Основы информацинных технологий
.pdf
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ИНСТИТУТ ПОДГОТОВКИ НАУЧНЫХ КАДРОВ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ»
ОСНОВЫ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Под общей редакцией кандидата физико-математических наук, доцента
В.В. Шкурко
Учебно-методическое пособие для магистрантов и аспирантов физико-математических и технических специальностей
Минск
2008
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ "ИНСТИТУТ ПОДГОТОВКИ НАУЧНЫХ КАДРОВ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ"
Кафедра информатики и вычислительной техники
ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Под общей редакцией кандидата физико-математических наук, доцента
В.В. Шкурко
Учебно-методическое пособие для студентов магистратуры, аспирантов и соискателей
ученых степеней физико-математических и технических наук
Минск
2008
УДК 004(075.8) ББК 32.97я73
0-75
Рекомендовано к опубликованию Ученым советом Института подготовки научных кадров НАН Беларуси протокол № 10 от 28.12.2007
А в т о р ы :
Н.В. Батин, И.Ф. Богданова, A.M. Ковальчук, С.Ф. Липницкий, В.В. Шкурко
Р е ц е н з е н т ы :
заведующий лабораторией Института физики НАН Беларуси, доктор физико-математических наук А.Н. Чумаков,
доцент кафедры информационных технологий автоматизированных систем БГУИР, кандидат технических наук, доцент A.M. Севернев
Батин, Н.В.
0-75 Основы информационных технологий: учеб.-метод. пособие / Н.В. Батин [и др.] ; под общ. ред. В.В. Шкурко. - Минск : Ин-т подгот. науч. кадров Нац. акад. наук Беларуси, 2008. - 235 с.
ISBN 978-985-6820-13-0.
Пособие содержит теоретический и практический материал по дисциплине «Основы информационных технологий» для студентов магистратуры, аспирантов и соискателей физико-математических и технических специальностей в рамках подготовки к сдаче кандидатского дифференцированного зачета.
В пособии рассматриваются основные понятия информационных технологий, основы математического и компьютерного моделирования, развитые возможности табличного процессора Excel, пакетов компьютерной математики Matlab и Mathematica, а также основные понятия объектно-ориентированного программирования и принципы программирования на языке С++.
УДК 004(075.8) ББК 32.97я73
ISBN 978-985-6820-13-0 |
®ГУО «Институт подготовки |
|
научных кадров Национальной |
|
академии наук Беларуси», 2008 |
|
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
Введение |
6 |
|
ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ |
|
|
ТЕХНОЛОГИЙ |
8 |
|
1.1 |
Информация, её виды, формы и свойства |
8 |
1.2 |
Науки, изучающие информацию |
12 |
1.3 |
Виды компьютерного обеспечения |
22 |
1.4 |
Классификация операционных систем |
28 |
1.5 |
Открытое и закрытое программное обеспечение |
29 |
1.6 |
Информатизация общества |
30 |
1.7 |
Информационное общество |
34 |
1.8 |
Технологии доступа к электронным |
|
|
информационным ресурсам |
37 |
1.9 |
Электронные книги |
45 |
1.10 Электронные библиотеки |
48 |
|
1.11 Научные электронные библиотеки (НЭБ) |
51 |
|
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ |
55 |
|
2.1 |
Сущность математического моделирования |
55 |
2.2 |
Этапы построения математической модели |
56 |
2.3 |
Моделирование нейронных сетей |
56 |
2.4 |
Статистическое моделирование. Метод Монте-Карло |
66 |
ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ ТАБЛИЧНОГО |
|
|
ПРОЦЕССОРА MICROSOFT EXCEL ДЛЯ РЕШЕНИЯ |
|
|
МАТЕМАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ |
77 |
|
3.1 |
Основные возможности Excel для решения |
|
|
математических задач |
77 |
3.2 |
Основные возможности статистического |
|
|
анализа данных в Excel |
77 |
3.3 |
Решение уравнений и систем уравнений в Excel |
87 |
3.4 |
Поиск экстремумов функций в Excel |
89 |
3.5 |
Решение задач линейного и нелинейного |
|
|
Программирования |
89 |
|
|
3 |
ГЛАВА 4 СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОЙ МАТЕМАТИКИ |
|
|
MATLAB |
93 |
|
4.1 |
Начало работы с Matlab. Элементарные |
|
|
вычисления в Matlab |
93 |
4.2 |
Представление и отображение данных в Matlab |
95 |
4.3Сохранение значений переменных и информации
|
о ходе работы в Matlab |
96 |
4.4 |
Операции с матрицами |
97 |
4.5 |
Построение графиков |
100 |
4.6 |
Основы программирования в Matlab |
104 |
4.7 |
