Was sind Computeralgorithmen und wie funktionieren sie?
Wenn Sie nicht gerade mit Mathe oder Programmierung arbeiten, könnte das Wort "Algorithmus" für Sie griechisch sein, aber es ist einer der Bausteine von allem, was Sie verwenden, um diesen Artikel zu lesen. Hier ist eine kurze Erklärung, was sie sind und wie sie funktionieren.
Disclaimer: Ich bin kein Mathe- oder Informatiklehrer, also sind nicht alle Begriffe, die ich verwende, technisch. Das ist, weil ich versuche, alles in einfachem Englisch zu erklären, weil Leute mit Mathe nicht ziemlich vertraut sind. Davon abgesehen ist etwas Mathematik beteiligt, und das ist unvermeidlich. Math Geeks, fühlen Sie sich frei zu korrigieren oder besser erklären in den Kommentaren, aber bitte, halten Sie es einfach für die mathematisch abgeneigt unter uns.
Bild von Ian Ruotsala
Was ist ein Algorithmus?
Das Wort " Algorithmus 'hat eine Etymologie ähnlich wie' Algebra ', mit der Ausnahme, dass dies sich auf den arabischen Mathematiker selbst bezieht, al-Khwarizmi (nur ein interessanter Leckerbissen). Ein Algorithmus für die Nicht-Programmierer unter uns ist eine Menge von Anweisungen, die eine Eingabe A annehmen und eine Ausgabe B bereitstellen, die die beteiligten Daten in irgendeiner Weise ändert. Algorithmen haben eine Vielzahl von Anwendungen. In Mathematik können sie helfen, Funktionen aus Punkten in einem Datensatz unter viel fortgeschritteneren Dingen zu berechnen. Abgesehen von ihrer Verwendung in der Programmierung spielen sie eine wichtige Rolle bei Dateikomprimierung und Datenverschlüsselung.
Eine einfache Anleitung
Nehmen wir an, Ihr Freund trifft Sie in einem Lebensmittelladen und Sie leiten ihn in Richtung Sie. Du sagst Dinge wie "komm durch die rechte Tür herein", "pass die Fischabteilung auf der linken Seite" und "wenn du die Molkerei siehst, hast du mich überholt". Algorithmen funktionieren so. Wir können ein Flussdiagramm verwenden, um Anweisungen basierend auf Kriterien zu veranschaulichen, die wir im Voraus kennen oder während des Prozesses herausfinden.
(Bild mit dem Titel "Icebreaking Routine" EDIT: mit freundlicher Genehmigung von Trigger und Freilauf)
Von START würden Sie gehe den Weg hinunter und je nachdem, was passiert, folgst du dem "Flow" zu einem Endergebnis. Flussdiagramme sind visuelle Werkzeuge, die verständlicherweise eine Reihe von Anweisungen darstellen, die von Computern verwendet werden. Auf ähnliche Weise helfen Algorithmen bei mehr mathematisch basierten Modellen.
Graphen
Lassen Sie uns einen Graphen verwenden, um die verschiedenen Möglichkeiten zu veranschaulichen, wie wir Richtungen angeben können.
Wir können diesen Graphen als eine Verbindung zwischen all seinen Formen ausdrücken Punkte. Um dieses Bild zu reproduzieren, können wir einem anderen eine Reihe von Anweisungen geben.
Methode 1
Wir können dies als eine Reihe von Punkten darstellen, und die Information würde der Standardform von graph = {(x1 , y1), (x2, y2), ..., (xn, yn)}.
graph = {(0,0), (3,0), (3,3), (5,5), ( 7,10), (8,7), (9,4), (10,1)}
Es ist ziemlich einfach, jeden Punkt nacheinander zu zeichnen und mit dem vorherigen Punkt zu verbinden. Stellen Sie sich jedoch eine Grafik mit tausend Punkten oder mehreren Segmenten vor, die alle in alle Richtungen verlaufen. Diese Liste würde viele Daten haben, oder? Und dann muss jeder einzeln verbunden werden, kann ein Schmerz sein.
