Thuật toán là gì và đóng vai trò thế nào trong lập trình?

Từ những năm TCN, người Ai Cập cổ đại đã biết cách sử dụng thuật toán để tính toán diện tich các đồng cỏ và xác định chu vi hình học. Ngày nay, thuật toán lại càng được phát triển rộng rãi với nhiều ứng dụng đa dạng hơn. Vậy rốt cục thuật toán là gì? Và nó đóng vai trò thế nào trong lĩnh lập trình? Cùng Techie tìm hiểu nhé! 

Thuật toán là gì?

Thuật toán là một tập hợp các quy định, hướng dẫn hoặc các bước cụ thể được xây dựng để giải quyết một vấn đề nhất định. Nói các khác, nó là một quy trình logic được sắp xếp và cụ thể hóa để giải quyết các bài toán từ đơn giản đến phức tạp, từ giải phương trình cho đến xử lý các dữ liệu khoa học…

Một thuật toán hiệu quả sẽ giúp con người tối ưu hóa thời gian và nguồn lực để giải quyết vấn đề so với việc đi theo phương thức tính toán thông thường.

Lịch sử ra đời của thuật toán

Sau khi đã nắm rõ thuật toán là gì, hãy cùng tìm hiểu về lịch sử thú vị của nó:

Khái niệm thuật toán (algorithm) bắt nguồn vào thế kỷ 9, từ nhà toán học Algoritmi. Mặc dù vậy, bản chất của thuật toán đã tồn tại từ thời cổ đại. Cụ thể:

• Thời cổ đại

+ Khoảng 2000-1800 trước Công nguyên: người Ai Cập cổ và các nhà toán học Babylon đã sử dụng các thuật toán số học. Sau đó, các nhà toán học Hy Lạp đã sử dụng  các thuật toán trong sàng Eratosthenes để tìm số nguyên tố, và thuật toán Euclide để tìm ước chung lớn nhất của hai số.

+ Khoảng 1200 TCN: Người rung Quốc đã phát triển thuật toán để giải các phương trình đại số và các vấn đề khác.

• Thời trung cổ:

+ Năm 500 – 1500: Al-Khwarizmi đã viết các sách về giải thuật của người Ả Rập và Fibonacci đã giới thiệu dãy số Fibonacci

• Thời kỳ cận đại –  hiện đại:

+ Giai đoạn thế kỷ 17-18: Isaac Newton và Gottfried Leibniz đã đưa ra các thuật toán cho việc tính toán và phân tích.

+ Thế kỷ 19: Charles Babbage phát triển máy tính cơ học và Ada Lovelace đã đưa ra ý tưởng về lập trình máy tính.

+ Thế kỷ 20:  Với sự phát triển của máy tính điện tử, thuật toán trở thành một phần quan trọng trong lĩnh vực khoa học máy tính và công nghệ thông tin. Các nhà khoa học như Alan Turing và Donald Knuth đã đóng góp quan trọng vào lý thuyết thuật toán và phát triển các thuật toán hiệu quả.

Trong lập trình, vai trò của thuật toán là gì?

Các thuật toán máy tính luôn là thành phần không thể thiếu trong lập trình. Về cơ bản, thuật toán máy tính là một tập hợp các quy trình hay bước xử lý được thiết kế để giải quyết một vấn đề hoặc thực hiện một tác vụ cụ thể trên máy tính. Nó là một hướng dẫn chi tiết cho máy tính về cách thực hiện các phép tính và xử lý dữ liệu.

Vậy thì, vai trò thuật toán là gì trong lập trình?

Giải quyết vấn đề

Bằng cách ứng dụng hoặc thiệt kế thuật toán phù hợp, lập trình viên có thể tạo ra các giải pháp hiệu quả cho các vấn đề phức tạp. Ví dụ, khi viết chương trình cho Google Maps, người ta có thể ứng dụng thuật toán dijkstra để tìm đường đi ngắn nhất.

Xử lý dữ liệu

Thuật toán cho phép lập trình viên xác định cách xử lý và thao tác với dữ liệu. Từ việc tìm kiếm, sắp xếp, lọc dữ liệu đến tính toán, biến đổi và phân tích dữ liệu, thuật toán là công cụ chính để thực hiện các phép tính và thao tác trên dữ liệu.

Tối ưu hóa

Vốn dĩ, thuật toán được sinh ra để tối ưu hóa hiệu suất tính toán trong các vấn đề phức tạp. Vì thế, nó cũng tối ưu các bài toán trong lập trình. Lập trình viên có thể sử dụng thuật toán để cải thiện thời gian thực thi, sử dụng bộ nhớ một cách tối ưu và tăng cường hiệu suất của chương trình.

