الفصل 1. البدء بالخوارزميات: نهج حديث

ما هي الخوارزميات وما أهميتها؟

الخوارزمية هي طريقة لحل المشكلات محددة وفعالة وقابلة للتنفيذ كبرنامج كمبيوتر. الخوارزميات هي جوهر علم الحاسوب - وهي الموضوع المركزي للدراسة في هذا المجال.

الخوارزميات هي أدوات أساسية في برمجة الكمبيوتر وتطوير البرمجيات. كل برنامج كمبيوتر غير بسيط يحتوي على خوارزميات تحدد الخطوات التي يجب اتباعها لحل مشكلة أو إنجاز مهمة. بعض الأمثلة على المجالات التي تلعب فيها الخوارزميات دورًا حاسمًا تشمل:

• الحوسبة العلمية - تشغل الخوارزميات النماذج الحسابية والمحاكاة المستخدمة في مجالات مثل الفيزياء والأحياء والهندسة لمعالجة المشكلات المعقدة. على سبيل المثال، تستخدم خوارزميات محاكاة N-body لتوقع حركة الجسيمات تحت القوى الفيزيائية.

• الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي - تقوم الخوارزميات بأساس النماذج المستخدمة لمهام مثل رؤية الكمبيوتر ومعالجة اللغة الطبيعية والتحليلات التنبؤية. مكنت خوارزميات التعلم العميق من إحراز تقدم في قدرات الذكاء الاصطناعي.

• التحسين وبحوث العمليات - تستخدم الخوارزميات لتحسين الأنظمة والعمليات المعقدة، مثل جدولة رحلات الطيران وسلاسل التوريد واللوجستيات والمحافظ المالية وشبكات الاتصالات. توفر خوارزميات البرمجة الخطية وغيرها من خوارزميات التحسين دعم القرار.

• الرسومات الكمبيوترية والمحاكاة - تولد الخوارزميات صورًا واقعية وتفاعلات ثلاثية الأبعاد في ألعاب الفيديو والأفلام المولدة بالكمبيوتر. تنتج خوارزميات تتبع الأشعة والمحاكاة الفيزيائية مشاهد واقعية.

• الأمن السيبراني والتشفير - تستخدم الخوارزميات لتأمين أنظمة الكمبيوتر من خلال تشفير البيانات الحساسة والكشف عن التسلل والتحقق من الهويات. تمكن خوارزميات التشفير بمفتاح عام الاتصالات والتجارة الإلكترونية الآمنة.

• علم الأحياء الحاسوبي - تستخدم الخوارزميات لتحليل البيانات البيولوجية مثل تسلسل الحمض النوويهذا هو الترجمة العربية للملف:

تحليل البيانات الضخمة، والتنبؤ بتركيب البروتينات، ونمذجة الأنظمة الكيميائية الحيوية. لقد أحدثت تقنيات تسلسل الجينوم ومحاذاة الخوارزميات ثورة في علوم الحياة.

• قواعد البيانات واسترجاع المعلومات - تستخدم الخوارزميات لتخزين وفهرسة وتحقيق استعلام في مجموعات البيانات الضخمة. تستخدم محركات البحث خوارزميات التنقيب على الويب والفهرسة والترتيب لتوفير إمكانية الوصول الفوري إلى المعلومات عبر الإنترنت.

مع نمو قوة الحوسبة وظهور تطبيقات جديدة، سوف تزداد أهمية الخوارزميات. توفر الخوارزميات القوة اللازمة لحل أصعب التحديات الحسابية وتحقيق إمكانات التقنيات الحاسوبية الجديدة. يمكن أن توفر التطورات في الخوارزميات تحسينات كبيرة في كفاءة وقدرات أنظمة الحاسوب.

على الرغم من أن لغات البرمجة والأدوات الحديثة تخفي العديد من تفاصيل التنفيذ، إلا أن الفهم القوي للخوارزميات لا يزال ضروريًا لكتابة برامج فعالة وقابلة للتطوير والمرنة. يحتاج المبرمجون إلى معرفة كيفية اختيار الخوارزميات المناسبة لمشكلة معينة، وتحليل كفاءة الخوارزميات، والتعرف على أنماط الخوارزميات، وتكييف الخوارزميات الحالية لاستخدامات جديدة.

يشمل دراسة الخوارزميات الأسس النظرية والتقنيات التصميمية والتحليل الرياضي لطرق حل المشكلات الحسابية. إنها مجال فكري غني بروابط عميقة مع الرياضيات وله العديد من التطبيقات العملية المهمة. يجب أن يكون لدى كل عالم حاسوب ومهندس برمجيات معرفة عملية بالخوارزميات الأساسية المستخدمة اليوم.

