Lecture 1 Computer Science PDF

‫مترجم من اإلنجليزية إلى العربية ‪- www.onlinedoctranslator.com‬‬ ‫مقدمة‬ ‫محاضرة‪1‬‬  ‫دور الخوارزميات‬ ‫ نبدأ با...

‫مترجم من اإلنجليزية إلى العربية ‪- www.onlinedoctranslator.com‬‬ ‫مقدمة‬ ‫محاضرة‪1‬‬  ‫دور الخوارزميات‬ ‫ نبدأ بالمفهوم األكثر جوهرية في علم الكمبيوتر ‪-‬‬ ‫وهوأخوارزمية‪.‬بشكل غير رسمي‪ ،‬الخوارزمية هي مجموعة‬ ‫من الخطوات التي تحدد كيفية تنفيذ مهمة مايتم تنفيذه‪.‬‬ ‫ لعلى سبيل المثال‪ ،‬هناكهي خوارزمياتللطهي (يُطلق عليه‬ ‫وصفات)‪ ،‬للعثور على طريقك عبرمدينة غريبة(يُطلق عليها‬ ‫عادةً "االتجاهات )"لتشغيل الغسياللآلالت‪.‬‬  ‫قبل أن تتمكن آلة مثل الكمبيوتر من أداء مهمة ما‪ ،‬يتم تنفيذ‬ ‫ ‬ ‫خوارزميةلألداءيجب اكتشاف هذه المهمة وتمثيلها في شكلمتوافق معالآللة‪.‬‬ ‫يُطلق على تمثيل الخوارزمية اسمبرنامج ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫لراحة الآلالت والبرامجيتم ترميزهابطريقة متوافقة مع تكنولوجيا الآللة‪.‬‬ ‫ ‬ ‫عمليةتطوير برنامج‪ ،‬وترميزه في شكل متوافق مع الآللة‪ ،‬وادخالهفي آلة‬ ‫ ‬ ‫تسمىبرمجة‪.‬‬ ‫البرامج‪ ،‬والخوارزمياتإنهم يمثلون‪ ،‬يشار إليها بشكل جماعي‬ ‫ ‬ ‫باسمبرمجة‪،‬على النقيض منالآلالت نفسها‪ ،‬وهو ما يعرف باسماألجهزة‪.‬‬  ‫بدأت دراسة الخوارزميات كموضوع في الرياضيات ‪.‬في‬ ‫ ‬ ‫الواقع‪،‬البحثكانت الخوارزميات نشاطا مهما لعلماء الرياضيات‬ ‫لفترة طويلةقبل تطويراليومأجهزة الكمبيوتر‪.‬‬ ‫الكان الهدف هو العثور على مجموعة واحدةمن االتجاهاتالذي‬ ‫ ‬ ‫وصف كيفية حل جميع المشاكل من نوع معين‪.‬‬ ‫أحد أفضل األمثلة المعروفة لهذا البحث المبكر هو البحث‬ ‫ ‬ ‫الطويلخوارزمية القسمةإليجاد حاصل قسمة عددين مكونين من‬ ‫عدة أرقامأرقام‪.‬‬ ‫مثال اخرهي الخوارزمية اإلقليدية التي اكتشفها اليوناني القديمعالم‬ ‫ ‬ ‫الرياضيات إقليدس‪ ،‬إليجاد القاسم المشترك األكبر لعدديناألعداد‬ ‫الصحيحة الموجبة(الشكل ‪0.2).‬‬  ‫ بمجرد العثور على خوارزمية ألداء مهمة ما‪،‬أداءلم تعد هذه‬ ‫المهمة تتطلب فهم المبادئ التي تقوم عليهاالخوارزميةيعتمد على‪.‬‬ ‫ بدالً من‪ ،‬يتم تقليل أداء المهمة إلىعمليةفقط باتباع التوجيهات ‪.‬‬ ‫(يمكننا اتباع خوارزمية القسمة الطويلة لـابحث عنالحاصل أو‬ ‫الخوارزمية اإلقليدية إليجاد القاسم المشترك األعظمبدون(فهم‬ ‫سبب نجاح الخوارزمية )‪.‬بمعنى ما‪ ،‬الذكاء المطلوبلحاللمشكلة‬ ‫المطروحة مشفرة في الخوارزمية‪.‬‬  ‫ التقاط ونقل المعلومات الذكية (أو على األقل السلوك‬ ‫الذكي)بالوسائلتسمح لنا الخوارزميات ببناء آالت قادرة على تنفيذ‬ ‫مهام مفيدة‪.‬‬ ‫ وبالتالي‪ ،‬فإنمستوى الذكاء الذي تظهره الآلالت‬ ‫محدودبواسطةالذكاء الذي يمكن نقله من خالل الخوارزميات‪.