Для чего используется алгоритм
Что такое алгоритмы и зачем они нужны
Содержание статьи
Конечно, собрать кубик Рубика можно и без памятки, просто перемещая грани в случайном порядке. Но перебор возможных вариантов может занять долгое время, это будет непроизводительный и неоптимальный процесс. Гораздо удобнее иметь список шагов, последовательное выполнение которых всегда будет приводить к положительному результату. Именно эти принципы легли в такое понятие как «алгоритм».
Алгоритм — совокупность инструкций (шагов), описывающих порядок операций исполнителя для достижения результата решения задачи за конечное число действий.
Что такое «исполнитель»?
Для наилучшего понимания алгоритма вообще, необходимо также рассмотреть понятие «исполнитель алгоритма». Под исполнителем в понятии алгоритма подразумевается абстрактная система, способная выполнять действия, описываемые алгоритмом, а также обладающая рядом характеристик. В качестве исполнителя чаще всего подразумевается то или иное техническое средство (3D-принтер, станок с ЧПУ, ЭВМ), однако стоит понимать, что это широкое понятие: исполнителем может являться, например, человек.
Тем не менее, исполнителем может быть названа только система, одновременно обладающая рядом параметров:
— отказами, в случае, если выполнение действий невозможно.
Свойства алгоритмов
Ограничения, накладываемые на понятие «исполнитель» приводят к тому, что само понятие «алгоритм» также обладает рядом свойств и ограничений. Алгоритмы получили широкое распространение именно благодаря этим ограничениям, которые способствуют стандартизации. Среди свойств алгоритмов можно выделить:
— массовость (способность алгоритма оставаться правильным при разных наборах входных данных);
— определенность (на любом шаге алгоритма у исполнителя должно быть достаточно данных, чтобы его выполнить);
— детерминированность (при одних и тех же наборах входных данных должен получаться один и тот же результат);
Зачем нужны алгоритмы?
Вышеприведенные свойства обеспечивают алгоритмам широкое применение. Так алгоритмы служат для стандартизации описаний любых процессов. Без алгоритмов были бы невозможны любые виды вычислений, а решение любой проблемы начиналось бы «с нуля» — даже если она была решена множество раз. Применение алгоритмов позволяет быстро решать однотипные задачи, сократить время на поиск решения, автоматизировать процесс его нахождения, а также распространять найденное решение в стандартизованной — а значит, понятной всем форме.
Что такое алгоритм
Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. В интернете очень часто встречается слово «алгоритм», и для многих оно является загадкой.
Разберемся на понятных и простых примерах с понятием алгоритма (что такое), а также с его видами и применением.
Алгоритм — это.
Алгоритмы окружают нас повсюду. По их принципам существует животный мир, люди, работают компьютеры и механизмы. Некоторые из них очевидны, другие же скрыты от глаз (но это не значит, что их нет).
Алгоритм в информатике — это последовательность действий, которая направлена на достижение окончательного решения проблемы наиболее оптимальными и эффективными способами.
Существует версия, что термин алгоритм произошел от имени древнего ученого Аль-Хорезми, который написал трактат «Книга о сложении и вычитании».
Позднее один из переводчиков на латинский язык неправильно перевел имя ученого и вынес его в название книги — «Алгоритмии о счете индийском». Так этот термин проник в европейские языки и закрепился в них.
Существуют сложные и легкие алгоритмы. Для решения одних не требуется усилий, а для других не хватит и всей мощности компьютеров.
Любые действия, предполагающие определенную последовательность в жизни животных и людей, можно назвать алгоритмом (поиск пищи для животного, поход в магазин за хлебом).
Конечно, животное, ищущее корм, не подозревает, что использует алгоритмы, но действует по определенным правилам (инстинктам), чтобы добыть пропитание:
В информатике и программировании алгоритмы используются для написания программ (что это такое?). Чем качественнее алгоритмы, используемые в программе, тем лучше она работает.
Когда вы начинаете изучать любой язык программирования, то первое, что вам объясняют — это принципы построения алгоритма для будущей программы. Это такие блок-схемы, которые наглядно покажут ход обработки данных и логику вычислений. Без них поначалу будет очень трудно писать программы.
Как все это делается и выглядит на практике отлично показано на приведенном выше видео. Не буду повторяться, а лишь настоятельно посоветую потратить десять минут на его просмотр.
