Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Восточно-Сибирский государственный университет

технологий и управления»

(ФГБОУ ВПО ВСГУТУ)

С.Д.Шедеева

КУРС ЛЕКЦИЙ

«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ»

для всех направлений бакалавриата ИПИБ

Улан-Удэ

Издательство ВСГУТУ

2013

УДК 378.09(571.54)

ББК 74.58(2Р-6Бу)

Ш____

Печатается по решению редакционно-издательского совета Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления

Шедеева, Софья Даниловна. Курс лекций «Теоретические основы информатики» – Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2013. – 100 с.

В пособии представлено восемь лекций по дисциплине «Теоретические основы информатики», читаемой на 1 курсе всех направлений бакалавриата Института пищевой инженерии и биотехнологии. Теоретический материал пособия, контрольные вопросы и приведенные решения типовых задач способствуют лучшему усвоению материала, самостоятельной работе и приобретению навыков решения задач, необходимых для успешной подготовки к промежуточному тестированию и итоговой аттестации. Автор не претендует на абсолютную корректность изложения теоретического материала, упростив его для повышения понимания.

Работа подготовлена на кафедре инженерной и компьютерной графики ВСГУТУ.

ББК 74.58(2Р-6Бу)

© ВСГУТУ, 2013

Содержание:

Предисловие 6

Цели и задачи изучения дисциплины 6

Краткая характеристика дисциплины, её место в учебном процессе 6

Лекция1. Понятие «информация». Количество информации 8

1.1. Понятие «информация» и свойства информации 8

1.2. Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний 10

1.3. Алфавитный подход к определению количества информации 14

1.4. Формула Шеннона 15

Контрольные вопросы 17

Лекция2. Системы счисления 18

2.1. Представление числовой информации с помощью систем счисления 18

2.2. Перевод чисел в позиционных системах счисления 22

2.3. Арифметические операции в позиционных системах счисления 26

Контрольные вопросы 28

Лекция3. Кодирование информации 29

3.1. Представление и кодирование информации 29

3.2. Двоичное кодирование информации в компьютере 32

3.3.Кодирование текстовой информации 33

3.4.Кодирование графической информации 34

3.5.Кодирование звуковой информации 41

Контрольные вопросы 46

Лекция4. Основы логики. Логические выражения 47

4.1. Формы мышления 47

4.2. Алгебра высказываний 49

4.3. Логические выражения и таблицы истинности 54

Контрольные вопросы 57

Лекция5. Логические основы компьютера 58

5.1. Логические функции 58

5.2. Логические законы и правила преобразования логических выражений 61

5.3. Логические основы компьютера 63

Контрольные вопросы 66

Лекция6. Основы алгоритмизации 67

6.1. Алгоритмы и их свойства 67

6.2. Основные алгоритмические конструкции 70

Контрольные вопросы 74

Лекция7. Основы программирования 75

7.1. Этапы решения прикладных задач с использованием компьютеров 75

7.2. Программа. Язык программирования 76

7.3. Основы программирования в системе Turbo Pascal 77

7.4. Структура программы на языке Паскаль 81

Контрольные вопросы 86

Лекция8. Моделирование и формализация 87

8.1. Исследование математических моделей 88

8.2. Геометрические модели 91

8.3. Геоинформационные модели 93

8.4. Оптимизационное моделирование 93

8.5. Логические модели 97

Контрольные вопросы 101

Список рекомендуемой литературы: 102

Предисловие Цели и задачи изучения дисциплины

Основная цель дисциплины - формирование у будущих специалистов компьютерной грамотности.

Задачи дисциплины:

• ознакомить с основными понятиями и методами теории информации и кодирования;

• ознакомить с основами логики и логическими основами компьютера;

• ознакомить с основными видами алгоритмов и классификацией языков программирования, используемых для реализации функциональных и вычислительных задач;

• ознакомиться с процессом разработки моделей и их исследованием на компьютере.

Краткая характеристика дисциплины, её место вучебном процессе

В соответствии с рабочим учебным планом дисциплина изучается на 1-м году обучения (во 2 блоке). Общая трудоёмкость освоения составляет 3 ЗЕТ. Дисциплина входит в базовую часть математического и естественнонаучного цикла.

Содержание дисциплины состоит из нескольких основных модулей: основные понятия и методы теории информации и кодирования: меры и единицы количества и объема информации, кодирование данных в ЭВМ, позиционные системы счисления (СС), основные понятия логики высказываний, логические основы ЭВМ; основы алгоритмизации и программирования; моделирование и формализация.

