Что такое алгоритм и как его применяют на практике

Иногда простые понятия о профессиях могут ввести в ступор. Вы можете знать, как работает гитхаб и что такое Java. Но тут у вас спрашивают, что такое алгоритм, — и наступает растерянность. Рассказываем простым языком про важное понятие в информатике — алгоритм: что для него характерно и каких видов бывает. А еще рассмотрим примеры его использования.

Что такое алгоритмы

Алгоритм — это последовательность шагов или инструкций, которые нужны, чтобы выполнить определенную задачу или решить проблему. Можно сказать, что это абстрактный план действий. Выполнять алгоритм может и человек, и механизм: компьютер, токарный станок, швейная машина и другие.

Алгоритмы можно применять не только в информатике, но и в повседневной жизни. Часто мы действуем по алгоритму, даже если не задумываемся. Например, когда готовим по новому рецепту или читаем инструкцию, как собрать новое кресло.

Допустим, есть две корзины с яблоками, и наша задача — найти корзину, где яблок больше всего. Будем действовать по алгоритму:

1. Считаем яблоки в первой корзине и записываем количество (A).
2. Считаем яблоки во второй корзине и записываем количество (B).
3. Сравниваем количество яблок в корзинах A и B.
4. Если в корзине A больше яблок, чем в B, то выбираем корзину A.
5. Если в корзине B больше яблок, чем в A, то выбираем корзину B.
6. Если количество яблок в корзинах A и B одинаково, то выбираем любую из них.

Алгоритмы применяют в различных областях: в информатике, математике, инженерии, биологии, экономике и многих других. Термин «алгоритм» в компьютерных науках означает инструкцию для эффективного решения задач с помощью программного кода. Благодаря алгоритмам код становится более оптимизированным.

Процесс разработки алгоритма называется алгоритмизацией. Это важный этап в программировании и разработке программного обеспечения.

Зачем нужны алгоритмы

Три основные причины, почему без алгоритмов не обойтись в некоторых сферах.

Оптимизация производительности

Многие алгоритмы разрабатывают, чтобы оптимизировать использование важнейших ресурсов — времени и памяти. Например, с помощью алгоритмов сортировки можно упорядочивать данные, что полезно при поиске и обработке информации.

Автоматизация процессов

Алгоритмы используют, чтобы управлять большими объемами данных, обрабатывать информацию, принимать решения и выполнять другие задачи. Всё вместе это помогает сократить ручной труд, повысить точность и надежность в решении задач.

Разработка программного обеспечения

В программировании на алгоритмах строится всё программное обеспечение. Они определяют логику и последовательность сложных операций, которые нужны, чтобы решить конкретную задачу или выполнить функции программы.

В онлайн-университете Skypro на курсе «Аналитик данных» вас научат создавать прогнозы, распознавать тренды и работать с большими массивами данных. За 12 месяцев освоите язык Python, научитесь писать запросы на SQL, а еще собирать и визуализировать данные в Excel и Google Sheets.

В конце курса вы получите диплом о профпереподготовке и начнете самостоятельный путь в захватывающий мир аналитики данных. Центр карьеры поможет составить резюме, которое привлечет работодателей, а еще научит успешно проходить собеседования и не бояться отказов.

Как понять, что перед вами алгоритм: 6 основных свойств

Неважно, какой алгоритм вы хотите создать — чтобы посчитать яблоки или написать сложный код на языке Python, — у него всегда будут отличительные характеристики.

Дискретность

Алгоритм должен быть разбит на конечное число шагов. Каждый шаг — это четко выделенная инструкция, которая выполняется за определенный отрезок времени. Новый шаг начинается только после завершения предыдущего. Пример с яблоками это иллюстрирует: в алгоритме шесть шагов, каждый идет друг за другом.

Определенность

Каждый шаг алгоритма должен быть четко и однозначно определен, чтобы не оставлять места для различных трактовок. То есть алгоритм выдает один и
тот же результат для одинаковых первоначальных данных. Если в одной корзине 10 яблок, а в другой — 12, то эта информация никак не изменится.

