Теоретическая Информатика
.pdf§ 1. Информатика |
5 |
2°. С т р у к т у р а и н ф о р м а т и к и .
Эт а п ы п р о г р а м м и р о в а н и я
1.Информатика сложилась на стыке ряда наук и научных дисциплин, из которых основными являются: библиотеко-, библиографо-, книго-, архиво- и науковедение, документали- стика, структурная и математическая лингвистика, семиотика, социальная и зоопсихология, логика и математическая логика, теория информации, кибернетика, программирование и ма- тематическое программирование, вычислительная техника и математика. Достижения и методы этих наук и научных дис- циплин в разной степени используются в информатике. Сами они тоже всё в бóльшей степени испытывают влияние идей и методов информатики (см. [Гиляревский]).
Взаимосвязь информатики и всех остальных наук можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.
Математика Информатика Филология
Естественные |
|
Технические |
|
Гуманитарные |
науки |
|
науки |
|
науки |
|
|
|
|
|
Рис. 1. Взаимосвязь информатики и всех остальных наук
В настоящее время информатика состоит из 9 частей, кото- рые можно рассматривать как взаимное пересечение 3 разделов информатики с 3 научными областями (ср. [Могилев]).
Современная информатика состоит из трех разделов:
1)теоретическая информатика (ТИ) — общеобразователь-
ные основы информатики;
2)программирование (П) — создание компьютерных программ;
3)искусственный интеллект (ИИ) — моделирование биоло-
гических основ интеллекта и решение задач с использованием этих моделей.
6 |
Введение. Информатика как научная дисциплина |
Пересекаясь с тремя научными областями, как показано на рис. 2, эти три раздела образуют девять взаимодействующих частей информатики.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
|
|
Девять частей информатики |
||
|
|
|
|
|
|
|
Математика |
Техника |
Алгоритмы |
|
|
|
|
|
|
ТИ |
Представление |
Использование |
Использование ком- |
|
информации |
компьютеров |
пьютерных программ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
П |
Представление дан- |
Устройство |
Создание компьютер- |
|
ных в компьютере |
компьютера |
ных программ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ИИ |
Математические |
Компьютеры |
Программирование |
|
основы ИИ |
в ИИ |
для ИИ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
2. Для решения на компьютере любой задачи необходимы
3компонента, 3 этапа программирования (см. [Гиляревский]):
1)понимание целей и последовательности действий реше- ния задачи;
2)программа как последовательность команд, выполнение которых на компьютере приводит к решению задачи;
3)компьютер и другая оргтехника, при помощи которых реализуется процесс решения задачи.
Каждый из этих этапов требует тесного взаимодействия людей, обладающих специальными знаниями и навыками:
1)задачу ставит и формулирует специалист-постановщик в той области, к которой относится задача;
2)общую схему решения разрабатывают программисты- -аналитики при помощи постановщика;
3)программу решения задачи на компьютере составляют или подбирают аналитик и программисты-кодировщики;
4)эксплуатируют задачу на компьютере специально подго- товленные и обученные программистами пользователи.
Если же программисты-кодировщики пытаются сами ре- шить и эксплуатировать задачу, то результат нередко бывает похож на карикатуру, представленную на рис. 3.
§ 1. Информатика |
7 |
|||||
Как было предло- |
|
|
Как было описано |
|
|
|
|
|
|
|
|||
жено организато- |
|
|
в техническом |
|
|
|
ром разработки |
|
|
задании |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как было спроек- |
|
|
|
Как было реали- |
|
|
тировано веду- |
|
|
|
зовано програм- |
|
|
щим аналитиком |
|
|
|
мистами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как было внедрено
Чего хотел пользо- ватель
Рис. 3. Барьер взаимонепонимания заказчиков и программистов (см. [Гиляревский])
Программисты-аналитики ищут общие закономерности семантической информации и разрабатывают методы алго- ритмического решения типовых информационных задач.
Программисты-кодировщики абстрагируются от семанти- ческого аспекта информации и рассматривают лишь ее знако- во-структурный аспект, т. е. имеют дело с данными.
Специалисты по вычислительной технике создают такие компьютеры, которые в состоянии эффективно работать под управлением любых программ с любыми массивами данных.