Основу дисциплины составляют задачи освоение практических навыков работы на компьютере, изучение общих вопросов реализации информационных процессов. В курсе закрепляются такие общепредметные умения как классификация (компьютеров, программного обеспечения, языков и стилей программирования, представления информационных моделей, программ и подпрограмм), оценивание (количества информации, результатов расчета), моделирование (информационных моделей, процессов обработки информации).

Дисциплина имеет практическую часть (практические занятия). Студенты применяют теоретические положения для разработки и использования технических и программных средства реализации информационных технологий. Часть заданий меняется, имея нестандартный проблемный характер.

Основные методы и технологии обучения, применяемые при преподавании данной дисциплины, обеспечивают формирование у студентов общекультурных и профессиональных компетенций, предусмотренных ФГОС ВПО по всем направлениям ИПИБ.

Компетенции, сформированные в результате освоения содержания дисциплины «Теоретические основы информатики», необходимы для освоения всех технических дисциплин учебного плана всех курсов – с первого до последнего. Компьютеры, информационные технологии не просто пронизывают все технические дисциплины (точные науки) – они меняют и их самих и методику их преподавания.

Лекция1. Понятие «информация». Количество информации

1.1. Понятие «информация» и свойства информации

Слово «информация» происходит от латинского слова informatio, что в переводе означает сведение, разъяснение, ознакомление. Понятие «информация» является базовым в курсе информатики, невозможно дать его определение через другие, более «простые» понятия. В геометрии, например, невозможно выразить содержание базовых понятий «точка», «луч», «плоскость» через более простые понятия. Содержание основных, базовых понятий в любой науке должно быть пояснено на примерах или выявлено путем их сопоставления с содержанием других понятий.

В случае с понятием «информация» проблема его определения еще более сложная, так как оно является общенаучным понятием. Данное понятие используется в различных науках (информатике, кибернетике, биологии, физике и др.), при этом в каждой науке понятие «информация» связано с различными системами понятий.

Информация в физике. В физике мерой беспорядка, хаоса для термодинамической системы является энтропия системы, тогда как информация (антиэнтропия) является мерой упорядоченности и сложности системы. По мере увеличе­ния сложности системы величина энтропии уменьшается, и величина информации увеличивается. Процесс увеличения информации характерен для открытых, обменивающихся ве­ществом и энергией с окружающей средой, саморазвивающихся систем живой природы (белковых молекул, организмов, популяций животных и так далее).

Таким образом, в физике информация рассматривается как антиэнтропия или энтропия с обратным знаком.

Информация в биологии. В биологии, которая изучает живую природу, понятие «информация» связывается с целесообразным поведением живых организмов. Такое поведение строится на основе получения и использования организмом информации об окружающей среде.

Понятие «информация» в биологии используется также в связи с исследованиями механизмов наследственности. Генетическая информация передается по наследству и хранится во всех клетках живых организмов. Гены представляют собой сложные молекулярные структуры, содержащие информацию о строении живых организмов. Последнее обстоятельство позволило проводить научные эксперименты по клонированию, то есть созданию точных копий организмов из одной клетки.

Информация в кибернетике. В кибернетике (науке об управлении) понятие «информация» связано с процессами управления в сложных системах (живых организмах или технических устройствах). Жизнедеятельность любого организма или нормальное функционирование технического устройства зависит от процессов управления, благодаря которым поддерживаются в необходимых пределах значения их параметров. Процессы управления включают в себя получение, хранение, преобразование и передачу информации.

Социально значимые свойства информации. Человек — существо социальное, для общения с другими людьми он должен обмениваться с ними информацией, причем обмен информацией всегда производится на определенном языке — русском, английском и так далее. Участники дискуссии должны владеть тем языком, на котором ведется общение, тогда информация будет понятной всем участникам обмена информацией.

Информация должна быть полезной, тогда дискуссия приобретает практическую ценность. Бесполезная информация создает информационный шум, который затрудняет восприятие полезной информации. Примерами передачи и получения бесполезной информации могут служить некоторые конференции и чаты в Интернете.

Широко известен термин «средства массовой информации» (газеты, радио, телевидение), которые доводят информацию до каждого члена общества. Такая информация должна быть достоверной и актуальной. Недостоверная информация вводит членов общества в заблуждение и может быть причиной возникновения социальных потрясений. Неактуальная информация бесполезна и поэтому никто, кроме историков, не читает прошлогодних газет.

Для того чтобы человек мог правильно ориентироваться в окружающем мире, информация должна быть полной и точной. Задача получения полной и точной информации стоит перед наукой. Овладение научными знаниями в процессе обучения позволяют человеку получить полную и точную информацию о природе, обществе и технике.