Виды и типы алгоритмов
Линейный алгоритм — это последовательное выполнение инструкций в строгой очередности их расположения (пример, «сделать бутерброд с сыром»).
Ветвления — последовательность действий в соответствии с определенными условиями (если одно условие, то выполняется действие 1, если другой условие, то выполняется действие 2);
Пример: Если идет сильный дождь, тогда возьми зонт, а иначе брать зонт не нужно.
В большинстве случаев слово «иначе» опускается, так как из контекста первой части фразы уже понятна дальнейшая логика.
Пример: Если хотите сообщить что-то важное, позвоните по телефону (в данном случае, очевидно, что если сообщение неважное, то звонить не нужно).
Циклические алгоритмы — это последовательность действий, которую необходимо повторять несколько раз для достижения положительного результата («проверка груш на гнилые и не гнилые»).
Пример: В одном ящике лежат груши, необходимо отобрать гнилые и хорошие. Для этого совершаем следующие действия:
Иногда случаются ситуации, когда цикл начинает бесконечно повторяться. Это называется зацикливанием или бесконечный цикл.
Это происходит в том случае, когда условие не может быть выполнено, тогда цикл замыкается в бесконечное повторение. Стоит отметить, что таких ситуаций следует избегать.
В языках программирования существуют различные виды алгоритмов для решения определенных задач.
К основным видам, которые должен знать каждый начинающий программист, можно отнести те, которые используют методы сортировки и поиска.
Все, что нас окружает построено именно на этих алгоритмах, они считаются простыми для понимания.
Где применяют алгоритмы
В математических науках и информатике это поиск эффективного решения поставленной задачи с использованием инструментов и средств.
Например, даже при решении простой задачки (2 * 6) используются определенные методы и инструменты для получения правильного результата. Самое интересное заключается в том, что ее можно решить несколькими способами: использовав листок и ручку, посчитав на компьютере или выполнив умножение в уме. Наиболее эффективный способ решения этой задачи и будет лучшим алгоритмом в данном случае.
Но такие простые примеры не очень интересны для любителей информатики. Есть гораздо более захватывающие проблемы, волнующие умы многих программистов, и над их решением бьются ученые всего мира.
Задача продавца (коммивояжера)
Существуют более интересные примеры для понимания сложности функционирования алгоритмов. Например, задача коммивояжера.
Дано: одному продавцу необходимо посетить четыре города: например, Москву, Берлин, Лондон, и Сан-Франциско. Продать там товар, а затем вернуться обратно.
Решение задачи выглядит простым. Сначала из Москвы поехать в Берлин, затем посетить Лондон, а потом отправиться в Сан-Франциско и вернуться в Москву.
На самом деле это сложный для компьютера алгоритм. В этих 4-х вариантах скрыто 24 различных комбинаций путешествия для решения задачи. Компьютер высчитывает расстояние от одного города до другого, затем сравнивает варианты и выдает решение.
Но если увеличить количество городов (например, до 100), то компьютер не сможет решить эту задачу, так как вариантов будут миллионы, а на решение понадобится несколько веков.
Но самым интересным является то, что, поняв принцип решения подобной задачи, его можно распространить на все подобные, что расширит знания в области информатики (это что?) и других наук.
Машина Тьюринга — это основа для понимания алгоритмов
Это абстрактная машина, которую придумал Алан Тьюринг, известный британский ученый. Гениальность этого автомата состоит в следующем. Есть некая лента, состоящая из множества отдельных (бесконечных) ячеек, в которых содержатся данные или биты (0 и 1). Есть считывающее устройство, имеющее доступ к ленте.
В процессе движения устройство снабжено определенными инструкциями, получает доступ к ячейкам, считывает информацию и шагает дальше. Но машина может изменять свои действия, записать другую информацию или передвигаться то в одну, то в другую сторону (на основе стека внутренних инструкций).
В результате исследований таких машин Тьюрингом выдвинута гипотеза о том, что алгоритм при нахождении значений некоторой функции, которая задана в области алфавита, только тогда существует, когда данная функция вычисляется на машине Тьюринга.
Это аксиома, постулат, которые невозможно доказать математическим методом, так как алгоритм — это не точное математическое понятие.
Заключение
Изучение алгоритмов — это важная часть в понимании работы компьютеров. Оно позволяет узнать, как компьютер функционирует, как принимает, обрабатывает данные и выдает необходимый результат.