Hỗ trợ việc lựa chọn và quyết định

Dựa trên các tiêu chí nhất định, thuật toán có thể hỗ trợ ra quyết định trong việc chọn lựa các phương pháp và quy trình trong lập trình. Từ việc lựa chọn thuật toán phù hợp cho một vấn đề cụ thể đến việc đưa ra quyết định về luồng xử lý, thuật toán đóng vai trò quyết định trong việc thiết kế chương trình.

Học máy và trí tuệ nhân tạo

Vai trò của thuật toán là gì trong lĩnh vực AI? Đó là hỗ trợ việc phát triển các mô hình; phân loại, gợi ý và dự đoán dựa trên dữ liệu. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ngôn ngữ tự nhiên, thị giác máy tính và các ứng dụng trí tuệ nhân tạo khác. Ví dụ: thuật toán cây quyết định (decision tree), thuật toán học sâu (deep learning algorithms).

Các thuật toán nổi tiếng trong lập trình

Thuật toán bresenham

Bresenham là một thuật toán phổ biến trong đồ họa máy tính. Thuật toán nãy hoạt động bằng cách tính toán các điểm trên một đường thẳng hoặc đường cong dựa trên sai số giữa các điểm.

Một trong những ứng dụng phổ biến của thuật toán Bresenham là vẽ các đường thẳng trên màn hình. Nó cũng được sử dụng trong các phép biến đổi hình học như thu phóng, quay và dịch chuyển. Bresenham đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hình ảnh và hiệu ứng mượt mà trên các thiết bị hiển thị.

Thuật toán dijkstra

Dijkstra là thuật toán giúp tìm đường đi ngắn nhất giữa các điểm trên đồ thị không có trọng số âm.

Thuật toán Dijkstra thường được sử dụng trong các bài toán liên quan đến mạng lưới, định tuyến trong mạng máy tính, bản đồ đường đi, hệ thống giao thông và nhiều lĩnh vực khác. Nó giúp tối ưu hóa việc tìm kiếm đường đi trong các hệ thống có độ phức tạp cao và cung cấp giải pháp chính xác và hiệu quả cho các bài toán đồ thị.

Thuật toán Euclid

Euclid là một thuật toán cổ điển, được sử dụng để tính toán ước chung lớn nhất của 2 số nguyên dương. Trong CNTT, thuật toán này được ứng dụng trong trong quá trình mã hóa RSA, một phương pháp mã hóa đối xứng bảo mật thông tin. Ngoài ra, nó cũng được ứng dụng để tính toán các trọng số hoặc khoảng cách trong các đồ thị.

Thuật toán Prim

Prim cũng là một thuật toán về đồ thị nổi tiếng. Nó được sử dụng để xây dựng cây khung tối thiểu (Minimum Spanning Tree) của một đồ thị vô hướng có trọng số. Thuật toán Prim có ứng dụng rộng rãi trong các bài toán liên quan đến mạng lưới, viễn thông, quy hoạch tài nguyên và tối ưu hóa. Ngoài ra, Prim còn giúp tìm ra cấu trúc mạng tối ưu, đường dẫn ngắn nhất hoặc kết nối mạng hiệu quả với chi phí tối thiểu.

Thuật toán Kruskal

Tương tự với Prim, Kruskal cũng là thuật toán tìm cây khung tối thiểu của đồ thị. Tuy nhiên, phương pháp và cách thức hoạt động của Kruskal khác với Prim.Kruskal xây dựng cây khung tối thiểu từ các cạnh độc lập, trong khi Prim xây dựng cây khung tối thiểu từ các đỉnh liên tiếp. Nó cũng được ứng dụng trong việc tối ưu hóa khoảng cách trong các mạng lưới viễn thông.

Kết luận

Như vậy, chúng ta đã cùng tìm hiểu về khái niệm thuật toán là gì cũng như lịch sử hình thành và phát triển của nó.

Đối với lĩnh vực lập trình, thuật toán đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Chính nhờ các thuật toán mà chúng ta có thể giải quyết các vấn đề phức tạp, tối ưu hóa hiệu suất và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả. Từ việc sắp xếp dữ liệu đến tìm kiếm thông tin, từ xử lý đồ thị đến công cụ máy học, có rất nhiều thuật toán nổi tiếng đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Hãy cùng chờ thêm nhiều thuật toán có tính đột phá hơn nữa được sáng tạo bởi các lập trình viên trong tương lai.

>>Xem thêm: Tìm hiểu về Git trong phát triển phần mềm