การแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์

          ปัญหาที่สามารถแก้ไขด้วยคอมพิวเตอร์ไม่จำเป็นต้องเป็นปัญหาทางคณิตศาสตร์เสมอไป  เนื่องจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ต้องระบุขั้นตอนการทำงาน รวมถึงเงื่อนไขต่าง ๆ ที่ชัดเจน ดังนั้นก่อนจะแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์นักเรียนจะต้องทำความเข้าใจกับปัญหาและความต้องการให้ชัดเจน  แล้วจึงพัฒนาขั้นตอนวิธีที่สามารถใช้งานได้  ให้พิจารณาสถานการณ์ต่อไปนี้ 

ขณะนี้เป็นเวลาเที่ยง นักเรียนเหน็ดเหนื่อยจากการเรียนมาตั้งแต่เช้าจึงต้องการสั่งคอมพิวเตอร์ว่า  "เลือกอาหารกลางวันที่เหมาะสมกับฉันให้หน่อย"  ปัญหาดังกล่าวคอมพิวเตอร์สามารถช่วยเลือกอาหารที่เหมาะสมกับความต้องการได้ ถ้ามีข้อมูลเพียงพอและเงื่อนไขในการตัดสินใจที่ชัดเจน

 ข้อมูล

หมายถึง ข่าวสาร เอกสาร ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับบุคคล สิ่งของหรือเหตุการณ์ที่มีอยู่ในรูปของตัวเลข ภาษา ภาพ สัญลักษณ์ต่างๆ ที่มีความหมายเฉพาะตัว ซึ่งยังไม่มีการประมวลไม่เกี่ยวกับการนำไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

       หากต้องการให้คอมพิวเตอร์เลือกอาหารกลางวันที่เหมาะสมได้ จะต้องมีข้อมูลเกี่ยวกับอาหารกลางวัน และถ้าต้องการเลือกอาหารที่เหมาะสม  ต้องมีข้อมูลประกอบเพิ่ม  เช่น ประเภท ราคา คุณค่าทางโภชนาการ คุณภาพและความนิยม  นอกจากนี้ ถ้ามีข้อมูลจำกัดในการเลือกรับประทานอาหาร เช่น การแพ้อาหาร  ไม่รับประทานอาหารรสจัด คอมพิวเตอร์จะต้องทราบข้อมูลนี้ด้วย เพื่อป้องกันการเลือกอาหารที่นักเรียนไม่สามารถรับประทานได้

เงื่อนไขที่ชัดเจน

หมายถึง ข้อแม้, ข้อจำกัด หรือข้อตกลง เงื่อนไขที่ชัดเจน คือการระบุสิ่งต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับการตัดสินใจอย่างใดอย่างหนึ่ง เพื่อให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานตามที่ต้องการ

จากสถานการณ์ข้างต้น คำว่า "เหมาะสม" เป็นคำที่มีความหมายคลุมเครือ เพราะคำว่าเหมาะสมของแต่ละคนแตกต่างกัน ดังนั้น การใช้ข้อมูลเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอที่จะให้คอมพิวเตอร์เลือกอาหารกลางวันตามความเหมาะสมได้ เนื่องจากอาหารกลางวันที่เหมาะสมนั้นมีหลายแบบ เช่น เหมาะสมกับความชอบ เหมาะสมกับราคา ในปัจจุบันคอมพิวเตอร์ไม่สามารถจัดการกับความกลุมเครือนี้ได้ จึงจำเป็นต้องระบุเงื่อนไขให้ชัดเจนมากยิ่งขึ้น

ถ้าปัญหามีการระบุเงื่อนไขที่ชัดเจน จะสามารถช่วยให้การระบุขอบเขตของข้อมูลที่ต้องการได้ชัดจนมากยิ่งขึ้น เช่น คำว่า "อาหารที่เหมาะสม" คือ อาหารที่มีราคาถูกที่สุด ข้อมูลที่ต้องเก็บมีเฉพาะราคาอาหารก็เพียงพอ ไม่จำเป็นต้องเก็บข้อมูลคุณภาพอาหารหรือความนิยมก็ได้  การระบุเงื่อนไขได้ชัดเจนและตรงตามความต้องการนั้นเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้คอมพิวเตอร์สร้างผลลัพธ์ที่มีคุณภาพ  

ขั้นตอนวิธีในการแก้ปัญหา    

    หมายถึงกระบวนการแก้ปัญหาที่สามารถเข้าใจได้ มีลำดับหรือวิธีการในการแก้ไขปัญหาใดปัญหาหนึ่งอย่างเป็นขั้นเป็นตอนและชัดเจน เมื่อนำเข้าอะไร แล้วจะต้องได้ผลลัพธ์เช่นไร

    นอกจากข้อมูลและเงื่อนไขที่ชัดเจนแล้ว การพัฒนาโปรแกรมจำเป็นต้องมีขั้นตอนในการแก้ปัญหาที่ชัดเจนด้วย ในส่วนนี้จะออกแบบขั้นตอนวิธีในการแก้ปัญหาโดยใช้ตัวอย่างข้อมูลรายการอาหารกลางวัน 

    ถ้านักเรียนต้องการค้นหาอาหารกลางวันประเภท "อาหารหลัก" โดยเลือกอาหารที่มีคะแนนที่คำนวณจาก        (0.6 x คะแนนคุณภาพ) + (0.4 x คะแนนความนิยม) สูงที่สุด สามารถแบ่งขั้นตอนการทำงานได้ 3 ขั้นตอน ดังนี้

