פורטל:מדעי המחשב

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

Gnome-colors-view-refresh.svg רענון הפורטל Netvibes.svg כיצד אוכל לעזור?    


P Computer-science.png

מדעי המחשב הוא ענף מדעי העוסק בלימוד הבסיס התאורטי למידע ולחישוביות, והחלתם של אלה על מערכות מחשב.
למדעי המחשב מספר רב של ענפי-משנה; חלקם מדגישים את היבטי החישוביות של תוצאות פרטניות (לדוגמה, גרפיקה ממוחשבת), אחרים עוסקים בחקר התכונות של בעיות חישוביות כלליות (לדוגמה, סיבוכיות), וענפי-משנה אחרים מתמקדים בפתרון הבעיות הכרוכות ביישום מעשי של חישובים ואלגוריתמים. ענף משמעותי במדעי המחשב הוא חקר ויישום שפות פורמליות לפתרון בעיות חישוביות מסוימות (לדוגמה, באמצעות שפת תכנות).

שפת תכנות היא אוסף של חוקים תחביריים (Syntax) וסמנטיים (Semantic) שבאמצעותם ניתן להגדיר למחשב באופן מפורט את הפעולות שעליו לבצע במצבים שונים, על סוגי קלט שונים. המושג שפת מחשב (Computer Language), הוא מושג רחב מאשר שפת תכנות (Programming Language) ולכן השימוש בו נפוץ יותר.

שפת התכנות במהותה נועדה לגשר בין המחשב, ששפתו, הקרויה שפת מכונה, מורכבת מרצפי סיביות, לבין המתכנת שמעדיף לתקשר בצורה מילולית יותר, כמו גם לאפשר תקשורת טובה בין המתכנתים. השימוש בשפת תכנות לשם כתיבת תוכנית מחשב קרוי תכנות. על מנת להקל על המלאכה, שפת התכנות מציעה מבחר כלים המשמשים להפשטה, ארגון וביאור הקוד, כגון מבני בקרה (לולאות, תנאים, מתגים וכדומה), פרוצדורות, עצמים, וכו'.

מדען נבחר
שפי גולדווסר

שפי גולדווסר (נולדה ב-1958), חוקרת ישראלית-אמריקאית בעלת שם עולמי בתחום מדעי המחשב והקריפטוגרפיה. גולדווסר היא פרופסור להנדסת חשמל במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ופרופסור למתמטיקה במכון ויצמן למדע ברחובות. על הישגיה פורצי הדרך במדעי המחשב הוענק לגולדווסר פעמיים פרס גדל במדעי המחשב התאורטיים, בשנים 1993 ו-2001. בשנת 1998 הוענק לה פרס RSA במתמטיקה על תרומותיה הייחודיות לקריפטוגרפיה, ובשנת 2012 זכתה יחד עם סילביו מיקאלי בפרס טיורינג היוקרתי.

עם תחומי המחקר של גולדווסר נמנים תורת הסיבוכיות, קריפטוגרפיה ותורת המספרים החישובית. גולדווסר הייתה שותפה להמצאתן של הוכחות באפס ידע, מרכיב חשוב בבנייתם של פרוטוקולים קריפטוגרפיים. בתחום תורת הסיבוכיות עסקה עבודתה בין השאר במיון של מחלקות סיבוכיות. גולדווסר הדגימה כי בעיות NP-שלמות מסוימות נותרות כאלה גם כאשר מחפשים רק פתרון מקורב להן.

על שמה קרויות תגליותיה הצפנת בלום-גולדווסר והצפנת גולדווסר-מיקאלי.

קטע הקוד השנוי במחלוקת קועקע על זרוע מפגין

בעוד חוקי הייצוא של ארצות הברית אוסרים על יצוא נשק ואמצעי הצפנה חזקים, ייצוא של ספרים אינו יכול להיות מוגבל, עקב חופש הדיבור המעוגן בחוקה. בשנת 1993 נפתחה חקירה פלילת כנגד פיל צימרמן בעילה שהפצת תוכנת ההצפנה PGP שפיתח ופרסם ברשת היוזנט, הינה עברה על חוקי הייצוא. כתגובה לכך, פרסם צימרמן ספר, שהכיל הדפסה של קוד המקור של תוכנת PGP. על ספר זה לא קיימת הגבלת ייצוא, וכל אדם החפץ בתוכנה יכול היה לסרוק את דפי הספר ובכך לטעון את התוכנה אל מחשבו.