Понимание принципов работы поможет лучше овладеть компьютерными языками, так как, владея принципами построения и создания эффективных алгоритмов, можно изучить любой язык программирования (как алфавит в иностранных языках).
Изучаете, осваивайте, применяйте алгоритмы. Надеемся, что наша статья помогла вам в этом!
Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru
Эта статья относится к рубрикам:
Комментарии и отзывы (7)
Даже не прочитав статью, а прочитав название, сразу ответил правильно на вопрос. Алгоритм — это реально любая последовательность действий, которая позволит достичь цели.
Можно представить даже поход на работу в виде алгоритма. Если вышли вовремя, то идем на трамвай допустим, если опаздываем, то вызываем такси, если погода хорошая, то берем зонтик / не берем и т.д.
Все программирование в принципе построено на алгоритмах.
Чтобы разобраться с алгоритмами в написании программ нужно иметь хорошо развитое логическое мышление, для программиста главное орудие — это не математика, а именно логика.
Проблема ведь и кроется в том, что поменяв местами две инструкции, синтаксис языка программирования не будет нарушен, но будет нарушена логика, и это нарушение компилятор спокойно пропустит. Вот из-за таких логических ошибок и появляются баги в программах.
Я бы не сказал, что бесконечный цикл в программировании нужно избегать, тут всё от задумки программиста зависит. Если мы хотим, чтобы программа начиналась снова и снова, то тут и нужен бесконечный цикл, а выход из него можно предусмотреть с помощью ветвления if и else и оператора break.
Для успешного программирования нужно обладать хорошей логикой, ведь любой алгоритм опирается на логику, а не существует сам по себе.
Я заметил, что многие алгоритмы я не пропускаю через своё сознание, а выполняю их на уровне рефлекса, к примеру, сначала надеваю кофту, а на неё уже куртку, а не наоборот. Все простые алгоритмы именно так и выполняются, без включения осознанности.
Блок-схема — это слишком общий алгоритм, с его помощью можно понять лишь самую общую логику работы программы. Для написания программы этой схемы недостаточно.
Зачем программисту изучать алгоритмы
Авторизуйтесь
Зачем программисту изучать алгоритмы
руководитель программ «Python-разработчик» и «Алгоритмы для разработчиков» в Яндекс.Практикуме
Понятие «алгоритм» довольно расплывчато — обычно оно обозначает последовательность действий для достижения конкретной цели. Например, есть алгоритм заваривания чая или алгоритм сборки шкафа из ИКЕА. Но в контексте программирования мы имеем в виду другие алгоритмы.
За всю историю компьютерных наук сложилось понимание, какие алгоритмы и структуры данных (способы их хранения) нужны для решения практических задач — так называемый джентльменский набор, который должен знать каждый разработчик. Например, сортировка: товары в магазине сортируют по стоимости или сроку годности, а рестораны — по удалённости или рейтингу. Хэш-таблицы помогают проверить корректность пароля и не хранить его на сайте в открытом виде, графы — находить кратчайший путь и хранить связи между пользователями в соцсетях.
Все эти алгоритмы и структуры данных уже давно реализованы в библиотеках популярных языков программирования. Никто больше не пишет вручную алгоритм сортировки чисел, а чтобы пользоваться хэш-таблицами, даже не нужно знать, как они устроены. Разбираемся, зачем же нужны алгоритмы и в каких ситуациях их знание будет преимуществом.
Знание алгоритмов помогает найти эффективное решение задачи
Представьте, что вам нужно сходить в магазин за продуктами. До него есть три дороги: вдоль проезжей части по хорошо освещённому тротуару (долго, но безопасно), дворами, где ездит много машин (быстро, но небезопасно), на трамвае (быстро, безопасно, но нужно платить). У этой задачи также могут быть и другие решения: доехать на машине, заказать доставку на дом или отправить за продуктами собаку.
Аналогично и в программировании. Задача разработчика — использовать наиболее эффективное решение. Для этого нужно учитывать скорость работы программы, объём потребляемой памяти, экономическую эффективность (насколько стоимость решения оправдана конечным результатом), простоту реализации, масштабируемость.
