، ورودی را به خروجی (Output) تبدیل می‌کند. بجز این، الگوریتم را ابزاری برای حل مسائل محاسباتی نیز تعریف کرده‌اند ساخت و طراحی الگوریتم مناسب در مرکز فعالیت‌های برنامه‌سازی رایانه قرار دارد.

یک برنامه رایانه‌ای، بیان یک یا چند الگوریتم با یک زبان برنامه‌نویسی است.

تحلیل الگوریتم:

معمولاً برای حل یک مسئله، روش‌ها و الگوریتم‌های گوناگونی وجود دارند؛ یک الگوریتم ممکن است عمل مورد نظر را با دستورهای مختلف در مدت زمان یا کار کمتر یا بیشتری نسبت به الگوریتم دیگر انجام دهد. به همین دلیل، انتخاب الگوریتم مناسب و کارا اهمیت زیادی در موفق بودن و کارایی برنامه رایانه‌ای دارد. الگوریتم‌ها به عنوان یک فناوری مطرح هستند و دانشمندان آن‌ها را طراحی، تحلیل، و مطالعه می‌کنند.

مطالعه الگوریتم‌ها زمینه‌های متعددی را در بر می‌گیرد. در زیر به چند نمونه اشاره می‌کنیم که می‌توان آن‌ها را چرخه حیات یک الگوریتم نامید.

الف) طراحی الگوریتم‌ها:

روش‌های مختلفی برای طراحی الگوریتم‌ها وجود دارد که عبارتند از: روشهای تقسیم و غلبه، روش‌های حریصانه، روش‌های برنامه‌نویسی پویا، روش‌های پسگرد و روش‌های انشعاب و تحدید.

ب) معتبر سازی یا اثبات درستی الگوریتم‌ها:

بعد از طراحی باید اثبات شود که الگوریتم مزبور درست است. الگوریتمی درست است که به ازای هر ورودی مناسب خروجی صحیحی بدهد. اثبات درستی الگوریتم‌ها به اثبات قضایا در ریاضی می‌ماند و مرحله بسیار مهمی در زمینه مطالعه الگوریتم‌ها است

پ) تحلیل الگوریتم‌ها (تحلیل مقدم، ارزیابی کارایی الگوریتم‌ها):

یک الگوریتم در زمان اجرا از واحد پردازش مرکزیِ رایانه برای اجرای دستورالعمل‌ها و از حافظه برای ذخیره‌سازی برنامه و داده‌ها استفاده می‌کند. تحلیل یک الگوریتم مشخص می‌کند که الگوریتم در زمان اجرا برای چه مدتی از CPU برای اجرای دستورالعمل (پیچیدگی زمانی) استفاده کرده و چه مقدار از حافظه (چه اصلی و چه جانبی) برای ذخیره‌سازی برنامه و داده‌ها (پیچیدگی فضایی) به کار برده‌است. تحلیل الگوریتم بیان‌گر آن است که، یک الگوریتم به چه میزان پیچیدگی زمانی و پیچیدگی فضایی نیاز دارد.

ت) پیاده‌سازی الگوریتم‌ها:

پیاده‌سازی یک الگوریتم نوشتن آن به زبان برنامه‌نویسی خاص است که معمولاً بعد از تحلیل مقدم آن صورت می‌گیرد و نام برنامه به آن اطلاق می‌شود.

ث) تست برنامه:

تست یک برنامه شامل۱:اشکال زدایی و ۲:تحلیل مؤخر (اندازه‌گیری کارایی) است. اندازه‌گیری کارایی عبارت است از فرایند اجرای الگوریتم صحیح بر روی داده‌های نمونه‌گیری شده برای به دست آوردن زمان و حافظه مورد نیاز توسط کامپایلر. زمان اجرای یک الگوریتم به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که از جمله می‌توان به نوع دستورالعمل‌ها (دستورالعمل‌های جمع، ضرب، نوشتن، خواندن، شرطی و…)کامپایلر مورد استفاده، زبان برنامه‌نویسی، سخت‌افزار به کار رفته و پارامتری مثل nکه می‌تواند معرف تعداد ورودی‌ها و خروجی‌ها یا هر دو باشد اشاره کرد تحلیل الگوریتم‌ها رشته‌ای است که به بررسی کارایی الگوریتم‌ها می‌پردازد. تحلیل الگوریتم‌ها یعنی پیش‌بینی منابع مورد نیاز برای اجرای یک الگوریتم، همچون: حافظه، پهنای‌باند ارتباطی، سخت‌افزار، و از همه مهمتر، زمان.کارایی یا پیچیدگی هر الگوریتم را با تابعی نشان می‌دهند که تعداد مراحل لازم برای اجرای الگوریتم را برحسب طول داده ورودی، یا میزان محل‌های لازم حافظه را بر حسب طول داده ورودی نشان می‌دهد.

الگوریتم شناسی:

الگوریتم‌شناسی علم الگوریتم‌ها است. از موضوعات این علم می‌توان به این موارد اشاره کرد: طراحی الگوریتم‌ها، ساخت فرایندهایی برای حل مسئله‌های مشخص یا گروهی از مسائل، نظریهٔ پیچیدگی کولموگروف، مطالعهٔ تخمین زدن سختی مسائل از طریق بررسی ویژگی‌های الگوریتم‌هایی که برای حل کردن آن‌ها طراحی شده‌اند (تحلیل الگوریتم‌ها)، مطالعهٔ ویژگی‌های یک مسئله مثل سنجش زمان و حافظهٔ کامپیوتری لازم برای حل مسئله از طریق یک الگوریتم.

با این تعاریف به اهمیت به کارگیری الگوریتم در پروژه ها پی بردید.چنانچه الگوریتم مناسبی انتخاب نشود در سرعت و عملکرد برنامه و در بکارگیری از منابع سیستم تاثیر بسزایی خواهد داشت.

انتخاب الگوریتم علمی و هوشمندانه نیازمند سالها تجربه و تخصص میباشد که در این خصوص با خاطری آسوده میتوانید جهت بهره گیری از مشاوره انتخاب درست الگوریتم به تیم نوآور اعتماد کنید.