חוקי ייצוא הצפנה בארצות הברית עדיין קיימים, אך עברו שינוי מהותי במהלך שנות ה-90 לאור מקרה זה, וכיום ניתן להפיץ תוכנה הכוללת הצפנה בצורה קלה יחסית.

אנחנו יכולים לראות רק מעט קדימה, אבל אנחנו יכולים לראות שיש שם הרבה עבודה.


HASHTB08-he.svg

ספר טלפונים קטן כטבלת גיבוב.
ניתן לראות כיצד המפתחות השמיים מוחלפים באינדקסים מספריים באמצעות פונקציית גיבוב; כך ניתן לגשת לרשומות.


7n graph with minimal spanning tree.svg

גרף הינו אחד ממבני הנתונים השימושיים ביותר. בדוגמה לעיל, עץ פורש מינימלי, אשר מתאר את אוסף הקשתות בעל המשקל הנמוך ביותר, אשר מכסה את כלל צמתי הגרף.

מדעי המחשב, בהיותם מדע, מתבססים על יסודות מתמטיים רבים מתחום האלגברה, הקומבינטוריקה והלוגיקה. מדעי המחשב מציעים מגוון של מבני נתונים מופשטים המהווים מודל מתמטי נוח עבור בעיות יום-יומיות. שימוש במודלים אלו מאפשר גיבוש, ניתוח ומיטוב אלגוריתמים עבור בעיות אלו.


Maquina.png המחשה ציורית של רעיון מכונת טיורינג

חישוביות הינה תחום תאוריה בסיסי במדעי המחשב אשר עוסק ביכולת החישוב של מחשב: מה ניתן ומה לא ניתן לחשב על ידי מחשב. הניתוח המדעי מבוסס על מודל מתמטי עבור מכונת חישוב אשר נקרא מכונת טיורינג. סיבוכיות חישובית היא ענף של תחום החישוביות אשר מתמקד בפונקציות אשר ניתן לחשב במחשב, ועוסק ביעילות הביצוע של אותו חישוב: כמה מהר ניתן לעשותו, מה הזיכרון המינימלי הנדרש וכיוצא בזה.

LampFlowchart-he.svg

תרשים זרימה הינו כלי נפוץ לתיאור אלגוריתם.

אלגוריתם הוא דרך שיטתית (כלומר כזו שצעדיה מוגדרים היטב) לביצוע של משימה מסוימת במספר סופי של צעדים. מתכון להכנת עוגה הוא דוגמה לאלגוריתם, אך בדרך-כלל משמש מושג זה לפתרון בעיות במתמטיקה או במדעי המחשב. כל תוכנית מחשב היא אלגוריתם, או אוסף של אלגוריתמים.

מקור המלה בשמו של המתמטיקאי הפרסי בן המאה התשיעית, אבו ג'עפר מחמד אל ח'ואריזמי, אבי תורת האלגברה.


Sub main()
   msgbox("Hello World!") 
End Sub

דוגמה לתוכנת Hello World הכתובה בשפת Visual Basic

תוכנה הינה שם כללי לתוכניות מחשב, שגרות, ותיעוד המשמשים מערכות מחשוב. תכנות הינו תהליך הכתיבה, הבדיקה והתחזוקה של קוד המקור של תוכנית מחשב. מלאכת התכנות ממירה בין האלגוריתם הרצוי לבין שפת תכנות אשר מאפשרת הפעלת האלגוריתם בצורה ממוכנת.


למידע - לחצו על הלשונית המתאימה

[עריכה]
מבנה בסיסי של אלמנט ברשת עצבית מלאכותית, שהינה ניסיון למצוא מודל חישובי המדמה פעולת המוח האנושי

בינה מלאכותית היא ענף של מדעי המחשב העוסק ביכולתם של מחשבים לפעול באופן המציג יכולות השמורות עד כה לבינה האנושית בלבד. מכיוון שמחשב יכול לבצע פעילויות מוגדרות במהירות רבה ביותר, לעיתים נוצרת התחושה שהוא מדמה פעולה אינטליגנטית, כגון יכולת משחק שחמט או ניהול שיחה.

