Qu’est-ce qu’un algorithme, son rôle et son fonctionnement ?

Dans un contexte marqué par le Big Data et l’Intelligence Artificielle (IA), les algorithmes font partie intégrante de nombreux aspects de notre vie quotidienne. Ils agissent comme un moteur de l’innovation technologique et scientifique, et ont un impact significatif sur la société moderne. Mais savez-vous exactement ce qu’est un algorithme ?

Qu’est-ce qu’un algorithme ?

Ce terme trouve son origine dans le nom du mathématicien perse Al-Khwârizmî. Au IXe siècle, son travail sur les méthodes de calcul et les équations algébriques s’est répandu en Europe médiévale. Ses écrits ont largement contribué à la diffusion des mathématiques et de l’algèbre. En dehors du Moyen-Orient, Khwârizmî a été transformé en Algoritmi, qui est devenu algorithme.

Selon la définition du dictionnaire français, un algorithme est « un ensemble de règles opératoires dont l’application permet de résoudre un problème énoncé au moyen d’un nombre fini d’opérations ».

Dans le domaine informatique, l’algorithme désigne une série précise et ordonnée d’instructions ou de règles bien définies à suivre pour résoudre un problème ou exécuter une tâche. Cette procédure méthodique décrit comment effectuer des calculs ou des opérations, en spécifiant les étapes à suivre dans un ordre déterminé.

À quoi sert un algorithme ?

Les algorithmes sont fondamentaux dans de nombreux domaines. Leur méthodologie structurée permet de résoudre des problématiques, traiter des données et automatiser des tâches complexes. Ils sont également utilisés pour manipuler, modifier et analyser de grandes quantités de data. Ils permettent d’effectuer efficacement des opérations de tri, de recherche et d’analyse de données. 

Ils sont également présents dans le domaine de l’Intelligence Artificielle. Ils permettent aux machines d’apprendre, de raisonner et de prendre des décisions basées sur des données et des modèles.

Comment fonctionne un algorithme ?

Comme nous l’avons vu, ces règles de calcul sont conçues pour résoudre des problèmes spécifiques ou exécuter des tâches en respectant une séquence d’étapes logiques et ordonnées.

Entrées ou Inputs

Les entrées algorithmiques peuvent prendre différentes formes. Il peut s’agir de nombres, de chaînes de caractères, de tableaux ou de listes par exemple. L’algorithme est alimenté par ces données au début de son exécution. Ce sont donc celles-ci qui servent de point de départ à toutes les opérations à venir.

Opérations de calcul

Les opérations de calcul correspondent à des actions effectuées sur les données d’entrée. Elles peuvent inclure des calculs mathématiques simples, mais aussi des opérations logiques comme des comparaisons, des conditions et des boucles. D’autres opérations peuvent impliquer la manipulation de structures de données : tri, recherche, insertion et suppression d’éléments.

Sorties ou Outputs

Il s’agit des résultats ou des données produites suite aux opérations de calcul effectuées sur les entrées. Les résultats peuvent sous forme de valeurs numériques, d’états booléens, de chaînes de caractère ou encore de tableaux modifiés. 

Quels sont les principaux types d’algorithmes utilisés en IA ?

En intelligence artificielle, il existe différents algorithmes. Chacun va traiter des tâches spécifiques et modéliser des processus cognitifs complexes.

Les algorithmes d’apprentissage supervisé

L’apprentissage supervisé fait partie des techniques de Machine Learning utilisant des ensembles de données étiquetés. Ils entraînent des modèles prédictifs capables de produire des résultats précis. Citons quelques exemples :

• l’algorithme de régression linéaire, y = c + b * x ; 
• l’algorithme de régression logistique h(x) = 1 / (1 + e^-x) ; 
• les machines à vecteurs de support ou SVM ; 
• les Arbres de décision ;
• l’algorithme de Naive Bayes ;
• l’algorithme KNN, K-Nearest Neighbors ou K-plus proches voisins.

 

Les algorithmes d’apprentissage non supervisé

Les algorithmes d’apprentissage non supervisé travaillent avec des ensembles de données non étiquetés pour identifier des schémas et des structures cachés. K-Means, les algorithmes de regroupement hiérarchique ou le mélange de modèles gaussiens ou GMM font partie des plus usités. 

Les algorithmes d’apprentissage par renforcement

C’est l’un des domaines de recherche les plus populaires en IA. Les algorithmes d’apprentissage par renforcement sont capables d’apprendre de leurs erreurs. Ils ajustent leur comportement en fonction des réactions obtenues, puis s’améliorent pour multiplier ses chances de réussite à la prochaine itération. On retrouve dans cette catégorie les algorithmes Q-Learning, ou encore Deep Q-Networks.

Quels sont les défis et les limites liés aux algorithmes ?

S’ils sont devenus essentiels dans de nombreux domaines, les algorithmes sont toutefois confrontés à plusieurs défis et limites.

Les risques liés aux données de mauvaise qualité

Les algorithmes sont totalement dépendants de la qualité et la quantité des données injectées. Dans le cas d’un ensemble de données insuffisant, les performances prédictives et les analyses peuvent s’avérer peu fiables. S’ils sont alimentés par des données de mauvaise qualité, ils peuvent produire des résultats erronés et mener à prendre de mauvaises décisions.