Решение алгебраических уравнений |
109 |
4.8 |
Решение систем алгебраических уравнений |
111 |
4.9 |
Поиск экстремумов функций одной переменной |
112 |
4.10 |
Поиск экстремумов функций нескольких переменных |
113 |
4.11 |
Решение задач линейного программирования |
114 |
4.12 Решение задач нелинейного программирования |
117 |
|
4.13 |
Решение дифференциальных уравнений |
119 |
4.14 Система имитационного моделирования Simulink |
123 |
|
ГЛАВА 5 СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОЙ МАТЕМАТИКИ |
|
|
MATHEMATICA |
132 |
|
5.1 |
Числовые и символьные операции в Mathematica |
132 |
5.2Начало работы с Mathematica. Элементарные
вычисления в Mathematica |
133 |
5.3Сохранение наборов команд. Восстановление
|
результатов вычислений |
137 |
5.4 |
Подстановки |
138 |
5.5 |
Вычисления с использованием палитры |
139 |
5.6 |
Списки и матрицы |
140 |
5.7 |
Пакеты расширения |
142 |
5.8 |
Построение графиков |
143 |
5.9 |
Решение алгебраических уравнений |
146 |
5.10 Решение систем алгебраических уравнений |
149 |
|
5.11 |
Поиск экстремумов функций одной переменной |
150 |
5.12 Поиск экстремумов функций нескольких переменных 151
4
5.13 |
Решение задач линейного и нелинейного |
|
|
программирования |
152 |
5.14 |
Решение дифференциальных уравнений |
155 |
ГЛАВА 6 ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА ЯЗЫКЕ С++ |
160 |
|
6.1Становление объектно-ориентированного подхода к
|
программированию |
160 |
6.2 |
Основные операторы языка программирования С++ |
163 |
6.3 |
Указатели и функции |
173 |
6.4 |
Классы и объекты в языке С++ |
181 |
6.5 |
Производные классы |
199 |
6.6 |
Перегрузка операторов |
217 |
6.7 |
Параметризованные классы |
225 |
Сводный список рекомендуемой литературы |
233 |
|
5
ВВЕДЕНИЕ
Пособие содержит теоретический и практический материал по дисциплине «Основы информационных технологий» для студентов магистратуры, аспирантов и соискателей физико-математических и технических специальностей. Предназначено главным образом для использования в качестве учебно-методического материала при подготовке к сдаче кандидатского дифференцированного зачета по указанной дисциплине. Основная цель как дисциплины «Основы информационных технологий», так и данного пособия - изучение студентами магистратуры, аспирантами и соискателями возможностей применения современных информационных технологий в своей научно-практической деятельности и, в частности, в диссертационном исследовании. В то же время пособие может представлять интерес и для других категорий читателей: от студентов до специалистов, изучающих современные компьютерные информационные технологии или применяющих эти технологии для решения научных и практических задач.
Пособие ориентировано на читателей, знакомых с основными понятиями высшей математики и программирования (в объеме соответствующих дисциплин, по любой физико-математической или технической специальности, изучаемой в вузе), имеющих навыки работы на компьютере в среде Windows 95 и выше, а также опыт работы с программами, входящими в состав пакета Microsoft Office. Материал в пособии изложен таким образом, что оно может использоваться читателями, имеющими хотя бы минимальный уровень математической и компьютерной подготовки.
В соответствии с программой дисциплины «Основы информационных технологий» для физико-математических и технических специальностей, в пособие включены следующие темы:
-Основные понятия информационных технологий (глава 1): рассматриваются основные виды и тенденции развития современных информационных технологий [1-8];
- Основы математического и компьютерного моделирования
(глава 2): рассматриваются технологии компьютерного моделирования на основе метода Монте-Карло и методов нейроматематики [9-16];
-Современные пакеты компьютерной математики (главы 3-5): рассматриваются развитые возможности табличного процессора Excel [17, 18], пакетов компьютерной математики Matlab [19-21] и Mathematica [22-23] для решения широко распространенных математических задач (решение уравнений различных видов, решение задач оптимизации, статистический анализ данных и т.д.);
-Основы объектно-ориентированного программирования (глава 6): рассматриваются основные понятия объектно-ориентированного программирования, принципы программирования и примеры программ на языке С++ [24-29].