В настоящее время необходимо более тесное взаимодейст- вие информатики с вычислительной техникой и программи- рованием, поскольку при разработке компьютеров и их про- граммного обеспечения мало учитывались требования ин- форматики.
3°. У п р а ж н е н и я 1. Чем отличаются функционирование информации и ор-
ганизация данных?
8 Введение. Информатика как научная дисциплина
2. Аспекты информатики
1°. К и б е р н е т и ч е с к и е а с п е к т ы Система — предельно широкое, начальное и не определяе-
мое строго понятие. Система обладает структурой, т. е. состо- ит из относительно обособленных элементов, находящихся в системном взаимодействии, когда система приобретает новое качество, которым не обладает ни один элемент в отдельно- сти. Этим система отличается от сети, состоящей из отдельных элементов, но без системного взаимодействия (см. [Могилев]).
Управляемая система, или система управления (СУ), перехо-
дит в состояния из известного набора путем самоуправления. Кибернетика — наука об управлении, изучающая СУ. Область интересов и приложений кибернетики распро-
страняется на разнообразные биологические, экономические, социальные и информационные системы.
Характерная особенность СУ — возможность переходить в различные состояния под влиянием управляющих воздейст- вий. Всегда есть конечное множество (возможно, очень боль- шое) состояний системы, из которого и производится выбор.
В СУ присутствует механизм управления, чаще всего имеющий вид органов, специально предназначенных для управления, см. рис. 4. Стрелками обозначены воздействия, которыми обмениваются части системы. Стрелка, идущая от управляющей части, обозначает сигналы управления, а от управляемой — информацию о состоянии управляемой части.
Управляющая часть системы, вырабатывающая сигналы управления, называется управляющим устройством (УУ).
Обратная связь — это использование УУ информации о со- стоянии управляемой части системы, см. рис. 4. Обратная связь, усиливающая влияние УУ на управляемую часть, назы-
вается положительной, ослабляющая — отрицательной.
Обратная связь обнаруживается в процессах, протекающих в живых организмах, экономических структурах, роботах. По- ложительная обратная связь усиливает ответ системы на внешнее воздействие, отрицательная — восстанавливает рав- новесие, нарушенное внешним воздействием (см. [Могилев]).
§ 1. Информатика |
9 |
|||
|
|
|
|
|
а |
Управляющая |
|
Управляемая |
|
|
часть |
|
часть |
|
|
|
|
|
|
б |
Управляющая |
|
Управляемая |
|
|
часть |
|
часть |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Кибернетическая система как совокупность управляющей и управляемой частей: а) без обратной связи; б) с обратной связью
Итак, УУ вырабатывает сигналы управления на основе ин- формации о (см. [Могилев]):
1)состоянии управляемой части (при обратной связи);
2)состоянии, в которое нужно привести управляемую часть;
3)воздействиях, внешних для управляющей системы. Совокупность правил переработки в сигналы управления
информации, поступающей в УУ, называется алгоритмом управления. Управление — воздействие на систему с помощью ее УУ, выбранное из множества возможных воздействий.
Выделяют следующие четыре основные задачи управления.
1.Регулирование поддерживает параметры системы около заданных значений, т. е. проводится активная защита — выра- ботка УУ сигналов управления, противостоящих внешним воздействиям. (Пассивная защита делает малой зависимость системы от внешних воздействий без работы УУ.)
2.Выполнение программы используется, когда заранее из- вестно изменение во времени значений параметров системы.
3.Слежение используется, когда изменение во времени зна- чений параметров системы непредсказуемо.
4.Оптимизация устанавливает наилучшего режима работы или состояния управляемой системы.
Пример активной защиты — поддержание постоянной температуры с помощью подогрева или охлаждения, пассивной защиты — теплоизоляция, антикоррозийные покрытия, выполнения программ — развитие организмов из яйцеклеток, се- зонные перелеты птиц, метаморфозы насекомых, слежения — производство товаров при изменении спроса, оптимизации — технологические процессы с минимизацией потерь сырья.
