كشف سر العلاقة بين البرمجة و الخوارزميات

هل تساءلت يوماً عن السر الذي جعل أغلب المبرمجين المحترفين لهم علاقة قوية بعلم الخوارزميات؟ و هل سألت نفسك هذا السؤال : أنا مبرمج لماذا اتعلم الخوارزميات؟ كُن معي اليوم حتى تعرف هذا السر الكبير.

حتى تعرف ما هو السبب لا بد أن تعلم تماماً ما هي الخوارزميات. بصورة مبسطة جداً هي مجموعه من الخطوات التي تطبق لحل مشكلة ما. إعلم أولاً أن الخوارزميات هي مسألة تسهيل وتبسيط للمشكلة وليس مسألة إيجاد حل أو دواء للتخلص من الداء.

هل أنت معي؟ سأوضح لك بمثال…

لحساب معادلة ما مثلا Y=x²/2x تبدأ الخوارزمية بحساب المقام أولا و تتأكد أنهُ لا يساوي الصفر (أسميها خطوة إتخاذ قرار) ثم تحسب ضعف العنصر (x)، ثم تحسب مربع العنصر (x) ثم بعد ذلك تقوم بحساب ناتج القسمة. الخطوات السابقة بإمكانك إعتبارها خوارزمية بسيطة لحل المعادلة أعلاه. هذا يعني أننا (بسطنا) حساب المعادلة فقط ولم نعدل في المعادلة في حد ذاتها، أليس كذلك؟

إذن الخوارزميات هي للتبسيط والتسهيل وإختصار الوقت. كما ذكرتُ لك و احفظ هذا عن ظهر قلب (الخوارزميات من أجل التبسيط).

ما هو دور الخوارزميات حتى تنال تلك الأهمية؟!!

هل تعلم أن لها أثر كبير في سرعة تطور مجال البرمجيات و إحداث طفره كبيرة فيه؟

تستطيع اليوم البحث في مليارات الملفات في ثوانٍ معدودة، وتستطيع حساب كل العمولات البنكية أيضاً في ثوانِ. وهذا يرجع للتقدم الكبير في علم الخوارزميات.

و أقربُ مثال لهذا التقدُّم هو الصراف الآلي، هل تذكر تلك الصُّفوف الطويلة من أجل صرف مبلغ بسيط؟!!

قديماً كانت تستهلك مسألة صرف المرتبات فقط الكثير من الوقت والقوى العاملة والأوراق التي يملؤها الناس يدوياً مع إحتمال وقوع الأخطاء البشرية. لكن اليوم وبفضل الله ثم الخوارزميات أصبحت عدة ضغطات بالأزرار فتستطع السّحب من حسابك في البنك ليخصم البنك المبلغ من رصيدك في ثوان فقط. و لْتعلم أيضاً ان عتاد الحاسب تطور تطوراً كبيراً في السّنوات القليلة الماضية على عكس البرمجيات التي تتناسب معها. هذا التطور صَنع إهتماماً و توجهاً لتطوير الخوارزميات لتتماشى مع هذا التطور في العتاد.

ما دور الخوارزميات في لغات البرمجة؟

 الآن سأنقلك لصُلب الموضوع، حسناً، إذا أردت أن تحل مسألة معينة وتقوم بالتعبير عنها بلغة البرمجة التي تريدها، ماذا تفعل؟ إنك ستضع خطوات للحل أولاً في رأسك، هذه الخطوات هي الخوارزمية التي تبني عليها الحل الخاص بك، يمكنك التعبير عن هذه الخطوات عن طريق اللغة التي تريدها وبكلمات بسيطة تفهمها أنت، أو يمكنك التعبير عنها عن طريق الأشكال المتوافق عليها ليسهل العمل عليك، مثلما يحدث عند الحوادث المرورية – حفظك الله – يرسم شرطي المرور خوارزمية الحادث وفق شكل معروف وهو كروكي الحادث، 

و لتستخدم الأشكال المعيارية في علم الخوارزميات عليك أن تضع خطة الحل وما يساعدك على الحل والناتج التي تتوقعها.

