دليلك الكامل حول مفهوم الخوارزمية واستخداماتها في الحاسب الآلي

محتويات المقال

‏تعتبر الخوارزمية هي العديد من الخطوات المتسلسلة والمحددة، التي يتم اتباعها بهدف حل أحد المشكلات، أو تنفيذ مهام معينة. وفي الوقت الحالي تعمل كافة العلوم على تطبيق مفهوم الخوارزمية، بأشكالها المتعددة والمختلفة. ويتم استخدامها بصورة شائعة في علوم التكنولوجيا والحاسب الآلي. ومن الجدير بالذكر أن الخوارزمية لا تعتبر من المفاهيم الحديثة، ولكنها موجودة بشكل كبير في أقدم الحضارات. وتم إطلاق عليها ذلك الاسم نسبة إلى محمد بن موسى الخوارزمي، الذي عمل على إطلاق ذلك المصطلح في القرن التاسع من الميلاد.

‏الخوارزمية ‏في الحاسب الآلي

‏تعتبر الخوارزمية في الحاسب الآلي هي العديد من التعليمات في البرمجة، التي يقوم الحاسب بتنفيذها، لتنفيذ أحد المهمات. وذلك الأمر يتم بناءً على العديد من البيانات المعروفة بالمدخلات، ونتيجة لها يتم الوصول إلى تحديد المهمة وحل المشكلة، والتعبير عنها من خلال المخرجات. ومن الجدير بالذكر أن الخوارزمية متباينة من حيث طريقة البحث عن الحلول، ودرجة الصعوبة، فمن الممكن أن تكون سهلة وبسيطة، ومن الممكن أن تكون صعبة للغاية. ولذلك فإنه يتم كتابة الخوارزمية في أول الأمر من خلال الكود الزائف، وهي أحد الطرق المنطقية التي يتم الاعتماد عليها لتدوين الأوامر، ولكنها لا تعتبر شفرة برمجية فعالة.

‏بفضل التقنيات المتقدمة والعلوم المتسارعة التي تم الوصول إليها في العصر الحالي؛ ووجود مسائل متعددة شديدة الصعوبة، تتطلب إلى وجود الحل. لجأ الباحثين والعلماء إلى تصميم مجموعة من الخوارزميات التي تتسم بالسرعة الكافية، نظراً لأن الحواسب الآلية العادية تتمكن من التعامل مع أصعب المشكلات التي تتسم بالتعقيد بصورة فعالة، حتى وإن كانت فائقة القدرة. ولذلك فإنه يجب الحرص على التعامل بكفاءة مع أضخم المدخلات بصورة سريعة، عند تصميم الخوارزمية، حتى تتمكن من الحصول على النتائج المطلوبة.

‏شروط الخوارزمية

‏هناك مجموعة من الشروط التي يجب أن تتوفر في الخوارزمية؛ حتى تتمكن من حل المسائل المعقدة والمشكلات التي تواجه المستخدمين، ومن أهمها ‏المدخلات والمخرجات. بالإضافة إلى أنه من الضروري أن تكون كافة الخطوات الموجودة في الخوارزمية غير مبهمة، وواضحة بشكل كبير للغاية، حتى يتم فهمها من قبل المستخدمين بصورة سهلة. بالإضافة إلى المحدودية، مما يعني أن كل خطوة من الخوارزمية لابد أن تقوم بحل مشكلة ما، في وقت معين. والشرط الأخير هو المحلولية، مما يعني أن كافة الخطوات يجب أن تخضع إلى الحلول، وتكون ممكنة لهذا الأمر.

‏أنواع الخوارزمية

‏نتيجة التنوع الكبير الذي تتسم به المجالات العلمية، والخصوصية المضافة على كل قسم منها؛ فإن كل منهم لديه مجموعة خاصة من المشكلات، وتتطلب إلى أنواع محددة من الخوارزميات، التي تساعد في حل هذه المشكلات. بصورة عامة يوجد عدد كبير جداً من الخوارزميات التي تعتبر أساسية، وتشتق بقية الأنواع عنها. ومن أهم أنواع الخوارزميات الأساسية؛ هي الخوارزمية العشوائية، وخوارزمية التراجع، وخوارزمية القوة الغاشمة، خوارزمية الجشع، وخوارزمية هجوم القوة العمياء، خوارزمية فرق تسد، والخوارزمية البرمجة الديناميكية، والخوارزمية العودية البسيطة. فضلاً عن أنواع الخوارزميات السابقة؛ فإن هناك مجموعة أخرى من الأنواع المرتبطة بعلوم التشفير، والذكاء الاصطناعي، وخوارزميات تنقيب البيانات والتحسين.

