¿Qué es un algoritmo y qué tipos hay?

Un algoritmo es un concepto matemático que, aplicado a la informática, permite la automatización, eficiencia y procesamiento avanzado de instrucciones en áreas como las finanzas, la tecnología, la salud y la logística. Estos sectores demandan, cada vez más, profesionales capaces de aprovechar la gran cantidad de datos que se generan para tomar decisiones y simplificar tareas. Con el Grado en Ingeniería Matemática en Madrid de la Universidad Europea podrás estudiar matemáticas aplicadas a la computación y convertirte en un data scientist.

Algoritmo: significado

Un algoritmo es una secuencia ordenada y finita de instrucciones para realizar un cálculo, desarrollar una tarea o resolver un problema específico. Cada paso en un algoritmo está bien definido y puede ser ejecutado para producir un resultado.

Los algoritmos son la base de la programación y se utilizan para diseñar programas que ejecuten tareas específicas.

Características de un algoritmo informático

Un buen algoritmo es aquel que satisface todas o la mayoría de estas características:

• Finitud: debe tener un número finito de pasos. 
• Claridad y precisión: cada paso debe estar claramente definido y ser preciso. 
• Definición: debe dar el mismo resultado al recibir la misma entrada.
• Eficiencia: debe hacer uso óptimo de los recursos, como el tiempo de ejecución y la memoria.
• Generalidad: debe ser lo suficientemente general como para resolver todos los problemas de una clase determinada.
• Escalabilidad: capaz de manejar grandes volúmenes de datos o crecer sin perder eficiencia.

Usos del algoritmo informático

Los algoritmos informáticos están en el corazón de casi todas las aplicaciones y sistemas tecnológicos modernos y tienen diferentes usos.

• Procesamiento de datos: los algoritmos permiten organizar y analizar grandes volúmenes de información de manera eficiente.
• Inteligencia artificial y aprendizaje automático: gracias a ellos, las máquinas aprenden patrones y predicen comportamientos futuros.
• Seguridad informática: se usan para proteger la información sensible, a través del cifrado o encriptado, y para detectar fraudes.
• Desarrollo de videojuegos y simulaciones: permiten la creación de gráficos en 3D y simulaciones físicas en tiempo real.
• Redes y comunicaciones: se utilizan para reducir la cantidad de datos que necesitan ser transmitidos por internet sin sacrificar la calidad.
• Automatización: controlan el comportamiento de los robots y permiten automatizar tareas repetitivas y rutinarias.
• Optimización de recursos: ayudan a mejorar el uso de recursos, como en la programación de rutas de transporte, o de sistemas como centrales eléctricas o cadenas de suministro.

Tipos de algoritmos

Existen diferentes tipos de algoritmos, cada uno diseñado para abordar distintos problemas y tareas.

Algoritmos de búsqueda

Se utilizan para encontrar un elemento específico dentro de una colección de datos.

• Búsqueda lineal: recorre secuencialmente cada elemento hasta encontrar el que se busca.
• Búsqueda binaria: divide repetidamente el conjunto de datos a la mitad para encontrar el elemento deseado.

Algoritmos de ordenamiento

Se utilizan para reorganizar los elementos de una colección de datos en un orden particular (ascendente o descendente).

• Burbuja (bubble sort): compara elementos adyacentes y los intercambia si están en el orden incorrecto.
• Mergesort: divide el conjunto de datos en mitades, las ordena de manera recursiva y luego las combina.

Algoritmos greedy

Estos algoritmos eligen la solución que parece ser la mejor en cada paso, con la esperanza de encontrar una solución global óptima.

• Problema de la mochila (knapsack problem): elige los elementos que maximicen el valor total sin exceder la capacidad.
• Algoritmo de Huffman: se utiliza para la compresión de datos creando árboles binarios optimizados.

Algoritmos de programación dinámica

Resuelven problemas dividiéndolos en subproblemas más pequeños y almacenando los resultados de estos subproblemas para evitar cálculos repetidos.

• Fibonacci optimizado: usa almacenamiento para calcular los números de Fibonacci en tiempo lineal.
• Problema de la mochila: calcula la solución de manera más eficiente utilizando una tabla que almacena subsoluciones.

Existen muchos más tipos de algoritmos, como el algoritmo backpropagation, el bactracking o los algoritmos de grafos, cada uno con la capacidad de resolver diferentes clases de problemas.

Ejemplo de cómo funciona un algoritmo

Para entender cómo funcionan los algoritmos, vamos a usar un ejemplo muy simple. Supongamos que tenemos que ordenar esta lista de números [5, 3, 8, 4, 2] en orden ascendente. Para ello, vamos a utilizar un algoritmo de ordenamiento por burbuja. Lo que hace este algoritmo es recorrer repetidamente la lista y comparar cada par de elementos adyacentes. Si están en el orden incorrecto (el primero es mayor que el segundo), los intercambia. Este proceso se repite hasta que la lista esté completamente ordenada.

• Primera iteración (i = 0)
• Comparamos 5 y 3. Como 5 > 3, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 5, 8, 4, 2].
• Comparamos 5 y 8. Como 5 < 8, no hacemos nada.
• Comparamos 8 y 4. Como 8 > 4, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 5, 4, 8, 2].
• Comparamos 8 y 2. Como 8 > 2, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 5, 4, 2, 8].
• Segunda iteración (i = 1)
• Comparamos 3 y 5. Como 3 < 5, no hacemos nada.
• Comparamos 5 y 4. Como 5 > 4, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 4, 5, 2, 8].
• Comparamos 5 y 2. Como 5 > 2, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 4, 2, 5, 8].
• Tercera iteración (i = 2)
• Comparamos 3 y 4. Como 3 < 4, no hacemos nada.
• Comparamos 4 y 2. Como 4 > 2, los intercambiamos. La lista ahora es [3, 2, 4, 5, 8].
• Cuarta Iteración (i = 3)
• Comparamos 3 y 2. Como 3 > 2, los intercambiamos. La lista ahora es [2, 3, 4, 5, 8].

Después de estas iteraciones, la lista ha quedado completamente ordenada: [2, 3, 4, 5, 8].

Esta es una demostración sencilla de cómo conceptos relacionados con las matemáticas y la lógica pueden aplicarse para resolver tareas de nuestro día a día.

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