تصميم الخوارزميات وحل المشكلات

دورة حياة تطوير البرنامج هي مجموعة المراحل المستخدمة لإنشاء برنامج. توجد أربع مراحل.

التحليل

في التحليل تفهم المشكلة. مهارتان رئيسيتان تساعدان:

• التجريد — الاحتفاظ فقط بالتفاصيل المهمة وتجاهل الباقي؛
• التفكيك — تقسيم مشكلة كبيرة إلى أجزاء أصغر وأسهل.

التصميم

في التصميم تخطط للحل، غالباً باستخدام التفكيك. يمكنك عرض الأجزاء كـ أنظمة فرعية في مخطط هيكلي (رسم بياني يقسم نظاماً إلى صناديق أصغر).

الكتابة البرمجية والاختبار

في الكتابة البرمجية تكتب كود البرنامج. تستخدم الاختبار التكراري — تختبر أجزاء صغيرة مراراً وتكراراً أثناء بنائها. في الاختبار تشغيل البرنامج الكامل بـ بيانات اختبار للتحقق من عمله.

يمكنك التخطيط للحل بثلاث طرق رئيسية.

• مخطط هيكلي — يظهر أجزاء النظام وكيف ترتبط ببعضها؛
• مخطط انسيابي — رسم بياني يستخدم صناديق وأسهم لإظهار الخطوات بالترتيب؛
• الكود الوهمي — خطوات مكتوبة بلغة إنجليزية بسيطة شبيهة بالكود (وليس لغة حقيقية).

الخوارزمية هي مجموعة من الخطوات، بالترتيب الصحيح، تحل مشكلة. يمكن تقسيم كل خوارزمية إلى ثلاثة أجزاء:

• المدخلات — البيانات التي تدخل؛
• المعالجة — العمل المنجز على البيانات؛
• المخرجات — النتيجة التي تظهر.

يُسمى هذا تفكيك المدخلات والمعالجات والمخرجات. على سبيل المثال، لـ "إيجاد متوسط ثلاث علامات": المدخلات هي الثلاث علامات؛ المعالجة هي جمعهن وقسمتهن على 3؛ المخرجات هي المتوسط.

عند إدخال البيانات، تقوم بفحصها لتقليل الأخطاء.

التحقق من صحة يتأكد من أن البيانات منطقية وتتبع القواعد. لا يمكنه التحقق من صحة البيانات، بل فقط من سماحتها.

التحقق من الدقة يتأكد من أن البيانات تم نسخها أو إدخالها بشكل صحيح (بدون أخطاء أثناء الكتابة). طريقتان:

• الفحص البصري — يقارن شخص ما البيانات المكتوبة مع الأصلية؛
• الإدخال المزدوج — يتم إدخال البيانات مرتين ومقارنة النسختين مع بعضهما.

يسجل جدول التتبع قيمة كل متغير أثناء تشغيل الخوارزمية خطوة بخطوة. يساعدك على:

• التحقق من صحة عمل الخوارزمية؛
• تحديد ماذا تفعل الخوارزمية عن طريق تتبعها ببيانات معطاة.

مثال: تابع هذه الخوارزمية بإدخال 5.

INPUT N
Total ← 0
FOR I ← 1 TO N
    Total ← Total + I
NEXT I
OUTPUT Total

يُظهر جدول التتبع أن الخوارزمية تجمع 1 إلى n. مع الإدخال 5، يكون الإخراج 15.

مثال محلل. تابع هذه الخوارزمية وأعطِ الإخراج.

X ← 20
Count ← 0
WHILE X > 1
    X ← DIV(X, 2)
    Count ← Count + 1
ENDWHILE
OUTPUT Count

DIV يعطي فقط الجزء الصحيح من القسمة. خذ سطراً واحداً لكل دورة: تصبح x = 10 (count = 1)، ثم 5 (count = 2)، ثم 2 (count = 3)، ثم 1 (count = 4). الآن x > 1 غير صحيح، لذا تتوقف الحلقة ويكون الإخراج 4. عادةً ما تحمي هاتان العادلتان الدرجات: اختبر الشرط قبل كل دورة بدلاً من بعدها، واكتب سراً جديداً لـكل دورة - فإن محاولة الاحتفاظ بالقيم في ذهنك هي ما يسبب الأخطاء في الجداول.

بيانات الاختبار هي البيانات التي تستخدمها لاختبار برنامج. هناك أربعة أنواع يجب أن تعرفها.

يجب أن تعرف هذه الخوارزميات الشائعة.

البحث الخطي

يعمل البحث الخطي على فحص كل عنصر في قائمة ما، واحداً تلو الآخر، حتى يجد القيمة المطلوبة أو يصل إلى النهاية.

Found ← FALSE
FOR I ← 0 TO 9
    IF List[I] = SearchValue
      THEN
        Found ← TRUE
    ENDIF
NEXT I
OUTPUT Found

ترتيب الفقاعات

يقوم فرز الفقاعات بترتيب قائمة ما. يقارن كل زوج من العناصر المتجاورة ويبدلهما إذا كانا في ترتيب خاطئ. يكرر هذا حتى لا تكون هناك حاجة لمزيد من التبديل.

FOR I ← 0 TO 8
    IF List[I] > List[I + 1]
      THEN
        Temp ← List[I]
        List[I] ← List[I + 1]
        List[I + 1] ← Temp
    ENDIF
NEXT I

الجمع والإعداد

• الجمع — استمر في إضافة القيم إلى المجموع الكلي المتزايد (Total ← Total + Value).
• الإعداد — أضف 1 إلى العداد كل مرة يحدث فيها شيء ما (Count ← Count + 1).

القصوى والقصوى والمتوسط

• لإيجاد القيمة العظمى: احتفظ بالأكبر قيمة رأيتها حتى الآن.
• لإيجاد القيمة الصغرى: احتفظ بالأصغر قيمة رأيتها حتى الآن.
• لإيجاد المتوسط: قسّم المجموع الكلي على عدد القيم.

Total ← 0
FOR I ← 0 TO 9
    Total ← Total + List[I]
NEXT I
Average ← Total / 10
OUTPUT Average

• احفظ مراحل دورة الحياة الأربع: التحليل → التصميم → البرمجة → الاختبار. التجريد يحافظ فقط على التفاصيل المهمة؛ التفكيك يكسر المشكلة إلى أجزاء أصغر.
• التحقق من الصحة يتحقق من أن البيانات منطقية (فحوصات النطاق والطول والنوع والوجود والتنسيق)؛ التحقق من الدقة يتحقق من أنها نُسخت بشكل صحيح (فحص بصري أو إدخال مزدوج).
• احفظ الأنواع الأربعة لبيانات الاختبار: عادي (مقبول)، غير عادي (مرفوض)، متطرف (الأكبر/الأصغر المسموح به)، حدي (القيم على جانبي الحد).
• لمعرفة ما تفعله الخوارزمية، املأ جدول التتبع — اكتب قيمة كل متغير في كل خطوة.
• اعرف الخوارزميات القياسية: البحث الخطي (فحص كل عنصر بالتتابع) وفرز الفقاعات (تبديل الأزواج المتجاورة حتى لا تكون هناك حاجة للتبديل).