1. เลือกรายการอาหารทั้งหมดที่เป็นอาหารหลัก

2. จากรายการอาหารหลัก คำนวณคะแนนของอาหารแต่ละชนิดตามเงื่อนไข

3. จากรายการอาหารหลักที่ได้คำนวณคะแนนแล้ว  เลือกอาหารที่มีคะแนนสูงที่สุด

1. เลือกรายการอาหารทั้งหมดที่เป็นอาหารหลัก

2. จากรายการอาหารหลัก คำนวณคะแนนของอาหารแต่ละชนิดตามเงื่อนไข

3. จากรายการอาหารหลักที่ได้คำนวณคะแนนแล้ว  เลือกอาหารที่มีคะแนนสูงที่สุด

    จากขั้นตอนการทำงาน สามารถสรุปได้ว่า รายการอาหารที่ตรงตามเงื่อนไขทั้งหมด คือ ข้าวยำ เมื่อเข้าใจลำดับการทำงานแล้ว  จะระบุขั้นตอนวิธีในสองขั้นตอนแรก  ได้ดังนี้

ขั้นตอนที่ 1  สร้างรายการคำตอบที่เป็นไปได้  โดยเลือกเฉพาะรายการอาหารหลัก

1.1 พิจารณารายการอาหารทีละรายการ

    1.1.1 ถ้าอาหารที่กำลังพิจารณาเป็นอาหารหลักแล้ว  ให้เพิ่มอาหารนั้นในรายการคำตอบ

ขั้นตอนที่ 2  คำนวณคะแนนสำหรับเลือกอาหารในรายการ

2.1 พิจารณารายการอาหารหลักจากขั้นตอนที่ 1 ทีละรายการจนครบ

    2.1.1 ขณะที่พิจารณาอาหารลำดับที่ i  (i แทนลำดับที่ของอาหารที่กำลังพิจารณา)

    2.1.2 ให้ Q แทนคะแนนคุณภาพของอาหารลำดับที่ i

    2.1.3 ให้  R  แทนคะแนนความนิยมของอาหารลำดับที่ i 

    2.1.4 คำนวณคะแนน S  เท่ากับ  (0.6 x Q) + (0.4 x R)

    2.1.5 ให้คะแนนสำหรับจัดอันดับของอาหารลำดับที่ i  เท่ากับ  S

สำหรับขั้นตอนที่ 3 ที่เลือกรายการอาหารจากรายการที่มีคะแนนสูงที่สุดนั้น จะแสดงรายละเอียดในหัวข้อ 2.4.1

สังเกตว่า ในการระบุขั้นตอนวิธีข้างต้น มีการระบุให้คอมพิวเตอร์ทำงานซ้ำ ๆ กัน โดยสั่งให้คอมพิวเตอร์พิจารณาอาหารทั้งหมดที่มี  รวมทั้งมีการระบุให้คอมพิวเตอร์ทำงานตามเงื่อนไข เช่น ในขั้นตอนที่ 1.1.1 มีการตรวจสอบประเภทอาหาร      

      โครงสร้างคำสั่งการทำซ้ำและการดำเนินการตามเงื่อนไข  สามารถพบได้ทั่วไปในภาษาคอมพิวเตอร์ เช่นภาษาซี  ภาษาซีพลัสพลัส ภาษาจาวาหรือภาษาไพทอน  ซึ่งขั้นตอนวิธีในสองขั้นตอนแรกจากตัวอย่างนี้ สามารถนำไปแปลงเป็นภาษาคอมพิวเตอร์ได้ไม่ยาก

ตัวแปร

   คือ ชื่อที่ใช้แทนข้อมูลขณะใดขณะหนึ่งในขั้นตอนวิธีหรือ  เป็นการกำหนดชนิดข้อมูลของตัวแปร  เพื่อนำไปใช้ใน

การเขียนโปรแกรม อาจเป็นชนิดตัวเลข ตัวอักขระ หรือสายอักขระ

         จากตัวอย่างการเลือกอาหารในรายการอาหารในหัวข้อ 2.1.3 พบว่ามีการใช้งานตัวแปร เช่น ตัวแปร Q , R และ S โดยทั่วไปแล้วในทางคอมพิวเตอร์  ตัวแปรจะถูกใช้เพื่อเก็บข้อมูลและอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงค่าได้ตามบริบทการทำงาน

ในการเขียนขั้นตอนวิธีอาจระบุว่า ให้กำหนดค่าให้กับตัวแปร หรืออาจใช้สัญลักษณ์ <---  ในการเขียน เช่น 

x <--- 10  จะเป็นการระบุให้ตัวแปร  x  มีค่าเท่ากับ  10

z <--- z + 1   จะเป็นการกำหนดให้เพิ่มค่าตัวแปร z ขึ้นอีก 1 กล่าวคือ ถ้าก่อนการทำงานตัวแปร z มีค่าเท่ากับ 10  หลังการทำงาน ตัวแปร z มีค่าเท่ากับ  11

การแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์ นอกจากจะช่วยลดระยะเวลาในการตัดสินใจแล้ว  ยังเพิ่มขีดความสามารถในการแก้ปัญหาเมื่อข้อมูลมีจำนวนมากเกินกว่าที่มนุษย์จะคำนวณได้  ดังนั้นนักเรียนจึงต้องศึกษาวิธีการและแนวคิดอื่นเพิ่มเติมเพื่อให้สามารถนำไปใช้แก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้