10 |
Введение. Информатика как научная дисциплина |
2°. Э т и ч е с к и е , с о ц и а л ь н ы е и п р а в о в ы е а с п е к т ы
1.Как и в любой другой большой и разветвленной сфере человеческой деятельности в информатике сложились опре- деленные морально-этические нормы поведения и деятельно- сти. Они отличаются от этики повседневной жизни большей открытостью, альтруизмом. Большинство нынешних специа- листов-информатиков сформировались и приобрели свои знания и квалификацию благодаря бескорыстным консульта- циям и содействию других специалистов (см. [Могилев]).
Яркий пример особой психологической атмосферы в среде информатиков — международное движение программистов по свободному распространению созданных ими программ.
Этика — система норм нравственного поведения человека. Порядочный человек не прочтет чужую дискету не потому, что это грозит ему наказанием, а потому, что это безнравст- венно. Не заразит вирусом компьютер и не будет менять его конфигурацию даже из добрых намерений, потому что это
затруднит работу человека и принесет ему неприятности.
2.Автоматизированные информационные системы воздей- ствуют на общественное развитие, меняя социальный облик труда, в первую очередь творческого. Но и сами эти системы появились в результате научно-технического прогресса как ответ на общественную потребность в новой технологии пе- реработки информации (см. [Гиляревский]).
В начале XX века в структуре занятого населения США (о США имеется больше всего статистических сведений) люди, занятые переработкой информации (включая образование, науку, культуру, организационное управление, связь), состав- ляли единичные проценты, а к началу 80-х гг.— более поло- вины. Между тем, их техническая оснащенность намного ус- тупала и еще уступает вооруженности рабочих в промышлен- ности и фермеров в сельском хозяйстве. Поскольку в условиях бумажной информатики рутинные интеллектуальные про- цессы мало производительны, падает и общая производитель- ность труда. Это, в конечном счете, и стало основным стиму- лом информатизации.
§ 1. Информатика |
11 |
В информационной сфере смена технологий и техниче- ских средств предопределена общественной потребностью. Но это видно издалека. Сегодня же, находясь на разломе, будучи участниками этой психологически тяжелой смены, мы склон- ны фетишизировать технические средства.
Информатизация имеет такие положительные последст- вия, как рост производительности труда, интенсификацию труда, изменение условий труда. Но из-за этого меняется но- менклатура профессий, людям приходится менять либо спе- циальность, либо место работы (см. [Могилев]).
Все большее количество данных о гражданине собирается в различных банках данных. В каждом конкретном случае это оправдано, но в результате возникает система прозрачности личности, невиданная ни в одном тоталитарном обществе.
3. Правовое сознание в целом, а в области информатики особенно, у нас находится на низком уровне. Все ли знают от- веты на следующие вопросы (см. [Могилев]):
—можно ли, не копируя купленную программу, предоста- вить возможность пользоваться ею другому лицу?
—кому принадлежит авторское право на программу, соз- данную студентом в ходе выполнения дипломной работы?
—можно сделать резервную копию программы?
—можно ли декомпилировать программу?
—в чем отличие авторского права от имущественного? Ответы на некоторые вопросы очевидны, нельзя: создавать
вирусы, хулиганить в сетях, в некоммерческих телеконферен- циях размещать коммерческую информацию, вскрывать и ис- кажать защищенную информацию и т. д., т. е. совершать по- ступки, подлежащие уголовному преследованию.
Однако ответы на многие вопросы неоднозначны, запутан- ны и требуют по крайней мере специальных знаний.
3°. У п р а ж н е н и я 1. Как вы считаете, является ли интенсификация труда по-
ложительным событием?
12 |
Введение. Информатика как научная дисциплина |
§ 2. Информация и данные
1. Информация
1°. С в о й с т в а и с т р у к т у р а и н ф о р м а ц и и Материальный мир несет энергию в физических телах и
полях, находящихся в постоянном движении и обмениваю- щихся информацией. Имеем формулу мироздания [Степанов]:
материальный мир = материя + энергия + информация.
Важнейшие свойства семантической информации можно разделить на две группы: собственные, относящиеся к инфор- мации как таковой, и потребительские, связанные с потребле- нием информации человеком.