Пример №1. Нужно отсортировать n чисел в порядке возрастания. Задача кажется невероятно простой. Проходим n раз по массиву чисел. На первом шаге выбираем наименьшее число из всех и меняем его местами с самым первым элементом. Второй шаг: выбираем самое маленькое число в массиве, начиная со второй позиции, и меняем его местами со вторым элементом. Повторяем для остальных элементов. Так работает алгоритм сортировки выбором. Но при таком подходе получится O(n 2 ) операций. Когда n станет неприлично большим, работать машина будет долго. Чтобы понимать, какой из алгоритмов будет оптимальным для ваших исходных данных, надо знать, как эти алгоритмы устроены. Скорее всего, вам примерно никогда не придётся реализовывать их вручную, но знание, как они работают, точно пригодится.
Пример №2. Вы научились писать код, но ничего не слышали об алгоритмах. Сделали на заказ видеосервис, дали на разработку год гарантии. Проект стал успешным, но уже при первых десяти тысячах пользователей всё начало ломаться: сервера быстро выходят из строя, а видео, по ощущениям пользователей, грузится миллион лет. Заказчик приходит к вам и просит решить проблему. Вы догадываетесь, что нужно использовать более эффективный алгоритм сжатия. Здесь и пригодится знание алгоритмов: понимая, как работает каждый из них, вы сможете подобрать наилучший вариант для решения задачи или даже написать собственный.
Наличие множества готовых библиотек не означает, что не нужно понимать, как они устроены. Фундаментальные знания помогают узнать, что внутри, как оно работает и почему решение А лучше Б в конкретной ситуации. Если вы разберётесь, как устроены классические алгоритмы, то сможете создавать собственные решения, комбинировать методы друг с другом, чтобы решать более сложные задачи.
Вы будете готовы к собеседованиям
В крупных ИТ-компаниях, таких как Яндекс, Google или Facebook, алгоритмическое собеседование — обязательный этап отбора разработчиков. На нём проверяют умение быстро отразить идею в коде. Но знание алгоритмов требуют не только ИТ-гиганты — для многих компаний это базовый навык хорошего инженера.
Вас могут попросить реализовать алгоритм полностью или представить часть решения. Например, найти пропущенное число или дубликаты в целочисленном массиве от 1 до 100. При этом от вас будут ждать не одно решение, а сравнение нескольких возможных вариантов, основываясь на их вычислительной сложности. То есть не просто воспользоваться сортировкой подсчётом, но и объяснить, почему этот метод лучше сортировки пузырьком или сортировки вставками.
Основная задача программиста — анализировать и решать проблемы, где код — это всего лишь инструмент достижения цели. Поиск Google или Яндекса не был бы таким умным и быстрым, если бы не алгоритмы. Они не просто ищут максимальное сходство по поисковой фразе, но пытаются вычленить контекст и подобрать самый подходящий по всем параметрам ответ.
Часто возникают проблемы, с которыми вы раньше не сталкивались. Тогда программисту следует разработать новый алгоритм или придумать, как использовать существующий. Чем больше вы будете знать о принципах работы алгоритмов, тем больше вероятность найти хорошее решение. Иногда даже новую проблему можно свести к старой, но для этого нужно обладать фундаментальными знаниями.
Это хороший способ тренировать мозг
Алгоритмы не обязательно использовать только в работе. Это один из вариантов «тренажёра для программистов». Сначала вы решаете задачи на Codeforces, а спустя некоторое время собираете команду для участия в соревнованиях по спортивному программированию.
Другой бонус: вы научитесь быстро и интуитивно решать обычные задачи. Главный инженер Apple и выпускник МТИ Али Альмоссави в своей книге «Bad Choices: How Algorithms Can Help You Think Smarter and Live Happier» рассказал, как использует знания компьютерных наук в обычной жизни.
Он сопоставляет повседневные действия с фундаментальными алгоритмами. Например, вам нужно получить больше подписчиков. Самый простой способ — найти людей, которые могут заинтересовать вас и заинтересоваться вами. Но между ними нужно найти связующее звено. Что для этого есть у соцсети? Хештеги. Значит, проще всего будет помечать свои фотографии нужными хештегами, искать по ним другие аккаунты и общаться по этой теме с людьми в комментариях.