‏التراكيب الأساسية في الخوارزمية

‏اقتصر مفهوم الخوارزمية في الماضي على ثلاثة تراكيب أساسية فقط، والتي تتمثل في الاختيار والتسلسل والتكرار. وتم إثبات أن الخوارزمية لا تتطلب إلى إضافة تراكيب إضافية أكثر من ذلك، نظراً لأنه الاعتماد على هذه التراكيب يساعد في سهولة فهم آلية عمل الخوارزمية، وكشف الأخطاء التي تظهر عليها، والعمل على تصحيحها وتغييرها. وتتمثل التراكيب الأساسية في ما يلي:

‏التسلسل

‏في هذا التركيب يكمن مفهوم الخوارزمية في العديد من التعليمات المتتالية والمتسلسلة، والتي تكون إما بسيطة أو من ضمن الأنواع الأخرى التي نقدمها لكم بعد ذلك.

‏الاختيار

‏هناك مجموعة متعددة من المشكلات التي لا يمكن الوصول إلى حل لها من خلال التسلسل البسيط في التعليمات والأوامر. ومن الممكن أن تتطلب إلى اختبار العديد من الشروط، والنظر في نتائج هذا الاختبار. ففي حالة أن النتيجة صحيحة؛ يتم اتباع المسار الذي يتضمن على التعليمات المتسلسلة. وفي حالة خطأ النتائج؛ يتم الاعتماد على مسارات أخرى تختلف عن المسار السابق.

‏التكرار

‏عند محاولة إيجاد حلول للعديد من المشكلات في بعض الأوقات، يتطلب الأمر إعادة التسلسل نفسه في الخطوات مرات متعددة، حتى يتمكن الشخص من الوصول إلى الحلول المرغوب فيها. ولذلك يطلق على هذا النوع من التركيب الاختيار.

‏تصنيف الخوارزمية بناءً على طرق التنفيذ

‏هناك مجموعة من التصنيفات التي يتم تقسيم الخوارزميات في إطارها، بناءً على طرق التنفيذ. والتي تتمثل في ما يلي:

‏الخوارزمية المنطقية

‏في هذا النوع من الخوارزمية يمكن اعتبارها على أنها أحد الخصوم المنطقية التي تخضع للرقابة، ومن الممكن التعبير عن تلك الفكرة بناءً على المعادلة التي تتمثل في أن الخوارزمية= التحكم + المنطق. مع العلم أن المكون المنطقي يقوم بالتعبير عن البديهيات التي يمكن الاعتماد عليها في عملية الحساب. ‏أما عن التحكم فإنه يقوم بتحديد الطرق التي من خلالها يتم تطبيق الخصومات على البديهيات. وذلك هو أساس العمل في نموذج البرمجة المنطقية.

‏من الجدير بالذكر أن التحكم يكون ثابت في لغة البرمجة المنطقية الخالصة، ويتم العمل على تحديد الخوارزمية عن طريق توفير المنطق فحسب. فإن الجاذبية في ذلك المنهج هي مجموعة من الدلالات الأنيقة التي تؤثر على العديد من التغيرات في البدايات، والتي ينتج عنها تغيرات واضحة في الخوارزمية.

‏الخوارزمية التكرارية

‏أما عن ذلك ‏النوع من الخرائط الخوارزمية يتم استخدامها بصورة متكررة، حتى تطابق أحد الشروط المعينة. وهي ذلك النوع ‏المستخدم بصورة كبيرة للغاية في البرمجة الوظيفية، ويتم الاعتماد على مجموعة من التركيبات المتكررة، وعلى رأسها الحلقات، والهياكل البينية الإضافية لحل المشكلات.

