лекции полностью

1. Теоретические основы информатики

1.1. Основные понятия информатики

Информатика как наука стала развиваться с середины ХХ столетия. Ее возникновение неразрывно связано с появлением ЭВМ и начавшейся компьютерной революцией. Для того чтобы лучше понять, что составляет предмет и задачи информатики, полезно проследить историю ее появления. Несмотря на то, что первые ЭВМ имели весьма ограниченные возможности и использовались большей частью для проведения числовых расчетов в области физики, математики и механики (атомная физика, баллистика, летательная техника, криптография), сразу было ясно, что ЭВМ представляет собой универсальный преобразователь информации. И с первых дней появления ЭВМ возникла кибернетика – наука о преобразовании информации в целенаправленных системах различной природы.

По мере развития компьютерной техники и роста ее возможностей расширялся круг задач, решаемых с ее помощью. К середине 60-х годов ХХ века ЭВМ стали широко использоваться в области экономики и административного управления. К этому периоду относится возникновение термина информатика в его современном понимании.

Термин информатика (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и

дословно означает информационная автоматика.

Широко распространён также англоязычный вариант этого термина - сomputer science, что означает буквально компьютерная наука.

Внашей стране термин информатика в современном толковании начал использоваться после выхода в 1976 г. русского перевода книги Ф.Л. Бауэра

иГ. Гооза «Введение в информатику».

В1978 году международный научный конгресс официально закрепил за понятием информатика области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации - массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей.

В1983 году сессия Общего собрания Академии наук СССР приняла решение об организации в Академии нового отделения – информатики, вычислительной техники и автоматизации. При этом информатика

обозначения науки об управлении в различных системах, а сама кибернетика сегодня стала составной частью информатики.

Таким образом, информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее. Информатика призвана изучать законы и методы

Информатика Пчелинцева Е.Г.

измерения (оценки), хранения, переработки и передачи информации с применением математических и технических средств. По мере развития компьютерной техники, расширения круга решаемых с ее помощью задач расширяется и углубляется круг понятий, вкладываемых в термин

информатика.

На сегодняшний день информатика представляет собой комплексную научно-техническую дисциплину. Под этим названием объединяется довольно обширный комплекс наук, каждая из которых занимается изучением одного из аспектов понятия информация. Учеными предпринимаются интенсивные попытки по сближению наук, составляющих информатику. Однако процесс сближения этих научных дисциплин идет довольно медленно, поэтому создание единой и всеохватывающей науки об информации представляется делом будущего.

Инфоpматика - это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.

Предметом информатики как новой фундаментальной науки выступает информационный ресурс (ИР), представляющий симбиоз знания и информации. Информатика изучает его сущность, законы функционирования, механизмы взаимодействия с другими ресурсами общества и воздействия на социальный прогресс. Переход на уровень ИР в его содержательной трактовке означает переход к изучению внутренних связей и закономерностей социальной динамики, основанной на использовании информационных технологий (ИТ).

Информатика как наука о законах получения, передачи и использования ИР в общественной практике подводит теоретический фундамент под использование ЭВМ и автоматизированных систем, которые и предназначены для усиления информационных процессов в обществе, использования ИР. Речь идет прежде всего о специальных ИР, основанных на компьютерной технике и реализующих ИТ, т.е. инженерную обработку знаний (Knowledge Engineering).

Необходимо разграничивать предмет информатики и ее объект, представляющий основанные на ЭВМ вычислительные системы, программы, сети связи и т. д. Без ЭВМ нет информатики, но нельзя объявлять информатику наукой об ЭВМ. Конечно, практическая необходимость в информатике возникла в связи с использованием ЭВМ. Но, «оттолкнувшись от ЭВМ», информатика во главу угла ставит новые понятия: информационные ресурсы общества, их социальная полезность, отдача.

Информатика - это наука, изучающая три раздела:

методы реализации информационных процессов средствами вычислительной техники (СВТ);

состав, структуру, общие принципы функционирования средств вычислительной техники;

принципы управления средствами вычислительной техники.

1.Методы реализации информационных процессов находятся на стыке информатики с теорией информации, статистикой, теорией кодирования, математической логикой, документоведением и т.д.

В этом разделе изучаются вопросы:

представление различных типов данных (числа, символы, текст, звук, графика, видео и т.д.) в виде, удобном для обработки СВТ (кодирование данных);

форматы представления данных (предполагается, что одни и те же данные могут быть представлены разными способами);

теоретические проблемы сжатия данных;

структуры данных, т.е. способы хранения с целью удобного доступа к данным.

2.При изучении состава, структуры, принципов функционирования средств вычислительной техники используются научные положения из

электроники, автоматики, кибернетики. В целом этот раздел информатики известен как аппаратное обеспечение (АО) информационных процессов. В этом разделе изучаются:

основы построения элементов цифровых устройств;

основные принципы функционирования цифровых вычислительных устройств;

архитектура СВТ - основные принципы функционирования систем, предназначенных для автоматической обработки данных;

приборы и аппараты, составляющие аппаратную конфигурацию вычислительных систем;

приборы и аппараты, составляющие аппаратную конфигурацию компьютерных сетей.