Алгоритмы, как математика, приводят в порядок ум, учат выражать свои мысли и решать даже самые непростые задачи. Если захотите научиться решать задачи по программированию, отправляйтесь на Codeforces, TopCoder или LeetCode, где собраны упражнения для любого уровня подготовки. Попробовать решить типичные для алгоритмических собеседований задачи можно и в бесплатной части курса «Алгоритмы для разработчиков» в Яндекс.Практикуме.
Что такое алгоритм?! Часть первая
Терзаем вместе основной кирпичик программиста — Алгоритм.
Проблема
Текущее состояние в области программирования — это обучение ремеслу по большей части личной практикой или разборами примеров стороннего кода, с которым по каким-то причинам приходится сталкиваться.
В результате программированию учишься по наитию. Лишь немного в этом труде помогают сборники алгоритмов, прикладных техник и шаблонов проектирования. Общая совокупность предлагаемых ими рецептов выстраивается длинным списком, и его длина грозит каждому из прочитанных приемов быть позабытым (как была забыта 53-яя личная группа в «телеге» до введения разбиения по каталогам). Но даже тот прием, который остался в памяти, чаще всего просто является описанием прикладной задачи, в которой было успешно его использование.
Почему конкретный прием был успешен в задаче-образце? Будет ли он успешен в твоём проекте? Какие признаки проекта дают понять, что использование приёма уместно?
В личном опыте существования в профессии не раз отмечено, что каждый Junior борется с одинаковыми ветряными мельницами и постигает методы создания программ основываясь только на своих ошибках. Но ведь такие ошибки совершили уже очень многие. Почему до сих пор не создана система правил программирования, которая поможет обойти новоиспеченному кораблю-программисту подводные прибрежные камни? Ну, например, объяснение вреда использования метода «Copy-Paste» для развития кода. Если такие правила получится объяснить малым набором причин, их сформировавшим, то это объяснение обеспечит их запоминание и последующее использование в практике, тем самым поможет уклониться от бесчисленных грабель, разложенных тут и там.
Для компактного и полезного набора объяснений нужно:
Если обобщить, то нужны алгоритмы для написания и развития алгоритмов.
Задуманная серия статей не претендует на полное решение указанной проблемы. Предпринимается небесспорная попытка сделать первый шаг на пути к этому решению. Этот шаг состоит в выделении структуры и свойств главного кирпичика программиста — Алгоритма.
Задача
Сформулируем основную задачу, которую хочется решить. Для этого сначала запишем операции над алгоритмами, которые программист выполняет в ходе написания своего проекта:
Рассмотрим существующие на текущий момент варианты значения слова «алгоритм» в поисках подсказок, о том как можно работать с алгоритмами.
Так, например, формулировка «конечная совокупность точно заданных правил решения произвольного класса задач» говорит что есть возможность как-то «точно задать правила» из них собрать «совокупность» и этой совокупностью «решить» некоторый «класс задач».
Сразу возникает масса вопросов к этому определению:
Другая формулировка «набор инструкций, описывающих порядок действий исполнителя для решения некоторой задачи» говорит что есть «исполнитель», который может выполнять некоторые «действия», и при некотором «порядке» выполнения этих «действий» «решается задача». Вопросов не стало меньше:
Перечислено много вопросов, но они мало помогают в поиске методов работы с алгоритмом. Поэтому поставим себе меньшую задачу, но тоже очень нам важную. Давайте попробуем сформулировать, что делает алгоритм способом решения наших задач, и какие процессы являются для него «действиями». Даже решение этой «маленькой» задачи оказывается очень объемным для одной статьи, поэтому будем его разбивать на части. И поэтому первую статью серии целиком посвятим только «Действию» и его признакам, которые опущены в указанных выше определениях алгоритма, но являются очень важными для ответов на все заданные вопросы.
Определение алгоритма
Рассмотрим определение алгоритма, говорящее, что он — приводящая к решению задачи последовательность действий. Как программисту мне приходится писать много кода. Этот код состоит из частей. Такими частями являются и функции, и классы, и модули. Когда я пишу текст функции — я занимаюсь написанием алгоритма.
Раньше алгоритм создавали в виде блок схем и полуавтоматически компилировали в машинные коды. Сейчас я избавлен от необходимости быть художником и компилятором для написания программы. Текст моей функции — это запись алгоритма в текстовом виде — его текстовая блок-схема. Здесь можно вспомнить Scratch, где используется визуальное создание блок-схемы алгоритма без написания текста. Способ записи алгоритма сейчас не так важен.