Methode 2
Eine andere Sache, die wir tun können, ist einen Startpunkt zu geben, die Steigung der Linie zwischen ihm und dem nächsten Punkt, und Geben Sie an, wo der nächste Punkt zu erwarten ist, indem Sie die Standardform des Graphen verwenden = {(Startpunkt}, [m1, x1, h1], ..., [mn, xn, hn]}. Hier repräsentiert die Variable 'm' die Steigung von Die Linie, 'x' stellt die Richtung zum Einzählen dar (ob x oder y), und 'h' gibt an, wie viele in dieser Richtung zählen sollen. Sie können auch daran denken, nach jeder Bewegung einen Punkt zu zeichnen.
graph = {(0,0), [0, x, 3], [0, y, 3], [1, x, 2], [2.5, x, 2], [-3, x, 1], [- 3, x, 1], [-3, x, 1]}
Sie erhalten den gleichen Graphen Sie können sehen, dass die letzten drei Ausdrücke in diesem Ausdruck identisch sind, also können wir es vielleicht tun trimmen Sie das herunter, indem Sie einfach "repeat that simples" auf eine Art sagen. Nehmen wir einmal an, dass, wenn Sie die Variable 'R' sehen, es das letzte Ding wiederholt. Wir können dies tun:
graph = {(0 , 0), [0, x, 3], [0, y, 3], [1, x, 2], [2.5, x, 2], [-3, x, 1], [R = 2]}
Was ist, wenn die einzelnen Punkte nicht wirklich wichtig sind und nur der Graph selbst? Wir können die letzten drei Abschnitte wie folgt zusammenfassen:
graph = {(0,0), [0, x, 3], [0, y, 3], [1, x, 2], [2,5, x, 2], [-3, x, 3]}
Es verkürzt die Dinge etwas von dem, was sie vorher waren.
Methode 3
Versuchen wir es auf andere Weise.
y = 0, 0≤x≤3
x = 0, 0 ≤ y ≤ 3
y = x, 3 ≤ x ≤ 5
y = 2,5 × -7,5, 5 ≤ x ≤ 7
y = -3 × + 29, 7 ≤ × ≤ 8
y = -3x + 29, 8≤x≤9
y = -3x + 29, 9≤x≤10
Hier haben wir es in rein algebraischen Begriffen. Wenn die Punkte selbst nicht wichtig sind und nur der Graph funktioniert, können wir die letzten drei Punkte zusammenfassen.
y = 0, 0≤x≤3
x = 0, 0≤y≤3
y = x, 3≤x≤5
y = 2.5x-7.5, 5≤x≤7
y = -3x + 29, 7≤x≤10
Nun, welche Methode wählen Sie aus hängt von deinen Fähigkeiten ab. Vielleicht sind Sie großartig in Mathe und Graphik, also wählen Sie die letzte Option. Vielleicht kannst du gut navigieren, also wähle die zweite Option. Im Bereich der Computer machen Sie jedoch viele verschiedene Arten von Aufgaben und die Fähigkeit des Computers ändert sich nicht wirklich. Daher sind Algorithmen für die von ihnen ausgeführten Aufgaben optimiert.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass jede Methode auf einem Schlüssel beruht. Jede Anweisung ist nutzlos, wenn Sie nicht wissen, was Sie damit anfangen sollen. Wenn Sie nicht wissen, dass Sie jeden Punkt grafisch darstellen und die Punkte verbinden sollen, bedeutet die erste Menge von Punkten nichts. Wenn Sie nicht wissen, was jede Variable in der zweiten Methode bedeutet, werden Sie nicht wissen, wie Sie sie anwenden, ähnlich wie der Schlüssel zu einer Chiffre. Dieser Schlüssel ist auch ein integraler Bestandteil der Verwendung von Algorithmen, und oft befindet sich dieser Schlüssel in der Community oder über einen "Standard".