Понятность

Алгоритм должен включать только те действия и команды, которые доступны и понятны исполнителю. В случае с яблоками исполнителем считается человек, но если взять компьютер или любое устройство, то ему нельзя задать команду, которую он не знает.

Конечность

Если исходные данные указаны корректно, алгоритм должен завершать работу и выдавать результат за конечное число шагов. В противном случае он может зациклиться. Бесконечно считать яблоки не получится.
Универсальность
Алгоритм можно применить к разным наборам исходных данных. Не только яблоки — через такой алгоритм можно считать и другие предметы.

Результативность

Алгоритм завершается определенными результатами. Мы точно узнаём в конце, в какой корзине больше всего яблок.

Независимо от того, есть ли у вас высшее техническое образование, разбираетесь ли вы в математической статистике и умеете ли разрабатывать алгоритмы — в онлайн-университете Skypro вы освоите востребованную профессию аналитика данных с нуля.

В этой сфере новички могут получать до 70 000 ₽, а специалисты с опытом от одного до трех лет — 140 000 ₽. Аналитика данных может стать отличным стартом для дальнейшей карьеры в data science — более детальной работе с данными. Вы можете открыть для себя все перспективы мира IT и стать специалистом в сфере будущего.

Виды алгоритмов

Алгоритмы необязательно должны быть строго последовательными в действиях. Особенно сегодня, когда асинхронное программирование становится популярнее с каждым днем. Современные алгоритмы могут содержать разнообразные условия, циклы и другие нелинейные конструкции — в них гибкость и адаптивность становятся ключевыми факторами. Рассмотрим подробнее, какие виды алгоритмов бывают.

Линейный алгоритм

Самый понятный тип алгоритма, когда действия выполняются последовательно — одно за другим. При этом нельзя переставить их местами, повторить или выполнить при других условиях.

Ветвящийся алгоритм

Это алгоритм, который содержит развилку: действие выполняется, если соблюдается определенное условие. Решение о том, какой шаг будет следующим, принимается в зависимости от значения переменной. Условий может быть несколько: если одно верно — выполняется одно действие, а если ложно — другое.

Рассмотрим простой алгоритм, который определяет тип числа:

1. Введите число и сохраните его в переменной x
2. Если x больше 0, то
a. Выведите «Число положительное»
3. Иначе, если x меньше 0, то
a. Выведите «Число отрицательное»
4. Иначе
a. Выведите «Число равно нулю»

В зависимости от значения переменной x программа выбирает соответствующий путь.

В программировании используют ветвящийся алгоритм, когда применяют условные операторы, например if-elif-else в языке Python.

Циклический алгоритм

Это алгоритм, который следует по циклу, чтобы повторять выполнение операций до тех пор, пока выполняется условие. Так получается эффективно обрабатывать повторяющиеся задачи.

Циклический алгоритм содержит определенное условие, когда цикл должен завершиться. Но бывают и бесконечные алгоритмы. Каждое выполнение цикла называется итерацией. Итерации повторяются, пока условие завершения не станет ложным.

Рассмотрим пример циклического алгоритма для вывода чисел от одного до пяти на языке программирования Python.

for i in range(1, 6):
print(i)

В этом примере используем цикл for для итерации по значениям от одного до пяти включительно. В каждой итерации выполняется инструкция print(i), которая выводит текущее значение переменной i. Так цикл повторяется пять раз — и в результате получаем числа от одного до пяти.

Рекурсивный алгоритм

Это алгоритм, который в процессе своего выполнения вызывает сам себя. Рекурсия помогает решать большую задачу следующим образом: сначала она разбивается на более мелкие задачи, для каждой используется тот же способ решения, который мы использовали для всей задачи.

В каждом рекурсивном алгоритме должен быть определен базовый случай. Он указывает, когда рекурсия должна завершиться. Работает это так: у нас есть большая сложная задача. Мы разделяем ее на более мелкие части, те можно делить еще, пока не дойдем до базового случая.

