Chapitre 1. Démarrage avec les algorithmes : une approche moderne

Qu'est-ce que les algorithmes et pourquoi sont-ils importants ?

Un algorithme est une méthode de résolution de problème finie, déterministe et efficace, adaptée à une implémentation sous forme de programme informatique. Les algorithmes sont la substance même de l'informatique - ils sont des objets d'étude centraux dans ce domaine.

Les algorithmes sont des outils essentiels en programmation informatique et en développement de logiciels. Tout programme informatique non trivial contient des algorithmes qui spécifient les étapes à suivre pour résoudre un problème ou accomplir une tâche. Voici quelques exemples où les algorithmes jouent un rôle essentiel :

• Calcul scientifique - les algorithmes alimentent les modèles de calcul et les simulations utilisés dans des domaines comme la physique, la biologie et l'ingénierie pour s'attaquer à des problèmes complexes. Par exemple, les algorithmes de simulation à N corps prédisent les mouvements de particules soumises à des forces physiques.

• Intelligence artificielle et apprentissage automatique - les algorithmes sous-tendent les modèles utilisés pour des tâches comme la vision par ordinateur, le traitement du langage naturel et l'analyse prédictive. Les algorithmes d'apprentissage profond ont permis des percées dans les capacités de l'IA.

• Optimisation et recherche opérationnelle - les algorithmes sont utilisés pour optimiser des systèmes et des processus complexes, comme la planification des vols aériens, la logistique de la chaîne d'approvisionnement, les portefeuilles financiers et les réseaux de télécommunications. La programmation linéaire et d'autres algorithmes d'optimisation fournissent un soutien à la décision.

• Infographie et simulation - les algorithmes génèrent des images réalistes, des animations et des mondes virtuels interactifs dans les jeux vidéo et les films d'animation par ordinateur. Les algorithmes de lancer de rayons et de simulation physique produisent des scènes réalistes.

• Cybersécurité et cryptographie - les algorithmes sécurisent les systèmes informatiques en chiffrant les données sensibles, en détectant les intrusions et en vérifiant les identités. Les algorithmes de cryptographie à clé publique permettent des communications et un commerce en ligne sécurisés.

• Bioinformatique et biologie computationnelle - les algorithmes sont utilisés pour analyser les données biologiques comme les séquences d'ADN.Voici la traduction française du fichier markdown, avec les commentaires traduits mais le code non traduit :

S, prédire les structures de protéines et modéliser les systèmes biochimiques. Le séquençage et l'alignement des génomes ont révolutionné les sciences de la vie.

• Bases de données et recherche d'informations - les algorithmes alimentent le stockage, l'indexation et l'interrogation de jeux de données massifs. Les moteurs de recherche utilisent le crawling, l'indexation et les algorithmes de classement pour fournir un accès instantané aux informations en ligne.

À mesure que la puissance de calcul augmente et que de nouvelles applications émergent, l'importance des algorithmes ne fera que croître. Les algorithmes fournissent la puissance de résolution de problèmes nécessaire pour relever les plus grands défis computationnels et réaliser le potentiel des nouvelles technologies de calcul. Les progrès dans les algorithmes peuvent apporter des améliorations spectaculaires de l'efficacité et des capacités des systèmes informatiques.

Bien que les langages de programmation et les outils modernes masquent de nombreux détails d'implémentation, une compréhension solide des algorithmes reste essentielle pour écrire des logiciels efficaces, évolutifs et robustes. Les programmeurs doivent savoir comment sélectionner les algorithmes appropriés pour un problème, analyser l'efficacité algorithmique, reconnaître les modèles algorithmiques et adapter les algorithmes existants à de nouveaux usages.

L'étude des algorithmes englobe les fondements théoriques, les techniques de conception et l'analyse mathématique des méthodes de résolution de problèmes computationnels. C'est un domaine intellectuel riche avec des liens profonds avec les mathématiques et de nombreuses applications pratiques importantes. Chaque informaticien et ingénieur logiciel devrait avoir des connaissances pratiques sur les algorithmes essentiels utilisés aujourd'hui.