Перечислим собственные свойства информации:
1) неаддитивность информации. Прибавление семантиче- ской информации к уже имеющейся не увеличивает ее сум- марное количество на величину добавки: если A и B — ин- формационные сообщения, K — количество информации, то
K(A) + K(B) ≠ K(A + B), точнее, K(A) + K(B) > K(A + B);
2) некоммутативность информации. Суммарное количест-
во информации зависит от последовательности сообщений: K(A) + K(B) ≠ K(B) + K(A);
3) неассоциативность информации. Суммарное количество информации зависит от сочетания сообщений:
(K(A) + K(B)) + K(C) ≠ K(A) + (K(B) + K(C));
4)независимость содержания информации от формы ее представления;
5)устаревание информации с течением времени.
Опишем потребительские свойства информации:
1)неэквивалентность количество и качества информации.
Ценность информации определяется не ее количеством, а по- требностью конкретного человека в этой информации;
2)неисчезаемость информации при ее использовании;
3)независимость ценности информации для потребителя от количества затрат на ее получение.
§ 2. Информация и данные |
13 |
Семантическая информация дискретна и этим отличается от данных чувственного восприятия и показания приборов, которые могут быть непрерывны.
В плане формы и содержания дискретность информации различна. Например, в плане языкового выражения формой информации являются слова, предложения, отрывки текста, а ее содержанием — понятия, высказывания, описания фактов, гипотезы, концепции, теории, законы, учения.
Отчуждение информации от ее создателей происходит так- же дискретно, в виде отдельных законченных творческих актов.
Эти творческие акты получают материальное воплощение, поэтому основная единица семантической информации — произведение: результат познавательной деятельности, обладаю- щий логической завершенностью и материальной формой.
Письменно изложенное произведение называют документом. Из дискретности информации также вытекает и ее структура, которая имеет иерархический характер. Структура име-
ет также содержательную и формальную сторону.
Классами содержания семантической информации служат:
1)факты.
2)гипотезы, теории и концепции;
3)основы областей знания;
4)мировоззрение;
Иерархическая структура формы семантической информа- ции совпадает с формой своего носителя — данных:
1)буквы;
2)слова;
3)фразы;
4)смысловые фрагменты;
5)произведения;
6)научные документы;
7)потоки научных документов.
Научные документы и их потоки — высший уровень орга- низации в формальной структуре информации и данных. Мотивы ее создания, пути и способы ее распространения и использования имеют особые закономерности.
14 Введение. Информатика как научная дисциплина
2°. Ос об ен н ос т и ин ф орм а ц и и, и н фо рм а ти за ци я. На у ч н о- те х ни че ска я ин ф о р м а ц и я , е е с в о й с т в а Семантическая информация — продукт человеческого труда. Однако в отличие от других продуктов труда она обла-
дает рядом существенных свойств, перечисленных выше:
1)информация не расходуется при ее потреблении и по- хожа на орудия труда, используемые многократно;
2)информация не тождественна своему материальному но- сителю, поэтому она потребляется неограниченное число раз;
3)единственное ограничение на полезное использование информации устанавливается сроком ее устаревания.
Информация — категория нематериальная, и продается не она сама, а право на ее использование.
Н. Винер говорил, что необоснованный подход к инфор- мации как к товару приводит к неправильному пониманию информации и связанных с ней понятий:
Что делает вещь доброкачественным товаром? В сущности, то обстоя- тельство, что она может переходить из рук в руки, прочно сохраняя свою стоимость, а также тот факт, что отдельные образцы этого товара должны арифметически складываться точно таким же образом, как и уплаченные за них деньги. Способность сохранять себя — очень удобное свойство добро- качественного товара… С другой стороны, информацию нельзя сохранить столь просто, ибо… объем переданной информации относится к неадди- тивной величине, подобной энтропии, и отличается от нее алгебраическим знаком и коэффициентом. Подобно тому, как в замкнутой системе энтро- пия стихийно стремится к увеличению, точно также информация стремится к уменьшению; подобно тому, как энтропия — мера дезорганизации, информация — мера организации. Информация и энтропия не сохраняют- ся и в равной мере не пригодны для того, чтобы быть товарами.
Информацию не следует смешивать с информационными изданиями: книгами, периодическими изданиями, описания- ми изобретений, научно-техническими отчетами и другими видами документов, с разнообразными базами данных, ко- пиями документов и т. д. Эти издания выступают в качестве материальных носителей, содержащих информацию, и имеют явно выраженную товарную природу.