المناهج

تعلم الخوارزميات خطوة بخطوة

الخوارزمية هي منهج هدفه حل المشكلات عن طريق مجموعة من التعليمات المتتابعة للمعالجات الحاسوبية، كما تهدف إلى إعطاء نتائج من خلال المعطيات الابتدائية التي يتم إدخالها.

ما هي الخوارزميات؟

  • سميت الخوارزمية بهذا الاسم نسبة إلى محمد ابن موسى الخوارزمي، الذي وضع علم الجبر وسماه بهذا الاسم، ثم انتقل هذا العلم إلى جميع الدول وترجم إلى العديد من اللغات الأخرى.
  • ظلت كلمة الخوارزمية متداولة في دول الغرب حتى أصبحت مصطلح جديد يدل على البرمجة، كما أن هناك ألفاظ أخرى تدل على بعض الخوارزميات مثل ألفاظ الإجرائية، والتقنية، والمنهج.
  • عندما يقوم خبير البرمجة بتصنيع برنامج معين، فإن أول شيء يفكر فيه بعد الفهم والدراسة الكافية، هو وضع استراتيجيات للحل ثم ترجمتها للغة يفهمها الحاسوب، تسمى هذه الاستراتيجيات بالخوارزمية.
  • يتم استخدام الخوارزميات في معالجة المعطيات، والعمليات الحسابية، والعديد من المجالات الأخرى، وهي عبارة عن عمليات محددة ومعروفة، من أجل تنفيذ مهمة معينة.
  • الخوارزمية هي قائمة دقيقة لخطوات دقيقة، لذلك يجب أن تكون التعليمات مرتبة ومدرجة بصورة صحيحة من أعلى إلى أسفل، وهذا الأمر ضروري حتى نتمكن من أداء الخوارزمية.

أنواع الخوارزميات

  • يمكن تصنيف الخوارزميات على حسب الوظيفة التي تقوم بها، مثل خوارزميات البحث، حيث تهدف إلى البحث عن عنصر محدد من بين مجموعة عناصر في المعطيات.

1- خوارزميات الفرز

حيث تقوم هذه الخوارزمية بترتيب مجموعة من العناصر في المعطيات، ويكون الترتيب متتالي، كما يجب أن يعتمد على بنود محددة في العناصر.

2- الخوارزميات التتابعية

يمكن تنفيذها عند تتابع مجموعة من التعليمات وترتيبها، والخوارزميات المتوازية، والتي يمكن تنفيذ أكثر من جزء بوقت واحد، ويحدث ذلك على عدة معالجات.

3- الخوارزميات الرجوعية

وتستخدم لإيجاد حل من بين مجموعة محاولات، حيث أن هذه المحاولات تمثل فروع، وعند عدم إيجاد الحل يتم الرجوع واختيار مسار آخر حتى نجد المسار الصحيح.

4- الخوارزميات العودية

ويكون من ضمن استخدام التعليمات الخاصة بهذه الخوارزمية، هو استدعاء الخوارزمية بنفسها، كما يوجد أنواع أخرى للخوارزميات.

خصائص الخوارزميات

  • تعتبر الخوارزميات مجموعة من التعليمات والقواعد الدقيقة، والتي يفهمها الجميع، يتم تطبيقها على مجموعة من المعطيات القابلة للتغيير، حتى يتم الحصول على نتيجة.
  • يجب أن يكون زمن تنفيذها قليل جدًا حتى تكون فعالة، كما يجب أن تكون مجموعة منتهية من المعلومات، وتنتهي بعد عدد منته من التعليمات، ويجب أن تعرف مجال متحولات الدخل.
  • يجب على الشخص أن يتمكن من تنفيذ جميع العمليات في وقت منته وباستخدام الإمكانيات اليدوية، وليس باستخدام الحاسوب، ويجب أن تكون هناك نتيجة واحدة على الأقل.