Aperçu du livre et de son approche

Ce livre fournit une introduction complète à l'étude moderne des algorithmes informatiques. Il présente de nombreux des algorithmes les plus importants utilisés en informatique et en génie logiciel, en mettant l'accent sur les applications pratiques et l'analyse des performances scientifiques.

Le livre passe en revue les algorithmes fondamentaux pour le tri, la recherche, les graphes, les chaînes de caractères et d'autres sujets de base en informatique. Il montre comment analyser les algorithmes pour comprendre leur efficacitéVoici la traduction française du fichier markdown, avec les commentaires traduits mais pas le code :

Efficacité, conception d'algorithmes efficaces à l'aide de techniques établies et application d'algorithmes pour résoudre des problèmes du monde réel.

Une caractéristique distinctive du livre est son accent mis sur la méthode scientifique dans l'étude des algorithmes. Le livre présente chaque algorithme à l'aide d'implémentations complètes en Java, de modèles mathématiques pour analyser les performances et d'études empiriques qui testent le pouvoir prédictif des modèles sur des entrées réelles. Grâce à cette approche scientifique, le livre enseigne comment comprendre les caractéristiques saillantes d'un algorithme et prédire ses performances dans des applications pratiques.

Les implémentations Java couvertes dans le livre fournissent des solutions complètes et bien conçues, adaptées à une utilisation dans de vrais programmes. Cependant, l'objectif principal du livre n'est pas seulement d'enseigner comment mettre en œuvre des algorithmes spécifiques en Java, mais de promouvoir des techniques générales de conception et d'analyse d'algorithmes efficaces dans n'importe quel langage. Les implémentations servent à illustrer les modèles de conception d'algorithmes et les méthodes d'analyse générales qui s'appliquent dans de nombreux environnements informatiques.

Pour garder l'accent sur les concepts essentiels, le livre utilise un sous-ensemble concis de Java et adhère à des modèles de programmation et d'analyse simplifiés. Il couvre les mécanismes de langage les plus importants pour les algorithmes et l'abstraction des données, tout en évitant les fonctionnalités ésotériques. Le livre fournit également ses propres bibliothèques pour l'entrée/sortie, la génération de données et les fonctions mathématiques afin de simplifier les exemples.

Le livre est organisé en six chapitres qui peuvent prendre en charge des cours d'un semestre ou de deux trimestres sur les algorithmes. Il convient également à l'auto-apprentissage par des programmeurs en exercice ou comme référence pour les chercheurs et les professionnels.

Le chapitre 1 présente les fondements des algorithmes et l'approche scientifique promue par le livre. Il couvre le modèle de programmation Java, l'abstraction des données, les structures de données de base, les types de données abstraits pour les collections, les méthodes d'analyse des performances des algorithmes et une étude de cas.

Le chapitre 2 couvre les algorithmes de tri, notammentVoici la traduction française du fichier markdown :

Tri par insertion, tri par sélection, tri de Shell, tri rapide, fusion et tri par tas. Il aborde également des sujets connexes comme les files d'attente de priorité, la stabilité et les applications du tri.

Le chapitre 3 se concentre sur les algorithmes de recherche et les structures de données connexes, notamment la recherche séquentielle, la recherche binaire, les arbres de recherche binaires, les arbres équilibrés et les tables de hachage. Il montre comment construire des structures de recherche efficaces pour les données triées et non triées.

Le chapitre 4 présente les algorithmes de base sur les graphes pour la connectivité, les graphes orientés, les arbres couvrants de poids minimal et les plus courts chemins. Il couvre la recherche en profondeur d'abord, la recherche en largeur d'abord, le tri topologique, les algorithmes de Prim et de Kruskal, ainsi que les algorithmes de Dijkstra et de Bellman-Ford.