Dateikomprimierung
Wenn Sie eine ZIP-Datei herunterladen, extrahieren Sie den Inhalt so Sie können alles verwenden, was darin ist. Heutzutage können die meisten Betriebssysteme in .zip-Dateien wie normale Ordner eintauchen und alles im Hintergrund tun. Auf meiner Windows 95-Maschine vor über einem Jahrzehnt musste ich alles manuell extrahieren, bevor ich mehr als die Dateinamen darin sehen konnte. Das liegt daran, dass das, was auf der Festplatte als ZIP-Datei gespeichert wurde, nicht in einer verwendbaren Form war. Denken Sie an eine ausziehbare Couch. Wenn Sie es als Bett benutzen möchten, müssen Sie die Kissen entfernen und es entfalten, was mehr Platz einnimmt. Wenn Sie es nicht benötigen oder transportieren möchten, können Sie es wieder zusammenfalten.
Komprimierungsalgorithmen werden speziell für die Dateitypen angepasst und optimiert, auf die sie ausgerichtet sind. Zum Beispiel verwenden Audioformate jeweils eine andere Art, Daten zu speichern, die, wenn sie vom Audiocodec dekodiert werden, eine Audiodatei ähnlich der Originalwellenform ergeben. Weitere Informationen zu diesen Unterschieden finden Sie in unserem vorherigen Artikel Was sind die Unterschiede zwischen all diesen Audioformaten? Verlustfreie Audioformate und .zip-Dateien haben eines gemeinsam: Sie ergeben beide die ursprünglichen Daten in ihrer exakten Form nach dem Dekomprimieren. Verlustbehaftete Audio-Codecs verwenden andere Mittel, um Speicherplatz zu sparen, z. B. das Abschneiden von Frequenzen, die von menschlichen Ohren nicht gehört werden können, und das Ausgleichen der Wellenform in Abschnitten, um einige Details zu beseitigen. Obwohl wir den Unterschied zwischen einem MP3- und einem CD-Track nicht wirklich hören können, gibt es definitiv einen Informationsdefizit im ersteren.
Datenverschlüsselung
Algorithmen werden auch beim Sichern von Daten oder der Kommunikation verwendet Linien. Anstatt Daten so zu speichern, dass weniger Speicherplatz belegt wird, wird sie auf eine Weise gespeichert, die von anderen Programmen nicht erkannt werden kann. Wenn jemand Ihre Festplatte stiehlt und anfängt, sie zu scannen, können sie Daten auch dann aufnehmen, wenn Sie Dateien löschen, weil die Daten selbst noch da sind, obwohl der Weiterleitungsort dorthin verschwunden ist. Wenn Daten verschlüsselt werden, sieht alles, was gespeichert wird, nicht so aus, wie es ist. Es sieht normalerweise zufällig aus, als ob sich die Fragmentierung im Laufe der Zeit aufgebaut hätte. Sie können Daten auch speichern und als einen anderen Dateityp anzeigen. Bilddateien und Musikdateien sind dafür gut geeignet, da sie z. B. ohne Verdacht sehr groß sein können. All dies geschieht durch die Verwendung mathematischer Algorithmen, die irgendeine Art von Eingabe vornehmen und sie in eine andere, sehr spezifische Art von Ausgabe umwandeln. Weitere Informationen zur Funktionsweise der Verschlüsselung finden Sie in HTG Explains: Was ist Verschlüsselung und wie funktioniert sie?
Algorithmen sind mathematische Werkzeuge, die eine Vielzahl von Anwendungen in der Informatik bieten. Sie arbeiten so, dass sie konsistent einen Pfad zwischen einem Startpunkt und einem Endpunkt bereitstellen, und geben Anweisungen, um diesem zu folgen. Wissen Sie mehr als das, was wir hervorgehoben haben? Teile deine Erklärungen in den Kommentaren!
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