Biais et équité, des défis majeurs à surmonter

S’ils offrent de nombreux avantages, les algorithmes sont néanmoins fortement confrontés aux risques de biais et de manque d’équité. Par exemple, l’utilisation de données historiques biaisées peut perpétuer des inégalités existantes. Cela se traduit alors par des décisions discriminatoires et injustes. De plus, les ensembles de données non représentatifs peuvent entraîner des modèles qui ne prennent pas en compte la diversité des expériences humaines.

Dans ce contexte, faire preuve de responsabilité et de transparence devient un enjeu majeur. Pour remédier à ces problèmes, il est impératif de mettre en place des pratiques d’apprentissage éthiques. Il faut alors diversifier les ensembles de données, détecter et atténuer les biais.

Le facteur humain au cœur du fonctionnement algorithmique

Les algorithmes ne sont que des ensembles d’instructions créés par des humains. Une simple erreur au niveau du code peut conduire à des résultats problématiques. Bien que les développeurs mettent en place des actions pour corriger les erreurs, il demeure néanmoins un risque qu’elles ne soient pas identifiées ou pas suffisamment tôt.

L’humain peut également avoir un impact au niveau des biais. Les normes culturelles et sociales risquent en effet d’influencer la manière dont les individus perçoivent et interprètent les informations. À la sortie, cela se traduit par un algorithme dont la programmation est impactée par des préférences ou des jugements subjectifs.

Quelles sont les applications des algorithmes ?

Comme nous l’avons dit précédemment, les algorithmes trouvent des applications dans de nombreux domaines. Leur utilisation est devenue essentielle pour résoudre une variété de problématiques.

La recommandation de contenu

Des plateformes comme Netflix, Amazon ou Spotify utilisent des algorithmes de filtrage collaboratif. Ils leur permettent d’analyser les préférences des utilisateurs afin de leur recommander des contenus susceptibles de les intéresser.

Les véhicules autonomes

Les voitures autonomes sont capables de détecter les panneaux de signalisation, les feux de circulation et les piétons. Pour cela, ils font appel à des algorithmes de traitement d’image et de détection d’objets.

La reconnaissance vocale

Les algorithmes de traitement du langage naturel sont utilisés par les assistants virtuels, comme Siri d’Apple et Alexa d’Amazon. Ils convertissent la parole en texte, afin que les utilisateurs puissent communiquer avec des appareils électroniques à l’aide de commandes vocales.

La cartographie et la navigation

Les algorithmes de cartographie analysent en temps réel les données de trafic, les accidents et les conditions routières. Ils peuvent ainsi faciliter la navigation pour les conducteurs en proposant des itinéraires optimaux via des applications dédiées, comme Google Maps ou Waze.

La détection de fraude

En analysant les schémas de comportement des utilisateurs et les transactions financières, les algorithmes de Machine Learning parviennent à détecter d’éventuelles activités frauduleuses. Ils sont également largement utilisés dans le trading algorithmique et la modélisation financière.

Comment concevoir des algorithmes ?

Les algorithmes sont écrits dans des langages de programmation comme Python, Java et C++. Ils offrent une grande flexibilité et disposent d’une puissance de calcul adaptée à leur conception et à l’implémentation d’algorithmes. Des environnements de programmation spécifiques, type R et MATLAB, sont souvent privilégiés dans des domaines spécialisés comme l’analyse de données, la modélisation statistique et le traitement du signal.

En général, pour concevoir un algorithme fonctionnel, vous devez procéder par étape :

• comprendre la problématique, en identifiant les entrées, les sorties attendues et les contraintes ; 
• évaluer les limites de performance acceptables pour votre algorithme ; 
• sélectionner les structures de données appropriées pour répondre aux exigences du problème ; 
• concevoir une stratégie générale de résolution et la décomposer en étapes détaillées et spécifiques ; 
• identifier des cas de test pertinents couvrant un large éventail de situations ; 
• analyser les performances de l’algorithme et, au besoin, identifier les goulots d’étranglement potentiels ; 
• documenter soigneusement l’ensemble du processus de conception.

 

Quels sont les domaines où l’algorithme joue un rôle crucial ?

En contribuant à l’amélioration de l’efficacité, la précision et la rapidité des processus, les algorithmes jouent un rôle crucial dans de nombreux domaines.

En informatique et dans la Tech

Les algorithmes sont fondamentaux pour le développement de logiciels et la programmation informatique. Ils s’appliquent également dans les domaines de la cryptographie, la conception de systèmes informatiques et la gestion des données.

La science des données et l’IA

Les algorithmes sont au cœur de l’analyse de données et du Machine Learning. Ils contribuent à la compréhension des modèles complexes et à la prise de décisions basées sur des données.

Dans le domaine de la santé

Le diagnostic médical, la recherche clinique et la gestion des dossiers médicaux sont des exemples d’application des algorithmes dans ce secteur. 

Quel futur pour les algorithmes ?

Avec les avancées rapides en IA, en informatique quantique et en traitement des données, les algorithmes vont devenir de plus en plus sophistiqués. De plus, en accentuant l’éthique et la transparence dans le développement des algorithmes devraient conduire à une utilisation plus responsable et plus juste.

L’informatique, la Data Science et l’Intelligence Artificielle sont des secteurs en plein essor, offrant des perspectives de carrière à long terme. La connaissance et la maîtrise des algorithmes sont des compétences essentielles pour exercer dans ces domaines.