בשנת 1950 הוגדר הכלי שבעזרתו ניתן לקבוע האם מכונה הגיעה לרף האינטליגנציה האנושית, במבחן הקרוי מבחן טיורינג: "אם יינתן לאדם, היושב בחדר סגור, לנהל שיחה באמצעות ממשק מחשב (Console) עם ישות שנמצאת בחדר השני, כאשר אותה ישות תהיה או אדם או מכונה, והמשוחח לא יוכל לזהות האם מולו ניצב אדם או מכונה, או-אז המכונה תחשב לתבונית.


[עריכה]
הקְמוֹר של אוסף של נקודות במישור הדו-ממדי (בכחול). ניתן לחשוב על הקמור כעל גומייה שנמתחה כך שתקיף את כל הנקודות, ולאחר מכן שוחררה.

גאומטריה חישובית היא תחום במתמטיקה ובמדעי המחשב העוסק במבני נתונים ובאלגוריתמים לפתרון בעיות גאומטריות.

הבעיות הנדונות בתחום זה נוגעות לעצמים גאומטריים כמו נקודות, קטעים ומצולעים במישור, או לנקודות, לקטעים, למשטחים וכדומה במרחב מממד גבוה יותר.

המחקר העיוני בגאומטריה חישובית מיושם בתחומים אחרים במדעי המחשב, כגון: ראייה ממוחשבת, גרפיקה ממוחשבת, רובוטיקה ומערכות תיב"ם וכן בתחומים שאינם נמנים עם מדעי המחשב, כגון: הנדסה, סטטיסטיקה, מערכת מידע גאוגרפית וביולוגיה מולקולרית.

[עריכה]
תמונה של זברה, המצוירת בעזרת תווי ASCII‏ בלבד, מהווה דוגמה לתחום בשנותיו הראשונות, בה אמנות ASCII‏ היוותה גורם מרכזי

גרפיקה ממוחשבת היא תחום במדעי המחשב העוסק בשילוב של תמונות ובעיבוד תמונה באמצעות מחשב. גרפיקה ממוחשבת מתייחסת בדרך כלל לגרפיקת תלת ממד אף כי היא כוללת גם גרפיקה דו-ממדית. התחום התיאורתי כולל מספר רב של אלגוריתמים שונים העושים שימוש בשיטות הלקוחות מאנליזה וקטורית, גאומטריה אנליטית ועיבוד אותות.

שימוש בגרפיקה ממוחשבת (ובפרט בגרפיקת תלת ממד) לצורך יצירת אנימציה קרוי אנימציה ממוחשבת. לטכנולוגיה זו שימושים רבים בקולנוע, בטלוויזיה ובמשחקי מחשב. היכולת של הגרפיקה הממוחשבת (ובפרט גרפיקת תלת ממד) לייצר תמונות ריאליסטיות משמשת גם באדריכלות, רפואה ובתחומי תעשייה אחרים.

תחום אחר בגרפיקה הממוחשבת, עיבוד תמונה, משמש בעיקר לעיבוד תמונות שצולמו במצלמה. בעזרת שיטות אלה אפשר לתקן פגמים שנפלו בצילום, לשנות את תכונות התמונה כולה או חלקים ממנה, וכן ליצור אפקטים מיוחדים כגון מורפינג.


[עריכה]

ספירת בלוך המתארת את מושג הסיבית הקוונטית.

חישוב קוונטי הינו תחום במדעי המחשב בו מכונת החישוב פועלת על פי עקרונות הפיזיקה הקוונטית ומוגבלת אך ורק על ידי חוקים פיזיקליים אלו. להבדיל ממכונת החישוב ה"קלאסית" (מכונת טיורינג הפועלת לפי חוקי הפיזיקה הקלאסית), המחשב הקוונטי יודע לעבד ביטים-קוונטיים, קיוביטים, בעלי התכונה המוזרה שמצבם אינו בהכרח '0' או '1' אלא יכול להיות סופרפוזיציה שלהם. מודל חישובי זה מאפשר ביצוע אלגוריתמים קוונטיים בעלי מקביליות גבוהה, ויעילות טובה יותר מהאלגוריתם הקלאסי הרגיל.