إستخدام أشكال الخوارزميات لعمل مخطط إنسيابي:

•  نستخدم هذا الشكل في بداية ونهاية الخوارزمية.
•  نعلم بالتأكيد في أي مشكلة هناك أمور تساعدك على الحل ونتفق أن نسميها مدخلات للخوارزمية. والحل الناتج بعد استخدام الخوارزمية اسمه مخرجات. كلا المدخلات والمخرجات تكتب في شكل متوازي الاضلاع.
•  إذا كانت خطوات الحل الخاصة بك تتطلب بعض العمليات الحسابية او بعض العميات الأُخرى التي تريد تنفيذها فيجب ان تضعها داخل شكل المستطيل.
• إذا واجهتك خطوة تتطلب إتخاذاً للقرار استخدم هذا الشكل لتمثيل ذلك القرار حيث السهمين في الجوانب يبينان مسار كل قرار.
• توجد بعض المسائل الكبيرة تتطلب خطوات حل كثيرة جداً. يمكنك إستخدام شكل الدائرة لربط الخطوات مع بعضها البعض .

هذه هي الأشكال أو الرموز التي تحتاجها لتمثيل خطوات الحل (الخوارزمية) بيانياً , هل تعلم الآن لماذا يجب عليك كمبرمج تعلم الخوارزميات؟ ليس بعد؟ حسناً، هل تعلم أنها هي أساس كل لغات البرمجة؟ ومن المهم جدا التعرف علي مفاهيمها؟

فعمليات الجمع المعقدة تتطلب خوارزمية و عمليات ترتيب العناصر تستخدم الخوارزميات أيضاً، لك أن تتخيل أن أي عملية مهما كانت معقدة او بسيطة تستخدم خوارزمية، ومعرفتك الجيدة بالخوارزميات هي التي تميزك عن بقية المبرمجين.

لماذا؟

كل مستخدم يريد تطبيقاً سريعاً وسهل الاستخدام، فللوصول لهذه النتيجة لا تكفيك معرفة جيدة بالخوارزميات -كلا- بل أيضاً طريقة تطبيها و معرفة طرق إختيار الأنسب منها .

كما أن الخوارزميات تسهل العمليات المعقدة و تختصر الزمن، فيجب عليك إختيار الخوارزمية بحيث يسهل عليك العمل وتستهلك وقتاً أقل.

ماذا أعني بالإختيار الأنسب؟!! توجد خوارزميات سريعة جداً في حالة المدخلات البسيطة لكن إذا كثُرت هذه المدخلات فإنها تفشل وتأخُذ وقتاً طويلاً. كما توجدخوارزميات تكون عمليةً في حالة المدخلات الكبيرة ولكن يجب أن لا نستخدمها في حالة المدخلات البسيطة لأنها تأخذ وقتاً أطول. إذاً الإختيار الجيد للخوارزمية نفسها يميزك عن بقية المبرمجين.

خلاصات

الآن تعلم لماذا تحتاج -كمبرمج- أن تتعلم الخوارزميات. فإذا أردت تطوير برنامج آلة حاسبه فقط فستستخدم الخوارزميات. ستقوم بالعمليات من جمع و ضرب و غيرها و إتخاذ القرار (ذكرته في المقالة سابقاً ) مع توفر المدخلات (الأرقام المراد إجراء العمليات عليها) للوصول إلى الناتج المطلوب. وتستخدم الخوارزميات لتسريع تنفيذ البرنامج. وقبل إنشاء أي برنامج يجب عليك تجهيز الخوارزمية المناسبة التي تتناسب معه.

الخلاصة هي أنهُ مهما كانت لغةُ البرمجة فإن الإلمام بعلم الخوارزميات ابتداءً لتسهيل فهم لغة البرمجة بحد ذاتها، وتساعدك علوم الخوارزمية في تطبيق البرمجة واقعياً.

فالواقع لا يخلو من الخوارزميات وما البرمجة إلا تسهيل وتبسيط للمشاكل التي تواجهنا في  الواقع كما ذكرنا في مقال هل للخوارزميات علاقة بعلوم الحاسب؟.

لا تفوت قراءة التدوينات التخصصية في الخوارزميات

• شرح أسباب تميُّز الخوارزمية.
• خوارزمية البحث الخطي Linear Search Algorithm.
• خوارزمية البحث الثنائي Binary Search Algorithm.
• شرح خوارزمية الترتيب بالإختيار | Selection Sort.
• جميع تدوينات الخوارزميات.

هكذا طفنا في سر العلاقة بين الخوارزميات و البرمجة. تلك العلاقة التي لم و لن تنتهي و تظل كل يوم في إتقادٍ و حرارة زائدة.

هل ترى نوعاً آخر من العلاقة بين البرمجة والخوارزميات؟ علّق أدناه