Le chapitre 5 traite des algorithmes de traitement des chaînes de caractères, notamment les tris de chaînes, les tries, la recherche de sous-chaînes, les expressions régulières et la compression de données. Il démontre l'importance d'algorithmes efficaces sur les données de chaînes de caractères dans les applications informatiques modernes.

Le chapitre 6 conclut le livre avec un aperçu des sujets algorithmiques avancés et de leurs liens avec d'autres domaines de l'informatique. Il aborde la géométrie computationnelle, la recherche opérationnelle, les méthodes numériques et l'intractabilité pour motiver une étude plus approfondie.

La vaste collection d'exercices, de problèmes de programmation et d'expériences fournie avec le livre permet aux lecteurs de développer une compréhension approfondie des algorithmes par la pratique. Le site Web du livre fournit des ressources supplémentaires, notamment des fichiers de données, des cas de test et des problèmes de défi.

En combinant des algorithmes classiques avec des techniques scientifiques pour les concevoir et les analyser, ce livre prépare les lecteurs à mettre en œuvre, évaluer et déployer avec confiance des algorithmes pour relever une grande variété de défis computationnels. Il les équipe des outils conceptuels et des compétences pratiques pour utiliser efficacement les algorithmes dans la construction de systèmes logiciels modernes.

Modèle de programmation de base et abstraction des données

Le modèle de programmation du livre est basé sur le langage Java, mais il n'utilise qu'un sous-ensemble concis deVoici la traduction française du fichier Markdown :

Java pour exprimer clairement et succinctement les algorithmes. Le livre se concentre sur les mécanismes de langage les plus pertinents pour les algorithmes tout en évitant les fonctionnalités obscures.

Les blocs de construction de base du modèle de programmation sont :

• Types de données primitifs - les types de données fondamentaux intégrés à Java, notamment int, double, boolean et char. Ces types ont un ensemble fixe de valeurs et d'opérations.

• Instructions - les commandes qui définissent un calcul en créant et en manipulant des variables, en contrôlant le flux d'exécution et en provoquant des effets de bord. Le livre utilise les déclarations, les affectations, les conditionnelles, les boucles, les appels et les retours.

• Tableaux - séquences de valeurs du même type qui permettent un accès aléatoire par un index entier. Les tableaux sont les structures de données les plus simples pour stocker et traiter des collections de données.

• Méthodes statiques - calculs nommés et paramétrés qui peuvent être réutilisés à partir de plusieurs sites d'appel. Les méthodes statiques prennent en charge la programmation modulaire en encapsulant les algorithmes sous forme de fonctions réutilisables.

• Entrée/sortie - mécanismes pour interagir avec le monde extérieur en lisant les entrées et en écrivant les sorties. Ceux-ci permettent aux programmes de communiquer avec l'utilisateur et d'accéder aux données stockées dans des fichiers ou sur le web.

• Abstraction de données - étend l'encapsulation et la réutilisation pour nous permettre de définir des types de données non primitifs, soutenant ainsi la programmation orientée objet. Dans cette section, nous examinerons les cinq premiers de ces éléments. L'abstraction des données est le sujet de la section suivante.

L'exécution d'un programme Java implique d'interagir avec un système d'exploitation ou un environnement de développement de programme. Pour plus de clarté et d'économie, nous décrivons ces actions en termes de terminal virtuel, où nous interagissons avec les programmes en tapant des commandes dans le système. Consultez le site Web du livre pour plus de détails sur l'utilisation d'un terminal virtuel sur votre système, ou pour obtenir des informations sur l'utilisation de l'un des nombreux environnements de développement de programme plus avancés disponibles sur les systèmes modernes.

Par exemple, BinarySearch est deux méthodes statiques, rank() et main(). La première méthode statiqueVoici la traduction française du fichier Markdown :

La méthode rank() comporte quatre instructions : deux déclarations, une boucle (qui est elle-même une affectation et deux conditionnelles) et un retour. La deuxième, main(), comporte trois instructions : une déclaration, un appel et une boucle (qui est elle-même une affectation et une conditionnelle).