التراكيب الثلاثة الخاصة بالخوارزمية

كانت الخوارزمية في البداية تقتصر على ثلاثة تراكيب، كما أن فهم واستخدام هذه التراكيب يساعد الشخص على فهم الخوارزمية بطريقة سهلة، واكتشاف الأخطاء الموجودة وتغييرها وهي كالآتي:

1- التسلسل

حيث يجب أن تكون الخوارزمية مجموعة من التعليمات والقواعد المتسلسلة، ويجب أن تكون هذه التعليمات بسيطة أو تنتمي إلى أي نوع من النوعين الآخرين.

2- الاختيار

  • يوجد مشاكل لا يمكن أن تحل بالتسلسل البسيط للتعليمات، لذلك يجب تغيير بعض الشروط واختبار نتيجتها، في حالة أن تكون نتيجة هذا الاختبار صحيحة، اتبع التعليمات.
  • وفي حالة أن تكون التعليمات غير صحيحة فيجب عليك اختبار نتائج أخرى، أو تتبع مسار مختلف من التعليمات، وهذه الطريقة تسمى بالاختيار أو باتخاذ القرار.

3- التركيب الثالث وهو التكرار

  • وهذا التركيب الذي يوجد عند حل بعض المشاكل، حيث تعيد كتابة الخطوات المتسلسلة أكثر عدة مرات، ويسمى بالتكرار، ولا يوجد حاجة لاستخدام تراكيب أخرى.

الطريقة الصحيحة لتعلم الخوارزميات

  • عند بداية تعلم الخوارزميات يجب عليك أن توغر دفتر لكتابتها عليه، لأنه يجب عليك تحليل البرنامج على الورقة أولا، ثم بعد ذلك تقوم بكتابته على الكمبيوتر حتى تتأكد من صحة التحليل.
  • كما أن التحليل على الورقة في البداية يساعدك على التعلم بنسبة أكبر، كما أن المحترفون يقومون بالكتابة على الورقة قبل كتابة الكود، لذلك يجب أن تكتب الكود عدة مرات في البداية.
  • كما يجب أن تحاول في تغيير الكود والتلاعب به وتجربته على الكومبيوتر، حتى تستطيع أن تفهم أهمية كل سطر من سطور الكود، ويساعد ذلك على تنمية مهاراتك والتحليل بصورة أكبر وأسرع.
  • يجب فهم المسألة وتحليلها بدقة، ومعرفة المدخلات المطلوب معالجتها والمخرجات التي يجب الحصول عليها، ثم صياغة المعلومات بوضوح، واستخدام العمليات الرياضية المناسبة.
  •  أن تتصور حل شامل للمسألة، ثم تقوم بتجزئة هذا الحل الى وظائف أساسية وتعيد النظر في كل وظيفة على أنها مسألة جديدة يجب حلها، وتتكون هذه المسألة من عدة خطوات.
  •  الحرص دائمًا على استخدام التعليمات الأساسية وقت الحاجة، ثم يتم تكرير هذه العملية حتى نصل إلى العمليات التي يمكن التعبير عنها، عن طريق استخدام الطرق البسيطة.
  • عندما نصل إلى آخر المستويات تكون الخوارزمية كاملة ومكتوبة باللغة الخوارزمية، وباستخدام هذه الخوارزمية نستطيع أن نقوم بالترميز باللغة المناسبة مثل Java، pascal,c++.

التعبير عن الخوارزمية وتمثيلها

  • يمكننا التعبير عن الخوارزميات في أنواع متعددة من التدوينات، بالإضافة إلى جداول التحكم التي يمكن معالجتها عن طريق المترجمين الفوريين، وأشباه الأكواد، ولغات البرمجة وغيرها.
  • كما يتم تمثيل الخوارزمية باستخدام الخرائط الانسيابية، والتي توضح خطوات حل المشكلة من البداية للنهاية، وإخفاء التفاصيل، وتقوم بإعطاء صورة عامة للحل.
  • تصنف الخرائط الانسيابية إلى أربعة أصناف، وهي مخططات سير العمليات التتابعية، ومخططات سير العمليات ذات التفرع، ومخططات سير العمليات ذات التكرار، ومخططات سير العمليات ذات الاختيار.
  • كما يمكن تمثيل الخوارزمية بالشفرة الوصفية، حيث يتم وصف الخوارزمية بلغات البشر، وتكون بطريقة مشابهة للغات البرمجة، ولا يوجد قواعد معينة لاستخدام هذا النوع من التمثيل.