‏الخوارزمية المتوازية والتسلسلية والموزعة

‏على الأغلب يتم مناقشة الخوارزمية مع فرضية أن جهاز الكمبيوتر أو الحاسب الآلي يعمل على تنفيذ خوارزمية واحدة فقط في كل مرة. ويتم إطلاق مصطلح أجهزة الكمبيوتر التسلسلية على جهاز الكمبيوتر المستخدم. وتعرف الخوارزمية التي يتم الاعتماد عليها في هذا الأمر بالخوارزمية التسلسلية، بعكس الأنواع الأخرى. ومن الجدير بالذكر أن الخوارزمية المتوازية تقوم بالاستفادة من مكونات الكمبيوتر، من خلال إجراء مجموعة من المعالجات لحل المشكلة في الوقت نفسه. ولكن يتم استخدام الخوارزمية الموزعة على مجموعة متعددة من أجهزة الكمبيوتر، المرتبطة بالأفراد على نفس شبكة الحاسب الآلي.

‏يتم تقسيم المشكلة في الخوارزمية الموزعة أو المتوازية إلى مجموعة من المشكلات الفرعية الغير متلازمة، والمتماثلة أو التسلسلية بشكل كبير للغاية، وتجميع النتائج سوياً مرة أخرى، بالإضافة إلى أنه يتم العمل على استهلاك المواد الموجودة في ذلك الشكل من الخوارزميات عن طريق الاتصالات العامة الموجودة بين المعالج.

‏الخوارزمية التقريبية أو الدقيقة

‏هناك مجموعة من أشكال الخوارزمات التي تتمكن من الوصول إلى الحلول الدقيقة، والتي تبحث عن تقريب النتائج بشكل كبير إلى الحلول الحقيقية. فمن الممكن الوصول إلى التقريب عن طريق الاستراتيجيات العشوائية أو الحتمية. وذلك النوع من الخوارزمات يتمتع بقيمة عملية لمجموعة كبيرة من أصعب المشكلات.

‏الخوارزمية الحتمية والغير حتمية

‏يتم حل المشكلات من خلال الخوارزمية الحتمية بقرارات دقيقة للغاية، في كل خطوة منها. كما أن الخوارزمات الغير حتمية فإنها تقوم بحل المشكلات من خلال التخمين.

‏الفرق بين الخوارزمية والبرامج

‏هناك مجموعة واضحة ومحددة من الفروق التي تكمن بين الخوارزمات والبرامج، وذلك من خلال النظرية الحسابية. كما أن الخوارزمات تعمل على تحقيق كافة الشروط المذكورة عليها، ومن الممكن وصفها في مجموعة من العبارات على أنها المخططات الانسيابية أو اللغات الخوارزمات . أما عن البرنامج فإنه لا يعمل على تحقيق مجموعة من الشروط، كما يتم وصفه على أنه لغة الحاسب الآلي. ومن هنا نجد أن البرنامج يتضمن على الهيكل البياني الذي يعمل على عكس أساليب البيانات المنظمة. بالإضافة إلى الخوارزمية. كما يتم تطوير البرنامج بمجموعة من الخطوات والمراحل، التي تتمثل في ما يلي:

‏وصف المتطلبات

يتم إجراء هذه المرحلة من خلال تحديد كافة أشكال وأنواع المدخلات والمخرجات.

‏التصميم

‏يتم هذا الأمر عن طريق تحديد كافة العمليات الأساسية المنطبقة على كل من الهياكل البينية على حدا. ذلك مع فرضية توفر أجهزة تعمل على علاج العملية.

‏التحليل

‏هي عملية إجراء مقارنة الخوارزمات التي تعمل على الوصول لنفس الحل. ذلك بناءً على مجموعة معينة من المقاييس، للوصول إلى الأجود والأفضل من ضمن هذه الخوارزمات.

‏التشفير

‏هنا يتم العمل على تحديد الرسم البياني، وتحديد الإجراءات وتسجيلها لكل عملية على حدا. وبعد ذلك يتم العمل على الوصول إلى نسخة متكاملة حول البرنامج.

‏التأكد من الصلاحية

‏أما عن هذه الخطوة فإنها تحتوي على ثلاثة خطوات مدرجة بداخلها، علاوة على التأكد من الصحة. نظراً لأنه قبل نشر البرنامج واستخدامه من الضروري أن يتم إثبات صحته. بالإضافة إلى الاختبار، والذي من خلاله يتم العمل على الحصول على مجموعة من النماذج البيانية. وفي حالة ظهور أي أخطاء يجب الانتباه إليها. والمرحلة الأخيرة هي تشخيص الأخطاء. وذلك من خلال تعيين مجموعة من المواقع البرمجية حول الأخطاء، وتصحيحها بالشكل المناسب.

كتابة: أحمد عادل

المصادر: 1 / 2 / 3