Технические средства (аппаратура компьютеров) в английском языке обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как «твердые изделия».

3.В разработке методов управления средствами вычислительной

техники (а средствами цифровой вычислительной техники управляют программы, указывающие последовательность действий, которые должно выполнить СВТ) используют научные положения из теории алгоритмов, логики, теории графов, лингвистики, теории игр. Этот раздел информатики известен как программное обеспечение (ПО) СВТ.

Для обозначения программных средств, под которыми понимается

совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их созданию и применению, используется слово Software

(буквально - «мягкие изделия»), которое подчеркивает равнозначность самой машины и программного обеспечения, а также способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться и развиваться.

Программированию задачи всегда предшествует разработка способа ее решения в виде последовательности действий, ведущих от исходных данных к искомому результату, иными словами, разработка алгоритма решения задачи. Для обозначения части информатики, связанной с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения, применяют термин Brainware (англ. brain - интеллект).

Вэтом разделе изучаются:

средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением, объединяемые понятием интерфейс;

программное обеспечение СВТ (ПО).

Схематично структура информатики представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Структура информатики

Третья составляющая информатики - программное обеспечение - неоднородна и имеет сложную структуру, включающую несколько уровней: системный, служебный, инструментальный, прикладной.

На низшем уровне находятся комплексы программ, осуществляющих

используемые при обслуживании различных устройств (гибкого и жесткого

комплексы программ для создания других программ. Процесс создания

компьютер посредством инструментального программного обеспечения. Программы инструментального программного обеспечения управляются системными программами, поэтому они относятся к более высокому уровню.

большинство из них в настоящее время имеет какие-либо свои прикладные программные продукты. Прикладное программное обеспечение также управляется системными программами и имеет более высокий уровень.

В рамках информатики решаются как теоретические, так и прикладные задачи.

Основной теоретической задачей информатики является определение общих закономерностей, в соответствии с которыми происходят создание научной информации, ее преобразование, передача и использование в различных сферах человеческой деятельности.

Теоретическая информатика рассматривает все аспекты разработки автоматизированных информационных систем: их проектирования, создания и использования не только с формально-технической, но и содержательной стороны, а также комплекс экономического, политического и культурного воздействия на социальную динамику. В орбиту анализа теоретической

информатики попадают и традиционные системы преобразования информации и распространения знаний: средства и системы массовой информации, система лекционной пропаганды, кино, театры, справочные службы и т.д. Но теоретическая информатика рассматривает их с определенной стороны - с позиций получения и использования информационного ресурса (ИР), форм и способов воздействия указанных систем на общественный прогресс, возможной их технологизации.

Теоретическая информатика изучает ИР, законы его функционирования и использования как движущей силы социального прогресса, а также общие, фундаментальные проблемы информационных технологий (ИТ) как исторического феномена, выводящего общество на новую ступень развития.

Теоретическая информатика изучает общие свойства, присущие всем многочисленным разновидностям конкретных информационных технологий, процессов и сред их протекания, для которых характерны такие понятия, как

носители информации, каналы связи, информационные контуры, сигналы, прямые и обратные связи, данные, сведения и т.д. Все они описываются такими характеристиками, как надежность, эффективность, релевантность, достоверность, информационный шум, избыточность и др.

Все они делятся на различные фазы и подпроцессы: прием, кодирование,

передача, декодирование, хранение, извлечение, отображение информации.

Решающее значение для рождения теоретической информатики имеет появление ИТ высшего уровня, основанных на искусственном интеллекте

(ИИ).

Прикладные задачи информатики заключаются в разработке эффективных методов и средств осуществления информационных процессов, в определении способов оптимальной научной коммуникации с широким применением технических средств.

Прикладная информатика изучает конкретные разновидности ИТ, которые формируются с помощью специальных информационных систем (ИС) – управленческих, медицинских, обучающих, военных, криминалистических и др. Очевидно, что такие ИТ, как, например, управление (АСУП, АСУТП), проектные разработки (САПР) или криминалистика, имея общие черты, будут существенно различаются между собой. Разные операции и процедуры, различное оборудование, специализация критериев и показателей, разная степень замкнутости информационных контуров, даже разные информационные носители, т.е. разные информационные среды, - все это становится объектом изучения конкретных функциональных и отраслевых информатик. Так рождаются ветви прикладной информатики, обслуживающие создание проектирующих систем, экспертных систем, диагностических комплексов, управляющих и других функциональных систем. Возникли также отраслевые ветви

информатики, обслуживающие информатизацию разных сфер социальной и экономической практики - промышленность, науку, медицину, связь и т.д. Поэтому наряду с теоретической информатикой развиваются ее конкретные ветви: экономическая информатика, медицинская информатика, военная информатика и др.

Таким образом, сегодняшнюю цель информатики как области человеческих знаний можно определить как создание и совершенствование системы взглядов на разработку (выбор) рациональных форм использования аппаратных и программных средств ЭВМ при реализации информационных технологий.

