АЛГОРИТМЫ В ИНТУИТИВНОМ СМЫСЛЕ

ВВЕДЕНИЕ

Двадцатый век в области науки и техники принес человечеству много крупных достижений: радио, звуковое кино, телевидение, атомная энергия, космические полеты, электронные вычислительные машины — вот только главнейшие вехи, известные каждому. Наверное, не менее известны кибернетика, вирусология, генетика.

Но не всем известно, что крупнейшим достижением науки XX в. является теория алгоритмов — новая математическая дисциплина. Теория электронных вычислительных машин, теория и практика программирования не могут обойтись без нее. Математическая логика и кибернетика предъявляют на нее свои права. Однако она является самостоятельной наукой, которая готова служить всем наукам, и имеет свое лицо, свой предмет.

Само название — теория алгоритмов — говорит о том, что ее предмет — алгоритмы. Что это такое? Понятие алгоритма является и очень простым и очень сложным. Его простота — в многочисленности алгоритмов, с которыми мы имеем дело, в их обыденности. Но эти же обстоятельства делают его туманным, расплывчатым, трудно поддающимся строгому научному определению.

Слово «алгоритм» происходит от имени узбекского математика Хорезми (по-арабски ал-Хорезми), который в IX в. н. э. разработал правила четырех арифметических действий над числами в десятичной системе счисления. Совокупность этих правил в Европе стали называть «ал-горизм». Впоследствии это слово переродилось в «алгоритм» и сделалось собирательным названием отдельных правил определенного вида (и не только правил арифметических действий). В течение длительного времени его употребляли только математики, обозначая правила решения различных задач.

В 30-х годах XX в. понятие алгоритма стало объектом математического изучения (прежде им только пользовались), а с появлением электронных вычислительных машин получило широкую известность. Развитие электронной вычислительной техники и методов программирования способствовало уяснению того факта, что разработка алгоритмов является необходимым этапом автоматизации. То, что сегодня записано в виде алгоритма, завтра будет выполняться роботами. В настоящее время слово «алгоритм» вышло за пределы математики. Его стали применять в самых различных областях, понимая под ним точно сформулированное правило, назначение которого — быть руководством для достижения необходимого результата.

Формирование научного понятия алгоритма, ставшее важной проблемой, не закончено и в настоящее время. И хотя теория алгоритмов является математической дисциплиной, она еще не очень похожа на такие широко известные науки, как геометрия или теория чисел. Она еще только зарождается, причем тем исходным материалом, на основании которого должно быть построено широкое научное понятие алгоритма, является интуитивное понятие, тоже очень широкое, но недостаточно ясное.

Описывая зарождение теории алгоритмов, мы не пойдем путем, которым шла история этой науки (хотя о ней и расскажем), а сразу познакомим читателя с современным интуитивным понятием алгоритма. Затем это понятие уточним настолько, чтобы стали возможными изложение традиционных теорий алгоритмов, дальнейшее уточнение понятия алгоритма и, наконец, широкое формальное определение.

В реальной жизни выполнение всяких действий связано с расходом различных ресурсов: материалов, энергии и времени. Даже производя какие-либо записи, мы расходуем ресурсы (например, бумагу, чернила и время). Еще недавно некоторые задачи нельзя было решить из-за слишком большого числа необходимых для этого операций и слишком малой скорости их выполнения. Появление электронных вычислительных машин сделало такие задачи разрешимыми. Это значит, что «математизируя» понятие алгоритма, нужно абстрагироваться, отвлечься от ограниченности ресурсов, требуя только их конечности, иначе теория алгоритмов устареет, как только развитие науки и техники позволит переступить через существующие границы ресурсов.

Алгоритму в интуитивном смысле в книге противопоставляется алгоритм в математическом, или формальном смысле. В последнем случае считается, что понятие определено методами, принятыми в математике, и основывается либо на других понятиях, имеющих математическое определение, либо на первоначальных, описанных настолько четко, что их свойства могут быть приняты за аксиомы новой теории.

Теорию алгоритмов, которой посвящена эта книга, мы называем содержательной в том смысле, что именно алгоритмы как таковые во всем их разнообразии являются ее предметом. В этом отношении она является противоположностью традиционных теорий, которые изучали вопросы существования и несуществования алгоритмов путем сведения вопросов к исследованию какого-либо одного узкого класса алгоритмов и потому очень многие важнейшие проблемы оставляли вне своего поля зрения. В последнее время традиционные теории алгоритмов нередко объединяют названием логические, а вышеупомянутую содержательную теорию стали называть аналитической.

Для понимания книги не нужна специальная подготовка, но порою требуется большая внимательность, например, при чтении главы 4, в которой коротко изложены логические теории алгоритмов. Об электронных вычислительных машинах и программировании в этой книге сказано очень мало. Лишь столько, сколько нужно для того, чтобы стала ясной связь теории алгоритмов и этой области, которая не только нуждается в результатах теории алгоритмов, но и порождает многие идеи этой теории.

В заключение автор пользуется случаем выразить глубокую признательность Н.М. Нагорному, оказавшему при подготовке 2-го издания большую помощь.

Глава 1

АЛГОРИТМЫ В ИНТУИТИВНОМ СМЫСЛЕ