‬‬ ‫ نحنيمكن البناءآلةأداء مهمة فقط إذا كانت هناك خوارزمية ألداء‬ ‫هذه المهمة‪.‬بدورهإذا لم تكن هناك خوارزمية لحل مشكلة ما‪ ،‬فإن‬ ‫حل تلك المشكلة هو‪:‬المشكلة تكمنخارج قدرات الآلالت‪.‬‬  ‫ تحديد حدود القدرات الخوارزمية المعززة باعتبارهاالموضوع‬ ‫فيالرياضيات في ثالثينيات القرن العشرين مع نشر كتاب كورت‬ ‫جودلنظرية عدم االكتمال‪.‬‬ ‫ هذاتنص النظرية بشكل أساسي على أنه فيأية نظرية رياضية تشملفي‬ ‫نظامنا الحسابي التقليدي‪ ،‬هناك عباراتمن هي الحقيقةال يمكن إثبات الزيف‬ ‫أو الكذب بالوسائل الخوارزمية ‪.‬باختصار‪ ،‬أيدراسة كاملةإن نظامنا‬ ‫الحسابي يقع خارج قدراتنااألنشطة الخوارزمية‪.‬‬ ‫ لقد هز هذا اإلدراك أسس الرياضيات‪،‬دراسةكانت القدرات الخوارزمية‬ ‫التي أعقبت ذلك هي بداية المجال المعروفاليوم كماعلوم الكمبيوتر‪.‬‬  ‫االلمووواات الشاملة لعلوم الكمبيوتر‬ ‫ المواضيع الرئيسية التي توحد علوم الكمبيوتر‬ ‫ ال"سبعة كبيرة"األفكار "هي باختصار ‪:‬الخوارزميات‪،‬‬ ‫والتجريد‪ ،‬واإلبداع‪ ،‬والبيانات‪،‬برمجة‪ ،‬انترنت‪ ،‬وتأثير‪.‬‬  ‫الخوارزميات‬ ‫ قدرات تخزين البيانات المحدودة والبرمجة المعقدة التي تستغرق وقتا‬ ‫طويالًاإلجراءات المقيدةتعقيد الخوارزميات المستخدمة في أقدمآالت‬ ‫الحوسبة‪.‬‬ ‫ لكنومع اختفاء هذه القيود‪ ،‬بدأت الآلالتتم تطبيقهالمهام أكبر حجما وأكثر‬ ‫تعقيدا‪.‬‬ ‫ مثلمحاوالت اللتعبير عنبدأ تكوين هذه المهام في شكل خوارزمي يفرض‬ ‫ضغوطا على قدراتاالنسانالعقل‪ ،‬تم توجيه المزيد والمزيد من الجهود‬ ‫البحثية نحو الدراسةمن الخوارزمياتوعملية البرمجة‪.‬‬  ‫ ومع ذلك‪ ،‬فإن جميع هؤالء الباحثين يشاركون في جوانب العلممن‬ ‫الخوارزمياتونظرا للدور المركزي الذي تلعبه الخوارزميات في علوم‬ ‫الكمبيوتر (انظر الشكل)‪ ،0.5‬من المفيد تحديد بعض األسئلة التي ستوفر‬ ‫التركيزمن اجلنادراسة هذه الفكرة الكبيرة‪.‬‬ ‫أيًهل يمكن حل المشاكل عن طريق العمليات الخوارزمية؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يمكن أن يصبح اكتشاف الخوارزميات أسهل؟؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يمكن لتقنيات التمثيل والتواصاللخوارزميات تكونتحسنت؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يمكن تحليل خصائص الخوارزميات المختلفةومقارنة؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يمكن استخدام الخوارزميات للتالعب بالمعلومات؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يمكن تطبيق الخوارزميات إلنتاج سلوك ذكي؟؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يؤثر تطبيق الخوارزميات على المجتمع؟‬ ‫ ‬  ‫التجريد‬ ‫ على المدىالتجريد‪،‬يشيرإلى التمييزبينالخصائص الخارجية للكيان وتفاصيل‬ ‫الكيانالتكوين الداخلي‪.