Объектом информатики выступают автоматизированные, основанные на ЭВМ и телекоммуникационной технике, информационные системы различного класса и назначения. Информатика изучает все стороны их разработки, проектирования, создания, анализа и использования на практике. Если информация - категория всеобщая, присущая всем историческим периодам, то информатика - категория конкретно-историческая, присущая лишь современному и будущим историческим периодам. На базе ЭВМ рождаются ИС, реализующие специальные технологии сбора, переработки, передачи и применения информации, т.е. рождается объект информатики, что является основным содержанием современной научно-технической революции.

В будущем возникнут (и уже возникают) сложнейшие проблемы взаимодействия искусственного интеллекта (ИИ) в виде сверхсложных вычислительных сетей пятого поколения с такими элементами, как суперЭВМ, актуализируемые базы знаний, персональные компьютеры (ПК), новейшие локальные и глобальные телекоммуникационные системы, и сложившегося естественного социального интеллекта, промышленных роботов массового применения и естественной рабочей силы. Это рождает сверхсложные социальные технологии.

Таким образом, объект информатики, охватывающий все элементы ИТ (технические средства, математическое, алгоритмическое, программное, лингвистическое обеспечения, средства связи во взаимодействии с людьми), резко усложняется.

Под информационной технологией следует понимать совокупность знаний, средств и методов (иными словами, надо ответить на вопросы: что делать? чем делать? как делать?) для реализации системы информационного обслуживания конкретного пользователя.

Особенно сложные инженерные проблемы информатики возникают применительно к телематическим системам в виде «безлюдных» производств

и технологий, в которых интегрированы организационные человекокомпьютерные системы, робототехнические комплексы и новейшие средства связи. Это уже информдинамические объекты (новые исторические феномены) с заложенными в них творческими системами (Creative Systems), в процессе создания и эксплуатации которых мы попадаем в исключительную зависимость от теории - нового комплекса знаний и нового мышления.

Один и тот же объект может изучаться различными науками. Объект познания - это некий фрагмент реального мира, а его предмет - это выбранная для исследования методами данной науки сторона, грань, аспект объекта.

Информатизация общества в части материально-технической базы, математического и программного обеспечения ИТ изучается различными науками: кибернетикой, системотехникой, теорией информации, а в части формирования функциональных подсистем - различными общественными науками: экономикой, правоведением, психологией. В формировании ИТ участвуют и науки, относящиеся к той или иной автоматизируемой области: медицина, когда речь идет о внедрении ЭВМ в здравоохранение; педагогика (компьютеризация учебного процесса); военные науки (использование ЭВМ в военном деле), экономика и т.д. Каждая из указанных наук рассматривает компьютеризацию со своей стороны, прилагает к ней свои законы и принципы.

А какую же сторону рассматриваемого объекта выбирает информатика, делая ее своим предметом? Она выбирает содержательную, смысловую сторону создания и функционирования информационных систем и технологий, связанную с их сущностью, социальной отдачей, полезностью, местом в общественных системах, историческим значением как фактора радикального прогресса и выхода общества на качественно новые исторические рубежи.

Информационные технологии стали новым средством превращения знаний в информационный ресурс (ИР) общества, его новым движущим фактором, средством его эффективного использования. Информационный ресурс стал основным ресурсом человечества, главной ценностью современной цивилизации. Но возникли и сложные проблемы, относящиеся к роли, механизму функционирования, социальным последствиям использования ИР. Для их решения и появилась новая наука - информатика.

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая за революциями в овладении веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не

Одно и то же информационное сообщение (статья в газете,

объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертёж, радиопередача и т.п.) может содержать разное количество информации для разных людей - в зависимости от их предшествующих знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему.

«Информация – это особая совокупность сведений, первичным источником которых является опыт» (А.А.Красовский, Г.С.Поспелов, 1961г.). Так, сообщение, составленное на японском языке, не несёт никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между сообщением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно. Эта точка зрения отражается в таком определении:

«Информация – это новые сведения, позволяющие улучшить процессы преобразования вещества, энергии и самой информации».

Вслучаях, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических устройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и т.п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информационный объём сообщения.

После того как американский ученый и инженер Клод Шеннон в 1948 г. опубликовал работу об основах математической теории связи – теории информации, она нашла применение почти во всех областях науки, где играет роль передача информации в самом общем смысле этого слова. Примерно в те же годы появились первые ЭВМ, ставшие позднее универсальным инструментом для обработки информации. Постепенно учение об информации проникло из кибернетики и информатики в физику, химию, биологию, философию, логику и т.д. Понятие «информация» превратилось в фундаментальное понятие науки и рассматривается под различными углами зрения в многочисленных трудах ученых.

Есть ли между всеми определениями какие-либо точки соприкосновения? Имеем ли мы дело с одним или несколькими понятиями?

Впервоначальном и наиболее узком смысле информация – атрибут разумных существ, людей. Это какие-либо сведения, данные, факты, которые, будучи получены из опыта, наблюдения или путем размышления, зафиксированы в материальной форме для сообщения другому существу или