Теоретическая Информатика

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

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.

Пересекаясь с тремя научными областями, как показано на рис. 2, эти три раздела образуют девять взаимодействующих частей информатики.

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.

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]).

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.

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.

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?

§ 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.

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.