Важно, что в написании алгоритма функции я могу использовать вызовы других функции, которые я или другой программист уже написал до этого момента. Вспоминая фразу «последовательность действий, приводящая к решению задачи», можно отметить, что функции, написанные ранее, являются моими «действиями». То есть «действия» могут быть функциями. Если обобщать, то «действия» могут быть алгоритмами.
Если «действие = алгоритм», то определение можно попробовать переписать рекурсивно «алгоритм — это приводящая к решению задачи последовательность использования существующих алгоритмов». Рекурсивные определение не самое простое, что можно записать в словаре обычного человека. Но для программиста и математика эта форма знакома. Мы умеем с ней работать, и это даёт нам преимущество в рассмотрении разных задач, разбиваемых на подобные себе подзадачи. Так давайте воспользуемся этим преимуществом.
Чтобы разрешить рекурсию нам необходимо найти:
Действие
Для начала рассмотрим «действие» и попробуем найти причину, обеспечивающую возможность использования существующего «действия» для создания нового алгоритма.
Этой причиной является возможность повторного использования «действия» с получением тождественного результата. Только тогда разработанный с использованием этого «действия» алгоритм решения некоторой задачи будет одинаково решать эту задачу снова и снова. Мы нащупали важные законы нашего мира, в котором:
Какие признаки «действия» кроме повторимости делают возможным его использование в создании алгоритма? Что является терминальным неделимым «действием»? Чтобы ответить на этот вопрос стоит рассмотреть разные примеры «действий» из нашего опыта. Программисты встречали их много раз. Это и сложение, и умножение, и установка цвета пикселя на экране. Но мы знакомы с ними и вне программирования. Вся наука основывается на повторяемых явлениях.
Закон гравитации, описывающий повторяющееся явление падения яблока, тоже может стать действием. Ведь любое яблоко будет падать на землю? Значит этот процесс можно использовать в качестве «действия»! Например решая задачу прогнать Ньютона от яблони, на которую Вы случайно забрались ранее.
Рассмотрим, что происходит при выполнении «действия». Например, во время падения яблока с ветки яблони на землю. В этом процессе происходит несколько изменений. Если вспомнить школьную физику и рассмотреть ситуацию в системе отсчета, привязанной к Земле, то сила гравитации вызывает изменение скорости яблока, разгоняя его. При этом в процессе отмечается еще одно важное изменение — уменьшается расстояние между яблоком и Землей.
В рамках примера процесса «Земля-Яблоко» можно отметить у «действия» следующие признаки:
Рассмотрим с этими признаками разные области и процессы, выделяя в них примеры «действий» и контролируя особенности указанных признаков в описании структуры «действия».
Физические процессы
Для физических систем, процессы которых мы наблюдаем в нашем мире, характерные объекты и изменения опираются на фундаментальные взаимодействия и потому их достаточно просто выделить по аналогии с гравитационным взаимодействием Земли и яблока. Например, для системы из протона и электрона или системы двух протонов.
Отдельно от этих простых взаимодействий двух объектов стоят многокомпонентные процессы, например, ядерные реакции (по структуре «действия» близки к химическим процессам, рассматриваемым далее). Сложны и процессы описываемые суммарным взаимодействием большого числа элементов, например, «идеальный газ». Пока отложим их рассмотрение и сосредоточимся на самых простых примерах.
Химические процессы
Перейдем к следующей большой области — химическим процессам. Химические реакции (например, 
) по признаку своей повторимости так же являются «действиями». Объектами в них являются атомы и молекулы. Для описания происходящих изменений необходимо немного преобразовать «физические» изменения. Так изменения параметров движения в совокупности дают нам изменение температуры в ходе химической реакции. А среди изменений расстояний между молекулами мы, игнорируя броуновское движение, можем выделить фиксацию расстояния в виде повторимого формирования и разрушения связей между частями взаимодействующих молекул. Локальность для химической реакции тоже существует — это отсутствие реакции при нахождении гидроксида натрия и соляной кислоты в разных пробирках и наличие реакции при соприкосновении веществ. Конечно, в «химической» области «действий» есть особенности не сводящиеся к молекулам, например, фотохимические реакции, где к объектам необходимо добавить фотоны. Самые простые процессы выбраны для рассмотрения намеренно.
