الگوریتم

الگوریتم (نسبت: الگوریتمی، خوارزمیک) یا خوارزمی 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. شیوه محاسبه معدل در مدرسه، یکی از نمونه‌های 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 ارائه‌ی یک الگوریتم
به طور کلی جهت ارائه‌ی یک الگوریتم کامل به 3 مولفه‌ی اصلی احتیاج داریم که عبارتند از:
مقادیر معلوم
خواسته‌ی مسئله
عملیات محاسباتی
اطلاعات اولیه‌ای که در اختیار ما قرار می‌گیرد و با استفاده از آن‌ها به ارائه‌ی 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 3 گانه‌ی بالا در ارائه‌ی الگوریتم الزامی است. به نقل از - ۲۸ مرداد ۱۳۹۷ (بازبینی 1 شهریور ۱۳۹۷)
یک الگوریتم شامل دستورالعمل‌های پشت سر هم است که جهت ارائه‌ی یک خروجی معتبر باید به ترتیب اجرا شوند، از این رو رعایت ترتیب در مولفه‌های اصلی نیز موثر است، چرا که اساسا بدون وجود خواسته‌ی مسئله عملیات محاسباتی نیز وجود نخواهد داشت.
ریشه واژه الگوریتم
واژه الگوریتم از نام ریاضیدان و ستاره‌شناس و جغرافی‌دان نامی ایرانی، ابوجعفر محمد بن موسی خوارزمی (الخوارزمی)، گرفته شده‌است، که در خوارزم زاده شد و در دانشگاه «بیت الحکمه» بغداد به اوج شهرت رسید. خوارزم یکی از شهرهای «ایران بزرگ» بود، که امروزه در ازبکستان واقع شده‌است و خیوه نام دارد. رساله‌ای که خوارزمی در قرن ۹ میلادی به عربی نگاشته بود، در قرن ۱۲ به لاتین با نام "Algoritmi de numero Indorum" ترجمه شد؛ یعنی "کتابی بدست «الگوریتمی» در مورد اعداد هندی"، که «الگوریتمی» نام الخوارزمی بود که مترجم در تبدیل به لاتین نام وی را جلوی نام اصلی کتاب (در مورد اعداد هندی) آورده بود. در قرن ۱۳ میلادی واژه الگوریسموس(algorismus) به معنای «سیستم شمارش عربی (دهدهی)» (یعنی اعداد ۱ تا ۹ به علاوه صفر، و نیز مفهوم اعشار) بود؛ که هنوز هم یکی از معانی واژه الگوریسم(algorism) است. معنای دیگر الگوریسم «حساب کردن با کمک اعداد عربی» است؛ یعنی فن انجام اعمال حسابی پایه، مانند جمع و ضرب، با قرار دادن اعداد در زیر هم و اعمال قواعدی خاص، که جایگزین به‌کارگیری اعداد رومی و استفاده از چرتکه شد. حتی روش انجام دستی تقسیم و جذر گرفتن (رادیکال) هم الگوریسم نامیده می‌شود. در قرن ۱۹ این کلمه در فرانسوی به algorithme تغییر شکل پیدا کرد، البته معنایش ثابت ماند. طولی نکشید که این کلمه به شکل algorithm وارد زبان انگلیسی شد؛ ولی فقط در اواخر قرن ۱۹ میلادی بود که معنای عام‌تر امروزی‌اش را یافت، و به «هر مجموعه قواعدی برای انجام یک رویه محاسباتی یا روال رایانه‌ای به کار رود» الگوریتم گفته شد.
تبدیل نام الخوارزمی به الگوریسم و سپس الگوریتم احتمالا تحت تاثیر واژه یونانی arithmos (به معنای عدد) و arithmetic (به معنای محاسباتی) بوده‌است. برخی منابع هم کلمه لگاریتم را هم در تبدیل الگوریسم و الگوریتم بی‌تاثیر ندانسته‌اند.
نقش الگوریتم‌ها در علوم رایانه
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.
مفهوم الگوریتم
مفهوم الگوریتم را معمولا با تشبیه به دستور آشپزی توضیح می‌دهند. مثلا اگر بخواهیم آبگوشت درست کنیم (عمل مورد نظر) با فرض اینکه مواد خام را داریم (حالت اولیه) مراحل مشخصی را باید طبق دستور آشپزی طی کنیم (دستورالعمل‌ها) تا به آبگوشت آماده (حالت پایانی) برسیم. البته الگوریتم‌ها معمولا پیچیده‌تر از این هستند.
الگوریتم گاه دارای مراحلی است که تکرار می‌شود (در مثال آبگوشت مثلا چند بار باید نمک زد یا آب اضافه کرد) یا در مرحله‌ای نیازمند تصمیم‌گیری است (اگر نمک کافی است دیگر نمک نمی‌زنیم، اگر کافی نیست نمک می‌زنیم).
اگر الگوریتم برای عمل مورد نظر مناسب نباشد یا غلط باشد به نتیجه مورد نظر نمی‌رسیم. مثلا اگر الگوریتم آبگوشت را با مواد اولیه کباب انجام دهیم واضح است که به آبگوشت نمی‌رسیم.
باید بدانیم برای هر الگوریتم تعریف متغیرها و طراحی مرحله به مرحله بسیار مهم است. زیرا الگوریتم باید بداند بر روی چه متغیرهایی، چه اعمالی را انجام دهد و نتیجه را در غالب چه متغیرها یا پارامترهایی نشان دهد.
مقدمه‌ای بر تحلیل الگوریتم
معمولا 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 مرکزی 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 معمولا 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 موخر (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.
جنبه حقوقی
در بعضی کشورها، مثل آمریکا اگر تعبیه فیزیکی الگوریتمی ممکن باشد (برای مثال، یک الگوریتم ضرب که می‌شود آن را در واحد محاسبه یک ریز پردازنده تعبیه کرد) می‌شود آن الگوریتم را به ثبت رساند.
فلوچارت
الگوریتم‌های مرتب‌سازی
الگوریتم کروسکال
الگوریتم مسئله دوستان خوب
الگوریتم حریصانه
مرتب‌سازی حبابی
پیچیدگی زمانی
پیچیدگی فضا
الگوریتم حریصانه
الگوریتم تقسیم و حل
برنامه‌نویسی پویا