Pour exécuter un programme Java, nous le compilons d'abord à l'aide de la commande javac, puis nous l'exécutons à l'aide de la commande java. Par exemple, pour exécuter BinarySearch, nous tapons d'abord la commande javac BinarySearch.java (qui crée un fichier BinarySearch.class contenant une version de plus bas niveau du programme en bytecode Java dans le fichier BinarySearch.class). Ensuite, nous tapons java BinarySearch (suivi du nom d'un fichier de liste blanche) pour transférer le contrôle à la version bytecode du programme.

Pour développer une base de compréhension de l'effet de ces actions, nous examinons ensuite en détail les types de données primitifs et les expressions, les différents types d'instructions Java, les tableaux, les méthodes statiques, les chaînes de caractères et l'entrée/sortie.

Abstraction des données

L'abstraction des données étend l'encapsulation et la réutilisation pour nous permettre de définir des types de données non primitifs, soutenant ainsi la programmation orientée objet. L'idée de base est de définir des types de données (classes) qui encapsulent des valeurs de données et des opérations sur ces valeurs de données. Les clients peuvent créer et manipuler des objets (instances du type de données) sans savoir comment les données sont représentées ou comment les opérations sont implémentées.

Les composants clés de la définition d'un type de données sont :

• Variables d'instance - les données que chaque objet contient
• Constructeurs - méthodes pour créer des objets et initialiser les variables d'instance
• Méthodes d'instance - méthodes qui définissent les opérations sur les objets
• Portée - la visibilité et la durée de vie des variables

Java fournit des mécanismes pour contrôler précisément l'accès aux variables et méthodes d'instance. Le mot-clé private garantit qu'elles ne peuvent être accessibles que depuis la définition du type de données, et non par les clients.

La définition d'API, le code client et les tests de l'implémentation sont des étapes essentielles dans le développement d'une abstraction de données.Voici la traduction française du fichier markdown :

type. L'API sert à séparer les clients des implémentations, permettant ainsi une programmation modulaire. Plusieurs implémentations peuvent être développées pour la même API.

Plusieurs exemples illustrent ces concepts, notamment un type de données pour maintenir un compteur, un type de données pour représenter des dates et un type de données pour accumuler des valeurs de données. Des animations visuelles des opérations sur les types de données aident à mieux comprendre leur comportement.

Les chaînes de caractères et l'entrée/sortie revus dans une perspective orientée objet montrent comment gérer plusieurs flux d'entrée, flux de sortie et fenêtres de dessin en tant qu'objets au sein d'un même programme.

Programmation avec des types de données abstraits

Les types de données abstraits sont essentiels pour organiser et gérer des programmes complexes. Ils nous permettent de :

• Encapsuler les données et les opérations connexes dans des modules
• Séparer l'interface et l'implémentation
• Développer le code client et les implémentations de manière indépendante
• Substituer des implémentations améliorées sans changer le code client
• Réutiliser le code

Le respect des conventions et le soin apporté aux questions de portée, de conception d'API, de test et de dénomination sont importants pour une programmation réussie avec des types de données abstraits.

Résumé

• Les types de données primitifs, les expressions, les instructions, les tableaux, les méthodes statiques, les chaînes de caractères et l'entrée/sortie sont les blocs de construction de base des programmes Java.

• Les types de données abstraits permettent une programmation modulaire, en séparant les clients des implémentations.

• La définition des API, du code client et des tests d'implémentation sont essentiels à la programmation avec des types de données abstraits.

• L'encapsulation des données et des opérations dans des types de données abstraits facilite l'organisation et la gestion de programmes complexes.

Cela conclut notre introduction aux fondamentaux de la programmation en Java et aux types de données abstraits. Avec ces outils conceptuels, nous sommes prêts à passer à la considération des algorithmes et des structures de données fondamentaux.