‬‬ ‫ إن التجريد هو الذي يسمح لنا بتجاهل التفاصيل الداخليةمجمعجهاز مثل‬ ‫الكمبيوتر أو السيارة أو فرن الميكروويف واستخدامهكـوحدة واحدة مفهومة ‪.‬‬ ‫عالوة على ذلك‪ ،‬من خالل التجريد‪،‬مثل هذا المعقديتم تصميم األنظمة وتصنيعها‬ ‫في المقام األول‪.‬أجهزة الكمبيوتر والسيارات‪ ،‬ويتم تصنيع أفران الميكروويف‬ ‫من مكونات‪ ،‬كل منهامنهايمثل مستوى التجريد الذي يتم فيه استخدام‬ ‫المكونمعزولة عنتفاصيل التركيب الداخلي للمكون‪.‬‬ ‫ ومن خالل تطبيق التجريد نتمكن من البناء والتحليل‪،‬و إدارةأنظمة‬ ‫كمبيوتر كبيرة ومعقدة من شأنها أن تكون مرهقةإذا تم عرضهفي‬ ‫مجملها على مستوى تفصيلي‪.‬‬ ‫ فيكل مستوى من التجريد‪،‬نحن نرىالنظام من حيث المكونات‬ ‫يسمىأدوات مجردة‪،‬لمنالتكوين الداخلينحن نتجاهل ذلك ‪.‬وهذا‬ ‫يسمح لنا بالتركيز على كيفية كليتفاعل المكونمع المكونات األخرى‬ ‫على نفس المستوى وكيفية جمعهاكل واحديشكل مكونا ذا مستوى‬ ‫أعلى‪.‬‬ ‫ هكذانحن قادرون على الفهمالجزءمن النظام الذي له صلة بالمهمة‬ ‫المطروحة بدالً من أن يتم فقدهفيبحر من التفاصيل‬  ‫ِإبداع‬ ‫ في حين أن أجهزة الكمبيوتر قد تكون مجرد آالت معقدة تنفذ‬ ‫ميكانيكياخوارزمية الحفظالتعليمات‪ ،‬سنرى أن مجال علوم الكمبيوتر‬ ‫هوبطبيعتهاإلبداع هو اكتشاف وتطبيق خوارزميات جديدة‪.‬النشاط‬ ‫البشريوهذا يعتمد على رغبتنا الفطرية في تطبيق أدواتنا لحل‬ ‫المشكالتمشاكل فيالعالم من حولنا‪.‬‬ ‫ حاسوبال يقتصر العلم على توسيع أشكالتعبير ممتدالفنون البصرية‬ ‫واللغوية والموسيقية‪ ،‬ولكنها تمكن أيضا من إيجاد طرق جديدةمن‬ ‫الرقميةتعبير يسود العالم الحديث‪.‬‬  ‫بيانات‬ ‫ أجهزة الكمبيوتر قادرة على تمثيل أي معلومة يمكنمقسمة و ُمرقمنة‪.‬‬ ‫ الخوارزمياتيمكن معالجة أو تحويل مثل هذه البيانات رقمياالمعلومات‬ ‫الممثلةفي مجموعة مذهلة من الطرق‪.‬‬ ‫ االلنتيجة ليست مجردالخلطمن البيانات الرقمية من جزء من الكمبيوتر إلى‬ ‫جزء آخر؛خوارزميات الكمبيوترتمكننا من البحث عن األنماط وإنشاء‬ ‫المحاكاة‪،‬ربط االتصاالتبطرق تؤدي إلى توليد معرفة ورؤية جديدة‪.‬تخزين‬ ‫ضخمالقدرات‪ ،‬وشبكات الكمبيوتر عالية السرعة‪ ،‬واألنظمة القويةأدوات‬ ‫حسابيةيقودون االكتشافات في العديد من التخصصات العلمية‬ ‫األخرى‪،‬الهندسة والعلوم اإلنسانية‪.‬‬  ‫ سواء كان األمر يتعلق بالتنبؤ بتأثيرات دواء جديد من خالل‬ ‫محاكاة طي البروتين المعقد‪ ،‬أو التحليل اإلحصائي لتطور اللغة‬ ‫عبر قرون من الكتب الرقمية‪ ،‬أو تقديم صور ثالثية األبعاد‬ ‫لألعضاء الداخلية من فحص طبي غير جراحي‪ ،‬فإن البيانات تقود‬ ‫االكتشاف الحديث عبر نطاق واسع من المساعي البشرية‪..‬‬ ‫كيفهل يقوم الكمبيوتر بتخزين البيانات حول األشياء المشتركة؟التحف‬ ‫ ‬ ‫الرقمية‪ ،‬هذهكأرقام‪ ،‬النصوص والصور واألصوات والفيديو؟