Rozpoznávání vzorů

Abychom byli schopni řešit problémy, pracovat s daty a vymýšlet algoritmy, musíme být schopni hledat pravidelnosti a vzory. Nalezené vzory se následně snažíme využít pro hledání společných prvků a zobecňování, která nám umožní tvořit efektivní řešení.

Ilustrativní, zjednodušený příklad ze života:

• Karlovi neustále dochází peníze, tak si začal zapisovat výdaje.
• Nejdříve si do sešitku zapisuje výdaje zcela konkrétně, např. „kniha Hobit, 243 Kč“, „chleba a sýr na večeři, 58 Kč“. Z takového zápisu je ale těžké se poučit.
• Karel prohlédne výdaje, najde pravidelně se vyskytující typy výdajů a použije zobecňování: výdaje rozdělí do vhodných kategorií („jídlo“, „oblečení“, „studium“, …).
• Následně si výdaje přepíše do tabulkového editoru. Ten mu umožní snadno vypočítat celkové výdaje v jednotlivých kategoriích.
• Karel tak zjistí, že utrácí až příliš za oblečení. Ví, na čem je, a může s tím něco dělat.

Než se vrhneme na hledání složitějších vzorů, hodí se umět rozpoznat vzory, které jsou úplně stejné. Ani to totiž nemusí být úplně jednoduché. Někdy je potřeba se dobře soustředit na detaily. Jindy mohou být vzory sice stejné, ale trochu jinak otočené a na rozpoznání těch stejných musíme zapojit prostorovou představivost.

Abychom mohli hledat vzory a vytvářet algoritmy, musíme si umět všímat společných vlastností mezi věcmi, které třeba na první pohled vypadají rozmanitě. Hledání společných vlastností je speciální případ Abstrakce, kterou při algoritmizaci často využíváme. Tuto dovednost využijeme například u Rozkladu obrázku na části.

Příklady:

• pes, ves, hrb, kos – společný počet písmen (3)
• kos, sova, vrabec, datel – společné téma (ptáci)
• brečí, výpravčí, lehčí, Meziříčí – společná písmena (slova končí na -čí)

Hledání pravidelností a vzorů v posloupnostech je užitečný trénink základního rozpoznávání vzorů. Pro základní trénink většinou používáme posloupnosti čísel či obrázků s přesně daným pravidelným chováním. Příklady tohoto typu se někdy používají i pro testování inteligence.

Ve složitějších variantách má hledání vzorů v posloupnostech v informatice mnoho aplikací: pomocí nalezených vzorů můžeme například předpovídat budoucí chování, odhalovat chyby v datech nebo provádět kompresi dat.

Kromě níže uvedených interaktivních cvičení je k dispozici také Pracovní list: doplňování vzorů (+ řešení), který obsahuje zadání typu „Ravenovy progresivní matice“, které se často používají v IQ testech (v mřížce 3 × 3 jsou umístěny různé geometrické obrazce, cílem je doplnit chybějící).

Pomocí programů můžeme zapisovat složité algoritmy a popisovat komplikované vzory. Ale pro zápis jednoduchých vzorů nepotřebujeme programovací jazyky, vystačíme klidně i se zápisem pomocí šipek. Ani to nemusí být úplně jednoduché. Třeba taková záměna pořadí šipek může vést k úplně jinému vzoru.

Velmi užitečný přístup k řešení problémů je rozložit problém na dílčí části, které jsou pokud možno co nejvíce nezávislé, a následně řešit tyto části jednu po druhé.

Příklad z běžného života: Potřebujeme se nachystat na putovní výlet na hory. Je potřeba zařídit spoustu věcí a můžeme se cítit přehlceni a snadno na něco důležitého zapomenout. Může pomoct, když si celkový problém příprava na hory rozdělíme na dílčí podproblémy: 1) naplánovat trasu a najít spoj, 2) vymyslet jídelníček a nakoupit jídlo, 3) nachystat tábornické vybavení a zkontrolovat jeho stav, 4) rozmyslet a nabalit oblečení. Tyto dílčí úkoly jsou do velké míry na sobě nezávislé a mohou je tudíž řešit různí lidé. I pokud je řeší ten stejný člověk, tak se při řešení dílčího podproblému může soustředit pouze na něj, což mu postup usnadní.

Příklad z programování: Programy nepíšeme jako dlouhé seznamy příkazů, ale dělíme je na funkce, z nichž každá řeší nějaký dílčí problém. Rozdělení na podproblémy je klíčovým prvkem dobrého návrhu programů.

Rozklad problémů na části je složitá dovednost, kterou se člověk učí dlouhodobou praxí. Pro základní trénink nabízíme příklady s obrázky. Složitě vypadající obrázek často lze vytvořit z jednoduchých částí, které pouze vhodným způsobem poskládáme.