Математические процессы
Следующей областью выберем «действия» из известных нам абстрактных алгоритмов. Самые яркие их представители — математические процессы. В этой области есть действительно «сложные случаи», но для этой статьи достаточно хорошо знакомых примеров. Рассмотрим в качестве «действия» достаточно элементарную операцию — сложение. А примером этого «действия» выберем сложение математиком двух целых чисел.
В ситуации с математиком можно выделить много объектов, но с точки зрения «действия» («сложение математиком двух целых чисел»), объекта всего три: это объект «математик», объект «первое число» и объект «второе число». В отличие от всех рассмотренных ранее объектов числа являются обозначениями, то есть виртуальными объектами. И их преобразование в алгоритме более сложно устроено нежели изменение расстояния и параметров движения объектов, как это было для «химических» действий. Подробности такого преобразования — это тема отдельной увлекательной статьи. А в рамках текущей рассмотрим древнего математика, который складывает числа, используя кучки камешков (рим. ‘calculi’), и более «современного» математика, использующего абак. Абстракции таких способов вычисления суммы не так далеко отошли от физических и химических процессов, поэтому структура процессов их «действий» полностью описывается изменениями расстояний и связей.
Интересно, что на примере древнего математика становится понятен смысл слова «сложить», которое отсылает нас к действию «класть» и к фразе «положить вместе».
Сложение и древний математик
Для математика, оперирующего камешками, сумма это «действие» со следующими характеристиками.
Сложение и математик-абакист
У математика с абаком ситуация сложнее. Кучки разделены по значению на разрядные борозды.
Можно рассмотреть самый простой абак с двумя разрядами-бороздами. Пусть он будет десятичный. Тогда один камешек на борозде десятков соответствует десяти камешкам на борозде единиц. И 10 — это максимальное количество камешков на борозде единиц. По сравнению с действием первого математика меняется представление слагаемых. И в арсенале математика уже необходимы нескольких готовых «действий».
Локальность в этих математических «действиях» описывается отсутствием взаимодействия двух слагаемых, находящихся далеко от математика, и запуском процессов сложения когда все три объекта сложения «близко». Повторяемое изменение в математическом «действии» выражается в изменении связей между камнями и удерживающими их локациями (кучками, бороздами).
Сложение и машина Тьюринга
Можно пойти чуть дальше и заменить математика в таких «действиях» на «управляющее устройство» машины Тьюринга. Тогда «ячейки ленты» машины Тьюринга будут содержать слагаемые.
При этом остаётся и признак локальности как возможность взаимодействия управляющего устройства только с текущей ячейкой ленты, и признак изменения параметров объектов, который можно описать как изменение состояния ячеек.
Подробное описание исходных и результирующих состояний объектов, а так же «действий» производящих эти изменения для сложения, исполняемого машиной Тьюринга, оставим за рамками этой статьи. Но упомянем, что перейдя к машине мы снижаем требования к исполнителю «действия», что является главным способом для создания формальных методов работы с алгоритмом. Можно поставить себе целью упрощение каждой составляющей алгоритма до состояния, когда её выполнение можно будет поручить компьютеру. Тогда в определении алгоритма не останется тёмных мест, и многочисленные вопросы, перечисленные в начале, найдут свои ответы. Пока формализован только исполнитель. Скажем спасибо за это Тьюрингу и вспомним про «действие», формализация которого уже на пороге.
Выводы
Соберём всё, что мы отметили рассматривая разные примеры «действия»:
Признак Повторимости помогает нам в создании наших алгоритмов. С его использованием мы из всех процессов выделяем те, что являются «действием» и на их основе создаём новые алгоритмы. Более того этот признак достаточно прост и на основе его формализации можно снизить требования к системе обнаруживающей и создающей «действия» и поручить это нашему компьютеру.
Следующая статья серии (Часть 2) будет посвящена рассмотрению способов, с использованием которых «действия» могут быть сгруппированы в алгоритм. Этих способов достаточно много и есть предпосылки, что их описание не получится уместить в одну статью. Напишем — увидим.
Спасибо Вам за внимание.
Отзывы
Буду очень благодарен за отзывы и предложения, так как они помогают мне скорректировать направление развития работы в области.
Отдельное волнение у меня есть по стилю и форматированию, используемым в статье (кавычки, абзацы, курсив). Напишите, пожалуйста, если у Вас есть замечания к ним. Можно личным сообщением.