نظرة عامة على الكتاب ونهجه

يقدم هذا الكتاب مقدمة شاملة للدراسة الحديثة للخوارزميات الحاسوبية. يعرض العديد من أهم الخوارزميات المستخدمة في علوم الحاسوب وهندسة البرمجيات، مع التركيز على التطبيقات العملية وتحليل الأداء العلمي.

يستعرض الكتاب الخوارزميات الأساسية للفرز والبحث والرسوم البيانية والنصوص وغيرها من مواضيع علوم الحاسوب الأساسية. يوضح كيفية تحليل الخوارزميات لفهم كفاءتهاملف Markdown هذا باللغة العربية. بالنسبة للرموز البرمجية، لا تترجم الرموز البرمجية، بل ترجم التعليقات فقط:

الكفاءة والتصميم الفعال للخوارزميات باستخدام التقنيات المُرسَّخة، وتطبيق الخوارزميات لحل المشكلات الواقعية.

ميزة مميزة لهذا الكتاب هي تركيزه على المنهج العلمي في دراسة الخوارزميات. يقدم الكتاب كل خوارزمية باستخدام تنفيذات كاملة في لغة Java، ونماذج رياضية لتحليل الأداء، ودراسات تجريبية تختبر القوة التنبؤية للنماذج على المدخلات الحقيقية. من خلال هذا النهج العلمي، يُعلِّم الكتاب كيفية فهم الخصائص البارزة لخوارزمية ما والتنبؤ بأدائها في التطبيقات العملية.

التنفيذات في لغة Java المغطاة في الكتاب توفر حلولاً كاملة ومهندسة جيدًا مناسبة للاستخدام في البرامج الحقيقية. ومع ذلك، الهدف الرئيسي للكتاب ليس مجرد تعليم كيفية تنفيذ خوارزميات محددة في لغة Java، بل تعزيز التقنيات العامة لتصميم وتحليل الخوارزميات الفعالة في أي لغة. تخدم التنفيذات لتوضيح أنماط تصميم الخوارزميات العامة وطرق التحليل التي يمكن تطبيقها في بيئات حسابية متعددة.

للحفاظ على التركيز على المفاهيم الأساسية، يستخدم الكتاب مجموعة مختصرة من لغة Java ويلتزم بنماذج برمجة وتحليل مبسطة. يغطي أهم آليات اللغة للخوارزميات وتجريد البيانات، مع تجنب الميزات الغامضة. كما يوفر الكتاب مكتباته الخاصة للإدخال/الإخراج وتوليد البيانات والوظائف الرياضية لتبسيط الأمثلة.

ينظم الكتاب في ستة فصول يمكن أن تدعم مقررًا لمدة فصل دراسي أو فصلين دراسيين عن الخوارزميات. كما أنه مناسب للدراسة الذاتية من قبل المبرمجين الممارسين أو كمرجع للباحثين والمهنيين.

الفصل 1 يقدم أسس الخوارزميات والنهج العلمي الذي يُروَّج له الكتاب. يغطي نموذج برمجة لغة Java وتجريد البيانات والبنى البيانية الأساسية وأنواع البيانات المجردة للمجموعات وطرق تحليل أداء الخوارزميات ودراسة حالة.

الفصل 2 يغطي خوارزميات الفرز، بما في ذلكهنا ترجمة الملف إلى اللغة العربية. بالنسبة للرموز البرمجية، لم يتم ترجمة الرموز، وتمت ترجمة التعليقات فقط:

فرز الإدراج، فرز الاختيار، فرز شيل، فرز السريع، فرز الدمج، وفرز التراكم. كما يناقش المواضيع ذات الصلة مثل الصفوف ذات الأولوية، والاستقرار، وتطبيقات الفرز.

يركز الفصل الثالث على خوارزميات البحث والبنى البيانية ذات الصلة، بما في ذلك البحث المتسلسل، البحث الثنائي، أشجار البحث الثنائية، الأشجار المتوازنة، وجداول التجزئة. ويوضح كيفية بناء هياكل بحث فعالة لكل من البيانات المرتبة وغير المرتبة.

يقدم الفصل الرابع خوارزميات أساسية للرسوم البيانية للاتصال، والرسوم البيانية الموجهة، والحد الأدنى للأشجار الناشرة، والمسارات الأقصر. ويغطي البحث العمق أولاً، البحث العرض أولاً، الفرز الطبولوجي، خوارزميات بريم وكروسكال، وخوارزميات ديجكسترا وبيلمان-فورد.