‬ ‫كيفهل تقوم أجهزة الكمبيوتر بتقريب البيانات حول القطع األثرية‬ ‫ ‬ ‫التناظرية فيالعالم الحقيقي؟‬ ‫كيفهل يكتشف الكمبيوتر األخطاء في البيانات ويمنعها؟‬ ‫ ‬ ‫ماذاهي تداعيات النمو المستمروالكون الرقمي المترابطمن البيانات‬ ‫ ‬ ‫المتاحة لنا؟‬  ‫برمجة‬ ‫ إن ترجمة النوايا البشرية إلى خوارزميات كمبيوترية قابلة للتنفيذ‬ ‫هيالآلن على نطاق واسعيشار إليه باسمبرمجة‪ ،‬على الرغم من‬ ‫انتشاراللغات واألدوات المتاحة الآلن ال تشبه إلى حد كبير األدوات‬ ‫القابلة للبرمجةأجهزة الكمبيوترخمسينيات وأوائل الستينيات‪.‬‬ ‫ بينمايتكون علم الكمبيوتر مناكثر من ذلك بكثيرمن برمجة‬ ‫الكمبيوتر‪ ،‬القدرة على حل المشاكل عن طريقتصميم ملف قابل‬ ‫للتنفيذتظل الخوارزميات (البرامج )مهارة أساسية للجميععلماء‬ ‫الكمبيوتر‪.‬‬  ‫ األجهزة الحاسوبية قادرة على تنفيذ مهام بسيطة نسبيًا‬ ‫فقطالخطوات الخوارزميةولكن التجريدات التي توفرها لغات‬ ‫البرمجة الحاسوبيةيسمحإن البشر قادرون على التفكير وتشفير‬ ‫الحلول لمشاكل أكثر تعقيدا‪.‬‬ ‫كيفهل تم بناء البرامج؟‬ ‫ ‬ ‫ماذاأنواع األخطاء التي يمكن أن تحدث في البرامج؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يتم العثور على األخطاء في البرامج وإصالحها؟‬ ‫ ‬ ‫ماذاما هي آثار األخطاء في البرامج الحديثة؟‬ ‫ ‬ ‫كيفهل يتم توثيق البرامج وتقييمها؟‬ ‫ ‬  ‫إنترنت‬ ‫ يربط اإلنترنت بين أجهزة الكمبيوتر واألجهزة اإللكترونية في جميع أنحاء‬ ‫العالملقد كان لديهتأثير عميق في الطريقة التي يخزن بها مجتمعنا‬ ‫التكنولوجي‪،‬يسترجع‪ ،‬وتشارك المعلومات والتجارة واألخبار‬ ‫والترفيهالتواصل الآلنتعتمد بشكل متزايد على هذه الشبكة المترابطة من‬ ‫شبكات الكمبيوتر األصغر حجماً‪.‬‬ ‫ اإلن مدى وصول اإلنترنت له أيضا آثار عميقة على حياتنا‪.‬الخصوصية‬ ‫وأمن معلوماتنا الشخصية ‪.‬يحتوي الفضاء اإللكتروني على العديد‬ ‫منالمخاطر ‪.‬نتيجة لذلك‪ ،‬التشفير واألمن السيبرانيلها أهمية متزايدة‬ ‫فيمتصلناعالم‪.‬‬  ‫تأثير‬ ‫ ال يقتصر تأثير علوم الكمبيوتر على التقنيات التي نستخدمها‬ ‫فحسبللتواصإلن الحياة االجتماعية‪ ،‬بغض النظر عن العمل واللعب‪ ،‬لها‬ ‫أيضا تداعيات اجتماعية هائلة‪.‬التقدم فيإن علم الكمبيوتر يطمس العديد من‬ ‫الفروق التي تميز مجتمعناالقرارات المبنية علىفي الماضي‪ ،‬وهو يشكل‬ ‫تحديا للعديد من المبادئ الراسخة في المجتمع‪.‬في القانون‪ ،‬فإنه يثير‬ ‫تساؤالت حول الدرجة التي يمكن بها حماية الملكية الفكريةيمكن أن‬ ‫يكونالمملوكة والحقوق وااللتزامات التي تصاحب هذه الملكية ‪.‬فياألخالق‪،‬‬ ‫ذلكيولد العديد من الخيارات التي تتحدى المبادئ التقليديةأي‬ ‫اجتماعيالسلوك قائم على أساس ‪.‬في الحكومة‪ ،‬فإنه يولد مناقشات بشأنمدى‬ ‫إلىما هي تكنولوجيا الكمبيوتر وتطبيقاتها التي ينبغي تنظيمها؟‬