الخوارزميات في مجال علوم الحاسب تعتبر عنصراً حيوياً في معالجة المشكلات الرياضية الرقمية، حيث تمثل الطريقة الأساسية في بناء وتصميم تطبيقات الكمبيوتر. إن المفهوم الحديث للخوارزميات يرتبط بشكل عميق بتعقيدات البرمجة وقواعدها الأساسية.
الخوارزميات في علوم الحاسب
- تعتبر الخوارزميات من العناصر الضرورية في علوم الكمبيوتر، حيث تساهم في تنشيط البرامج وتنفيذ العمليات بشكل منهجي ودقيق. تجدر الإشارة إلى أن العديد من تطبيقات البرمجيات تتطلب تنفيذ خوارزميات معينة بترتيب محدد لتحقيق الكفاءة.
- تتميز الخوارزميات بأنها حقل علمي نشط، الأكثر استخدامًا في معالجة التعقيدات الرياضية سواءً على شبكة الإنترنت، أو داخل البرامج بمختلف الطرق لخدمة الأغراض المحددة.
أنواع الخوارزميات في علوم الحاسب
1- خوارزمية الترتيب
تُعد خوارزمية الترتيب من الأكثر استخداماً، حيث تركز على تنظيم القوائم. يُشار إلى أن هذا النوع يشمل أنماطًا فرعية مثل الترتيب السريع، وترتيب الدمج، وترتيب الفقاعات.
2- خوارزمية البحث الشامل
تتأمل هذه الخوارزمية في الحلول المحتملة وتختار الأكثر مناسبة لها.
3- خوارزمية التجزئة والتقسيم
تعتمد هذه الخوارزمية على تقسيم المشكلة إلى أجزاء أصغر لمعالجتها بشكل منفصل.
4- خوارزمية الحل الجشع
تستخدم هذه الخوارزمية استراتيجيات الاختيار الفورية لحل المشاكل، مع تجاهل الاعتبارات المستقبلية بالكامل.
5- خوارزمية البرمجة الديناميكية
تعتمد هذه الخوارزمية على بناء حلول جديدة من خلال دراسة وحل المشاكل السابقة، وهي تعد من أكثر الأنواع فعالية وتقدماً.
فهم الخوارزميات
- يمثل مفهوم الخوارزمية طريقة منهجية لحل المشاكل، حيث يتطلب تحقيق سلسلة من العمليات المحددة. تُستخدم الخوارزميات بشكل متكرر في مجالات الرياضيات وعلوم الكمبيوتر، ويمثل الكمبيوتر مثالاً بارزاً على هذا المفهوم.
- عند تكليف خبراء البرمجة بكتابة برامج لحل مشاكل رياضية أو تطوير تطبيقات، فإن البداية تكون عبر تحليل المشكلة ثم صياغة استراتيجية للحل.
- هذه الاستراتيجيات تُترجم إلى لغة يفهمها الكمبيوتر، وتُعرف بخوارزميات التي تُستخدم في العمليات الحسابية وعمليات معالجة البيانات وغيرها من المجالات.
خصائص الخوارزمية
- مجموعة واضحة من القواعد والتعليمات التي يسهل على الجميع فهمها.
- تتوافق مع البيانات التي يمكن أن تتغير.
- تُنتج نتيجة.
- تضم مجموعة كاملة من التعليمات.
- تعتمد على المعرفة بمجال متغير الدخل.
- يجب أن تكون فعالة، بحيث يكون زمن التنفيذ أقل من حد معين.
- تتضمن مجموعة محددة من القواعد التي يسهل إدراكها.
- تهدف إلى إنتاج نتيجة ناجحة عند اختيار البيانات بشكل صحيح.
- وفقاً ل Knuth في كتابه “فن البرمجة”، يتم تعريف الخوارزمية على أنها مجموعة من القواعد ذات الخصائص التالية.
- يجب أن تكون الأكواد قابلة للإكمال خلال عدد محدود من العمليات.
- يجب تحديد جميع التعليمات بشكل دقيق، بحيث تكون خالية من أي لبس.
- يجب تعريف نوع بيانات الإدخال بشكل دقيق مثل عدد صحيح أو حرف.
- يجب أن تعطي على الأقل نتيجة واحدة.
- تكون فعالة بما يكفي لاستخدام العمليات يدويًا دون الحاجة لجهاز الحاسوب.