يتناول الفصل الخامس خوارزميات معالجة النصوص، بما في ذلك فرز النصوص، المحاولات، البحث عن السلاسل الفرعية، التعبيرات النظامية، وضغط البيانات. ويوضح أهمية الخوارزميات الفعالة على بيانات النص في تطبيقات الحوسبة الحديثة.

يختتم الفصل السادس الكتاب بنظرة عامة على المواضيع الخوارزمية المتقدمة وارتباطاتها بمجالات علوم الحاسب الأخرى. ويناقش الهندسة الحسابية، بحوث العمليات، الطرق العددية، والصعوبة لتحفيز المزيد من الدراسة.

تمكّن المجموعة الواسعة من التمارين والمشاكل البرمجية والتجارب المقدمة مع الكتاب القراء من تطوير فهم عميق للخوارزميات من خلال الممارسة. يوفر موقع الكتاب على الإنترنت موارد إضافية، بما في ذلك ملفات البيانات وحالات الاختبار ومشاكل التحدي.

من خلال الجمع بين الخوارزميات الكلاسيكية والتقنيات العلمية لتصميمها وتحليلها، يُعد هذا الكتاب القراء ليكونوا قادرين على تنفيذ الخوارزميات وتقييمها ونشرها بثقة لمجموعة واسعة من التحديات الحسابية. وهو يزودهم بالأدوات المفاهيمية والمهارات العملية لاستخدام الخوارزميات بفعالية في بناء أنظمة البرمجيات الحديثة.

النموذج البرمجي الأساسي وتجريد البيانات

يستند نموذج البرمجة في الكتاب إلى لغة Java، ولكن يستخدم فقط مجموعة مختصرة منهذا الملف باللغة العربية:

Java لتعبير عن الخوارزميات بوضوح وإيجاز. يركز الكتاب على آليات اللغة الأكثر صلة بالخوارزميات مع تجنب الميزات الغامضة.

كتل البناء الأساسية لنموذج البرمجة هي:

• أنواع البيانات الأساسية - أنواع البيانات الأساسية المضمنة في Java، بما في ذلك int و double و boolean و char. لهذه الأنواع مجموعة ثابتة من القيم والعمليات.

• البيانات - الأوامر التي تحدد الحساب من خلال إنشاء وتعديل المتغيرات والتحكم في تدفق التنفيذ وإحداث آثار جانبية. يستخدم الكتاب الإعلانات والتعيينات والشروط والحلقات والمكالمات والعوائد.

• المصفوفات - تسلسلات من القيم من نفس النوع التي تسمح بالوصول العشوائي عن طريق الفهرس الصحيح. المصفوفات هي أبسط هياكل البيانات لتخزين ومعالجة مجموعات البيانات.

• الطرق الثابتة - الحسابات المسماة والمعلمة التي يمكن إعادة استخدامها من عدة مواقع للمكالمة. تدعم الطرق الثابتة البرمجة المنضبطة من خلال تغليف الخوارزميات كوظائف قابلة لإعادة الاستخدام.

• الإدخال/الإخراج - آليات للتفاعل مع العالم الخارجي من خلال قراءة الإدخال وكتابة الإخراج. تسمح هذه للبرامج بالتواصل مع المستخدم والوصول إلى البيانات المخزنة في الملفات أو على الويب.

• تجريد البيانات - يوسع التغليف وإعادة الاستخدام للسماح لنا بتعريف أنواع بيانات غير أساسية ، وبالتالي دعم البرمجة الموجهة للكائنات. في هذا القسم ، سنتناول الخمسة الأولى من هذه بالتناوب. تجريد البيانات هو موضوع القسم التالي.

تشغيل برنامج Java يتضمن التفاعل مع نظام تشغيل أو بيئة تطوير برنامج. للوضوح والاقتصاد ، نصف هذه الإجراءات بمصطلحات طرفية افتراضية ، حيث نتفاعل مع البرامج من خلال إدخال أوامر إلى النظام. راجع موقع الكتاب للحصول على تفاصيل حول استخدام طرفية افتراضية على نظامك ، أو للحصول على معلومات حول استخدام إحدى بيئات تطوير البرامج المتقدمة المتوفرة على الأنظمة الحديثة.

على سبيل المثال ، BinarySearch هي طريقتان ثابتتان ، rank() و main(). الطريقة الثابتة الأولىهذا هو الترجمة العربية للملف:

طريقة، rank()، هي أربع بيانات: إعلانان، حلقة (وهي نفسها تعيين واثنان من الشروط المشروطة)، وإرجاع. الثاني، main()، هي ثلاث بيانات: إعلان، استدعاء، وحلقة (وهي نفسها تعيين وشرط مشروط).