الطريقة النصية للتعبير عن الخوارزمية

  • يعتبر من أفضل الطرق للتعبير عن الخوارزمية هي استخدام أحد لغات البرمجة، حيث أن هذه اللغات تتميز بصيغ قواعدية، مما يمنع من حدوث أي التباس وارد عند التعبير باللغات المتداولة.
  • استخدام طرق منظمة للتعبير عن الخوارزمية يوفر على المستخدم حرية التعبير والاحتفاظ بنقل الحل إلى لغة برمجة يمكن للحاسوب أن يفهمها بكل سهولة، ويسمى هذا التعبير باللغة الخوارزمية.
  • يوجد في اللغة الخوارزمية عدة عناصر منها المتحول، وهو العنصر الذي يتم معالجته، وتكون قيمته متحولة، والثابت وهو العنصر الذي لا تتغير قيمته، والصيغة وهي المتحولات والثوابت والعمليات الحسابية.
  • كما يمكن التعبير عن مسار الحل باستخدام تعليمة القراءة، ويتم من خلالها قراءة قيمة الدخل لوضعه في الذاكرة، وتعليمة الكتابة حيث يتم كتابة القيم على وحدات الخرج أو الشاشة.
  • واستخدام تعليمة الأسناد، وهي إسناد القيم أو النتائج للذاكرة، والتعليمة التكرارية والتي تستعمل لتكرار التعليمات التي يتحقق فيها شرط معين أو الصيغة المنطقية للشرط صحيحة.
  • التعليمة الشرطية، ويكون لها شكلين، إما التنفيذ بشرط، أو التعلية الشرطية الاختيارية والتي تسمح باختيار أحد الطريقتين للتنفيذ، ويكون ذلك الاختيار وفق شرط محدد.

الطريقة البيانية للتعبير عن الخوارزمية

  • تعتمد هذه الطريقة على توضيح الخطوات اللازمة لتنفيذ الخوارزمية باستخدام الأشكال الهندسية، واستخدام أيهم تصل إليها، بالإضافة إلى تعابير رياضية وعبارات باللغة الطبيعية.
  • ثم ينتج بناء على هذه الخطوات ما يسمى بالمخطط التدفقي، كما نلاحظ أن الأسهم تقوم بفصل العمليات اللازمة لإنجاز العمل وتوضيح التسلسل الخاص بها.
  • يقوم المخطط التسلسلي باستخدام الأشكال الهندسية المتفق عليها، ويخصص كل شكل لعملية معينة، حيث يتم استخدام الشكل البيضاوي من أجل تحديد بداية الخوارزمية ونهايتها.
  • بينما يتم استخدام المستطيل لتنفيذ العمليات التنفيذية العادية، ويستخدم شكل المعين بالعمليات التي تتطلب فيها قرارات منطقية، بالإضافة إلى اختيار تحقق شرط معين.

 في نهاية رحلتنا مع تعلم الخوارزميات خطوة بخطوة، من الضروري تعلم الخوارزميات، حتى نتمكن من إيجاد حل لمسألة معينة على الحاسوب، حيث أن الخوارزمية يمكن أن تشمل جميع برامج الحاسوب، بالإضافة إلى البرامج التي لا يستخدم فيها عمليات حسابية.

السابق
طريقة حل مكعب روبيك للمبتدئين
التالي
نموذج كتابة التقرير العلمي