ما هي الخوارزميات في البرمجة؟
- يمكن اعتبار خوارزمية البرمجة كمجموعة من التعليمات المفصلة التي تتيح للكمبيوتر حل مشكلة أو تحقيق هدف معين.
- جميعنا قد سمعنا عن الوصفات، ويمكن مقارنة خوارزميات البرمجة بهذا المفهوم، لكن بالطبع، نستخدم مصطلحات مختلفة في عالم الكمبيوتر للحديث عن المدخلات والبرامج.
- الكمبيوتر يقوم بتنفيذ هذه البرامج بدقة، وعندما يُحقق النتائج، نتلقى ما نطلق عليه المخرجات.
- تمثل الخوارزمية في البرمجة الخطوات المتبعة لتحقيق شيء ما، ويتبع الكمبيوتر هذا الوصف بدقة بعد تحويله إلى لغة يفهمها.
- مع العلم أن الخوارزميات ليست مشكلات برمجية بل تُكتب بلغة بسيطة تسهل فهمها، وتتكون دائماً من بداية، وسط، ونهاية.
- تهدف الخوارزميات في البرمجة إلى تقديم حلول فعالة للمشكلات.
صفات الخوارزمية البرمجية
كما سبق أن ذكرنا، فإن الخوارزميات البرمجية لها خصائص تميزها عن غيرها، وفيما يلي أبرز هذه الخصائص:
- يجب توضيح تفاصيل المدخلات والمخرجات بدقة.
- كل خطوة في خوارزمية يجب أن تكون واضحة ولا لبس فيها.
- عند استخدام طرق متعددة لحل المشكلة، يجب أن تولي الخوارزمية أهمية كبيرة للفعالية.
- لا يشترط أن تعتمد الخوارزمية على أكواد محددة، بل يمكن كتابتها بطريقة تجعلها قابلة للاستخدام عبر لغات برمجية متعددة.
مثال عن خوارزميات البرمجة
- قد تختلف طريقة كتابة الخوارزميات، وسنستعرض هنا مثالاً بسيطاً دون استخدام لغة برمجة عميقة للحفاظ على وضوح الفكرة.
- يمكن كتابة خوارزميات البرمجة باستخدام خطوات مرقمة أو عبر المخططات التوضيحية. إليك خوارزمية بسيطة لمعالجة بيانات البريد الإلكتروني.
- الخطوة 1: ابدأ.
- الخطوة 2: أنشئ مكوناً لتلقي عنوان البريد الإلكتروني من المستخدم.
- الخطوة 3: امسح سجل المكون إذا لم يكن فارغًا.
- الخطوة 4: اطلب من المستخدم إدخال عنوان البريد الإلكتروني.
- الخطوة 5: احفظ المدخل في المكون المالي.
- الخطوة 6: تحقق من صحة عنوان البريد الإلكتروني المدخل.
- إذا كان العنوان غير صحيح، عد إلى الخطوة الثالثة.
- الخطوة 8: النهاية.
- ملاحظة: هذه الخطوات تهدف إلى تخزين عنوان البريد الإلكتروني والتحقق من صحته.
ما هي علوم الحاسب؟
- علم الحاسوب هو تطبيق المعرفة المكتسبة من الرياضيات وتقنيات الكمبيوتر لتحليل المشكلات وتحديد متطلباتها، بحيث يتم استخدام الحواسيب في حلها وتطبيق جميع التصاميم الضرورية.
- كما يتم تنفيذ وتقييم الأنظمة والعمليات لتسهيل العمل وتحقيق الأهداف المشتركة.
فروع علوم الحاسب
1- علم الحاسوب النظري
يهتم بدراسة اللغات الرسمية ونظريات الحساب.
2- علم الحاسوب العملي
يجمع بين النظرية والخوارزميات ويشمل تحويل اللغات إلى تطبيقات عملية يسهل استخدامها.
3- علم الحاسوب التطبيقي
يتناول التطبيقات المتعددة لعلوم الكمبيوتر في مختلف مجالات الحياة.
4- هندسة الحاسوب
- فرع يركز على تصميم وبناء الأجهزة، ومزيج من عدة مجالات مثل الهندسة النظرية، والفيزياء، والإلكترونيات.
أقسام أخرى لعلوم الحاسب
- الخوارزميات والبيانات النظرية والتي تستعرض الجوانب النظرية لعلوم البيانات.
- علوم تكنولوجيا الحاسوب، وتركز على الجوانب العملية، بما في ذلك التصميم والتحليل.