כח החישוב של מחשב קוונטי אינו גדול יותר מאשר של מחשב רגיל, אך כאמור יעילותו גבוהה יותר. פעולות כמו מציאת גורם ראשוני של מספר גדול, או מציאת מפתח של צופן, ניתנות לביצוע במחשב קוונטי ביעילות פולינומית, לעומת היעילות האקספוננציאלית של מחשב קלאסי.


[עריכה]
Symmetric.jpg

קריפטוגרפיה היא ענף במתמטיקה ובמדעי המחשב העוסק בהיבטים השונים של אבטחת מידע בכלל והצפנה בפרט. דוגמאות לנושאים שקשורים באבטחת מידע:

השם "קריפטוגרפיה" מקורו במילה היוונית "קריפטו" שמשמעותה נסתר או אמנות ההסתרה. בתרגום חופשי פירוש השם הוא תורת ההצפנה, אם כי משמעותו מקיפה יותר.


[עריכה]
אות דגום ב-PCM

תורת הקודים היא תחום במתמטיקה ובמדעי המחשב שעוסק בהעברה יעילה של מידע דרך מערכת מציאותית שיוצרת שגיאות ברצף. כאשר מעבירים מידע דרך מוליך טוב ככל שיהיה (גלי רדיו, קווי טלפון), נופלות טעויות במידע כתוצאה מרעשי רקע שנוצרים מסיבות טכניות בעיקר. שגיאה קטנה ככל שתהיה יכולה לעוות את המידע המתקבל ולהפוך אותו לחסר משמעות, או לבעל משמעות שונה מהרצוי. הבעיה קיימת מאז ומעולם גם בשפת הדיבור והכתיבה. ניתן לראות טעויות דפוס שנובעות מהחלפת אותיות כמעט בכל ספר שיוצא לשוק. בעיה זו נעשתה חריפה במיוחד בתקשורת בין מחשבים, בה שינוי של ביט אחד במסר יכול להרוס את החישוב כולו.

בתורת הקודים מפותח מושג הקוד וכן גם כלים שמאפשרים הבחנה ותיקון שגיאות במידע המתקבל.



Knuth 2 3.JPG

Donald E. Knuth, The Art of Computer Programming, vol 2 & 3, Addison-Wesley Publishing Company

תיאור של מדף ספרים במדעי המחשב לא יהיה שלם בלי לכלול בו את סדרת ספריו החלוצית של דונלד קנות', The Art of Computer Programming. החלק הראשון בסדרה יצא לאור בשנת 1968, ובו הבטחה לסדרה בת שבעה כרכים. אחריו יצאו לאור עוד שני חלקים, וכל השלושה זכו למהדורות נוספות, מעודכנות ומורחבות. ספרי הסדרה עוסקים בצורה מעמיקה בנושאי יסוד במדעי המחשב: אלגוריתמים, מבני נתונים, מספרים אקראיים, אריתמטיקה, מיון וחיפוש. קנות' ממשיך לעבוד על חלקים נוספים בסדרה ועל מהדורות נוספות לחלקים שכבר יצאו לאור.



P mathematics.svg P computing.svg P At sign.png P Hello World.svg
- פורטל המתמטיקה - פורטל המחשבים - פורטל האינטרנט - פורטל התוכנה


Tools blue.svg

רוצים לעזור? הנה כמה משימות שבהן אתם יכולים לתרום:
  • כאן וכאן אפשר למצוא ערימה של קצרמרים בתחום מדעי המחשב שרק מחכים שירחיבו אותם.
  • מה שווה דף בקשת תמונות ואיורים אם לא מתייחסים אליו?
  • ישנם ערכים שאי אפשר שיישארו במצבם הנוכחי וצריך לעבור עליהם ולתקן אותם בהקדם, ראו מסגרת "ערכים דורשי שיפור".

מצאו ערכים לשיפור בנושא מדעי_המחשב: לשכתובלעריכהלהשלמהקצרמריםחדשיםדורשי מקורלפישוטבלי תמונה (יש לגלול את המסך כלפי מטה)

מהו פורטל? - רשימת כל קטגוריות המשנה והערכים