لتشغيل برنامج Java، نقوم أولاً بتجميعه باستخدام الأمر javac، ثم نقوم بتشغيله باستخدام الأمر java. على سبيل المثال، لتشغيل BinarySearch، نكتب أولاً الأمر javac BinarySearch.java (الذي ينشئ ملف BinarySearch.class الذي يحتوي على إصدار أقل مستوى من البرنامج في شفرة Java bytecode في ملف BinarySearch.class). ثم نكتب java BinarySearch (متبوعًا باسم ملف القائمة البيضاء) لنقل السيطرة إلى الإصدار الشفرة البايتية من البرنامج.

لتطوير أساس لفهم تأثير هذه الإجراءات، نأخذ في الاعتبار بالتفصيل أنواع البيانات الأولية والتعبيرات، وأنواع البيانات المختلفة من بيانات Java، والمصفوفات، والطرق الثابتة، والسلاسل، والإدخال/الإخراج.

تجريد البيانات

يمتد تجريد البيانات التغليف وإعادة الاستخدام للسماح لنا بتعريف أنواع بيانات غير أولية، وبالتالي دعم البرمجة الموجهة للكائنات. الفكرة الأساسية هي تعريف أنواع البيانات (الفئات) التي تغلف قيم البيانات والعمليات على تلك القيم. يمكن للعملاء إنشاء وتلاعب بالكائنات (أمثلة لنوع البيانات) دون معرفة كيفية تمثيل البيانات أو كيفية تنفيذ العمليات.

المكونات الرئيسية لتعريف نوع البيانات هي:

• المتغيرات الحالية - البيانات التي يحتوي عليها كل كائن
• المنشئات - الطرق لإنشاء الكائنات وتهيئة المتغيرات الحالية
• طرق الحالة - الطرق التي تعرّف العمليات على الكائنات
• النطاق - مرئية وعمر المتغيرات

توفر Java آليات للتحكم بدقة في الوصول إلى المتغيرات الحالية والطرق. يضمن الكلمة المفتاحية private أنه لا يمكن الوصول إليها إلا من داخل تعريف نوع البيانات، وليس من قبل العملاء.

تعريف واجهات برمجة التطبيقات، وكود العميل، واختبار التنفيذ هي خطوات أساسية في تطوير بيانات مجردة.هذا هو الترجمة العربية للملف:

النوع. يخدم API لفصل العملاء عن التنفيذات ، مما يمكّن من البرمجة المتوافقة. يمكن تطوير تنفيذات متعددة لنفس API.

توضح العديد من الأمثلة هذه المفاهيم ، بما في ذلك نوع بيانات لحفظ عداد ، ونوع بيانات لتمثيل التواريخ ، ونوع بيانات لتراكم قيم البيانات. تساعد الرسوم المتحركة المرئية لعمليات نوع البيانات على توفير رؤى في سلوكها.

تُظهر السلاسل ومراجعة الإدخال / الإخراج من منظور موجه للكائنات كيفية التعامل مع تيارات الإدخال المتعددة وتيارات الإخراج والنوافذ الرسومية ككائنات داخل برنامج واحد.

البرمجة باستخدام أنواع البيانات المجردة

أنواع البيانات المجردة أساسية لتنظيم وإدارة البرامج المعقدة. تسمح لنا بـ:

• تغليف البيانات والعمليات ذات الصلة في وحدات
• فصل الواجهة والتنفيذ
• تطوير كود العميل والتنفيذات بشكل مستقل
• استبدال التنفيذات المحسّنة دون تغيير كود العميل
• إعادة استخدام الكود

يُعد الالتزام بالاتفاقيات والعناية بالقضايا مثل النطاق وتصميم API والاختبار والتسمية أمرًا مهمًا للبرمجة الناجحة باستخدام أنواع البيانات المجردة.

ملخص

• أنواع البيانات الأساسية والتعبيرات والبيانات والمصفوفات والطرق الثابتة والسلاسل والإدخال / الإخراج هي المكونات الأساسية لبرامج Java.

• تمكّن أنواع البيانات المجردة من البرمجة المتوافقة ، وفصل العملاء عن التنفيذات.

• تعريف API وكود العميل واختبار التنفيذات أمر أساسي للبرمجة باستخدام أنواع البيانات المجردة.

• يسهل تغليف البيانات والعمليات في أنواع البيانات المجردة تنظيم وإدارة البرامج المعقدة.

هذا يختتم مقدمتنا للأساسيات البرمجة في Java وأنواع البيانات المجردة. مع هذه الأدوات المفاهيمية ، نحن جاهزون للانتقال إلى النظر في الخوارزميات والبنى البيانية الأساسية.