Например, нужно сложить числа от одного до пяти. Можно складывать их по порядку: один, два, три, четыре, пять. А можно сложить единицу и сумму чисел от двух до пяти. Чтобы найти сумму чисел от двух до пяти, нужно сложить двойку и сумму чисел от трех до пяти, и так далее.

Базовый случай — когда задача становится настолько простой, что ее можно решить без дополнительной разбивки. Например, чтобы сложить числа от одного до одного, мы просто берем единицу. Это и есть базовый случай.

Вероятностный алгоритм

Это редкий алгоритм. Вместо точных результатов он дает ответ с вероятностью, которая основана на случайных величинах или событиях.

Вероятностные алгоритмы включают случайные элементы, которые вносят степень неопределенности в результаты.

Пример: нужно выбрать одежду на следующий день и учесть погодные условия. Алгоритм может выглядеть примерно так:

1. Если вероятность дождя выше 50%, нужно взять зонт.
2. Если температура выше 25 °C с вероятностью 80%, нужно надеть легкую одежду.
3. Если вероятность снега ниже 10%, можно не надевать зимнюю куртку.

В Skypro на курсе «Аналитик данных» вас научат прогнозировать экономические показатели бизнеса. Точный прогноз помогает компаниям планировать и распределять ресурсы: финансы, персонал или производственные мощности. Так получается избежать ненужных затрат или нехватки ресурсов. Вот почему аналитик данных — незаменимый профессионал в любой компании. Эта профессия будет на пике еще очень долго. И обучиться ей — отличная идея!

Жадный алгоритм

Это алгоритм, при котором на каждом шаге выбирается локально оптимальное решение в надежде, что такой выбор приведет к глобально оптимальному результату. Жадные алгоритмы обычно применяются к задачам оптимизации. Пример — алгоритм Дейкстры для поиска кратчайших путей.

На каждом этапе алгоритм выбирает наилучший вариант из текущих возможностей, без учета будущих шагов. При этом жадные алгоритмы не всегда гарантируют достижение глобально оптимального решения.

Пример: вы хотите получить сдачу, но при этом использовать минимальное количество монет разных номиналов.

Жадный алгоритм для этой задачи:

1. Выбрать наибольшую монету, которая меньше оставшейся сдачи или равна ей.
2. Повторять этот процесс, пока сдача не будет равна нулю.

Как записать алгоритм

Записывать алгоритмы можно по-разному:

🟡 текстом или формулами,
🟡 блок-схемой,
🟡 псевдокодом.

Рассказываем про вторые два способа.

Блок-схема

Блок-схема помогает графически, в виде геометрических фигур, изобразить последовательность действий или переходы от одних условий к другим. Каждый из геометрических блоков обозначает тот или иной шаг алгоритма.

У блок-схемы алгоритма есть начало и конец, они изображаются графически в виде прямоугольника со скругленными углами. Далее идут блоки действий — прямоугольники. Они содержат инструкции или операции, которые нужно выполнить. В виде ромбов изображаются условия. Стрелки соединяют блоки и указывают направление от одного блока к другому.

К примеру, для линейного алгоритма, когда действия выполняются строго друг за другом, на блок-схеме изображают несколько расположенных друг за другом прямоугольников — это блоки обработки или блоки ввода-вывода.

А для ветвящегося алгоритма появляются блоки с условиями. Алгоритм выполняется в зависимости от условия. Истинно — ответ «да». Ложно — ответ «нет».

Псевдокод

Пример: в компании работают разработчики, которые программируют на разных языках: Java, Python, Ruby и других. Объяснять друг другу свои идеи, когда речь заходит о новых функциях программы, можно с помощью псевдокода. Для этого не применяется ни один из реальных языков программирования.

Псевдокод — это упрощенный, структурированный язык описания алгоритмов. Его используют, чтобы изображать шаги алгоритма более наглядно, чем это возможно естественным языком.

Как написать алгоритм на псевдокоде

• Четко определите, чего вы хотите достичь с помощью алгоритма.
• Разбейте задачу на шаги.
• Используйте логические структурные элементы. В псевдокоде часто применяют функции «если-иначе», «цикл», «для каждого» и другие. Эти элементы помогают описать различные условия и итерации.
• Не вдавайтесь в детали конкретного синтаксиса программирования. Используйте общепринятые обозначения, которые легко понять.
• Ориентируйтесь на тип задач. Для сортировки массива это может быть использование циклов и условий, а для распознавания оптимального пути — алгоритмы поиска.

Предположим, задача — найти сумму чисел от одного до n. Вот как выглядит алгоритм в псевдокоде:

1. Инициализировать переменную сумма = 0.
2. Для каждого числа i от 1 до n:
a. Прибавить i к сумме.
3. Вернуть значение суммы.

Этот псевдокод представляет алгоритм, который инициализирует сумму нулем и затем прибавляет к ней каждое число от одного до n. После этого возвращается значение суммы.

Алгоритмы в IT

Алгоритмы нужны не только в теоретической информатике, но и в жизни — в реальных профессиях и сферах. Рассказываем, где часто используют алгоритмы и какие направления считаются самыми востребованными.

Работа с данными

Аналитики данных используют различные алгоритмы для обработки и очистки данных перед анализом: например, когда нужно удалить дубликаты или заполнить пропущенные значения. А чтобы выявить закономерности и тренды в данных, применяют алгоритмы статистического анализа.

В сфере больших данных особенно часто используют алгоритмизацию. Так получается извлекать важное из массивов информации, которые невозможно обработать вручную.

Машинное обучение

В сфере машинного обучения алгоритмы используют для обучения компьютерных систем, чтобы они могли делать предсказания или принимать решения на основе данных. Аналитики применяют алгоритмы машинного обучения для создания моделей, которые могут прогнозировать продажи, клиентские предпочтения и другие важные для бизнеса показатели.

Геймдев-индустрия

В индустрии разработки компьютерных игр алгоритмы охватывают разные аспекты работы над игровым опытом. От графики и визуализации до физики и анимации — алгоритмы помогают создавать увлекательные и технически сложные игры.

Например, в области графики алгоритмы рендеринга определяют, как 3D-модели и визуальные эффекты будут отображаться в игре. А чтобы определять поведение компьютерных персонажей, искусственный интеллект опирается на алгоритмы принятия решений и поиска пути.

Алгоритмы применяют и разработчики программного обеспечения. Их работа — это в целом постоянное следование определенным алгоритмам языков программирования. Профессия Python-разработчика — одна из таких. Если вы любите последовательность в действиях, логичный подход даже к повседневной рутине, а еще внимательны и усидчивы — значит, из вас может выйти отличный Python-разработчик.

В онлайн-университете Skypro вы можете за 10 месяцев обучиться этой востребованной профессии, получить диплом о профпереподготовке и овладеть всеми необходимыми знаниями для работы.

Главное об алгоритмах

🟡 Алгоритм — это последовательность шагов или инструкций, которые нужны, чтобы решить определенную задачу. Алгоритмы применяют не только в информатике, но и в других сферах и даже в повседневной жизни: когда готовят еду по новому рецепту или собирают мебель по инструкции. Процесс разработки алгоритма называется алгоритмизацией.

🟡 Три основные причины использовать алгоритмы: оптимизация производительности, автоматизация процессов, разработка программного обеспечения. В информатике алгоритмы определяют логику и последовательность операций в программах. Это делает решение задач эффективнее и повышает точность обработки данных.

🟡 Основные свойства алгоритма: дискретность, определенность, понятность, конечность, универсальность и результативность. Алгоритмы бывают разных видов, самые основные: линейный, ветвящийся, циклический. Еще встречаются рекурсивный, вероятностный и жадный алгоритмы.

🟡 Записать алгоритм можно разными способами: текстом, блок-схемой или псевдокодом. В блок-схеме есть свои четкие геометрические обозначения, которые помогают составить понятный алгоритм. Псевдокод помогает объяснить алгоритм и логику программы с помощью универсального языка, который не связан с реальными языками программирования.

🟡 В IT алгоритмы используют часто: особенно в работе с данными, в машинном обучении и в индустрии видеоигр.