Пособие подготовлено на основе материалов лекционных и лабораторных занятий, проводившихся авторами для студентов магистратуры, аспирантов и
6
соискателей ученых степеней физико-математических и технических специальностей на кафедре информатики и вычислительной техники Института подготовки научных кадров НАН Беларуси в 2003-2007 годах. Контрольные вопросы и/или практические задания, как подробно рассмотренные, так и предлагаемые для самостоятельного выполнения, помогут применять пособие не только в качестве вспомогательного учебно-методического материала в дополнение к аудиторным занятиям, но и для самостоятельного изучения, а также в качестве лабораторного практикума.
Глава 1 подготовлена В.В. Шкурко и И.Ф. Богдановой (совместно), глава 2 - С.Ф. Липницким, главы 3-5 - В.В. Шкурко и Н.В. Батиным (совместно), глава 6 - A.M. Ковальчук.
В пособии нашли отражение не только опыт авторов, но и результаты аналитического обзора периодических изданий, литературных источников и интернет-ресурсов в области современных информационных технологий.
7
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1Информация, её виды, формы и свойства
Внауке и практике современного мира понятие «информация» является одним из самых распространенных. Несмотря на это, еще нет единого общепринятого определения информации. Множество различных точек зрения, продолжающиеся споры и дискуссии привели к выработке различных определений информации, что обусловлено сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию сущности этого понятия.
1.1.1 Генезис понятия информации
Слово «информация» происходит от латинского informatio, означающего разъяснение, изложение. Первоначально это были сведения, передаваемые одними людьми другим устным, письменным или каким-либо другим способом (например, с помощью условных сигналов, с использованием технических средств и т.д.), а также сам процесс передачи или получения этих сведений.
Понятие «информация» используется в различных смыслах. Так, говорят об информации в смысле соответствия высказывания действительности относительно определенных взаимосвязей, событий или состояний нашего реального мира. В науках, изучающих информацию, стараются более абстрактно определить ее понятие, которое становится не зависящим от реального мира.
К середине XX века в связи с бурным развитием науки и техники роль информации неизмеримо возросла. Кроме того, к этому периоду относится лавинообразное нарастание массы разнообразной информации, получившее название «информационного взрыва». В связи с этим возникла потребность в научном подходе к информации, выявлении ее наиболее характерных свойств, что привело к двум принципиальным изменениям в трактовке понятия информации.
Во-первых, оно было расширено и включило обмен сведениями не только между человеком и человеком, но и между человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире. Передачу признаков от клетки к клетке и от организма к организму тоже стали рассматривать как передачу информации.
Во-вторых, была предложена количественная мера информации — в работах К. Шеннона и А.Н. Колмогорова, — что привело к созданию теории информации.
Из множества предлагаемых определений информации назовем некоторые.
Информация — это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.
8
Информация — это совокупность фактов, явлений, событий, представляющих интерес, подлежащих регистрации и обработке.
Информация — нематериальная сущность, при помощи которой с любой точностью можно описывать реальные (материальные), виртуальные (возможные) и понятийные сущности. Информация — противоположность неопределенности.
В теории информации под этим термином понимается такое сообщение, которое содержит факты, неизвестные ранее потребителю и дополняющие его представление об изучаемом или анализируемом объекте (процессе, явлении).
Согласно концепции К. Шеннона, информация — это снятая неопределенность, т. е. сведения, которые должны снять в той или иной степени существующую у потребителя до их получения неопределенность, расширить его понимание объекта полезными сведениями.
1.1.2 Условия существования информации
Понятие информации обязательно объединяет двух участников - ее источник и приёмник. Для существования информации необходим также канал приёма-передачи информации. При взаимодействии этих трех компонентов появляется информация.
Информация существует только в виде сообщения, но не все сообщения содержат информацию. Для этого необходима некоторая степень новизны сообщения.
Сообщение — в теории коммуникации — предназначенные для передачи высказывание, текст, изображение, физический предмет или поступок. Сообщения состоят из словесных или невербальных знаков.
1.1.3 Виды информации
Все многообразие окружающей нас информации группируют по различным признакам.
По признаку «область возникновения» информация, отражающая процессы, явления неодушевленной природы называется элементарной или механической, животного и растительного мира — биологической, человеческого общества — социальной.
По способу передачи и восприятия различают информацию, передаваемую:
-видимыми образами и символами — визуальную;
-звуками — аудиальную;
-ощущениями - тактильную;
-запахами и вкусами - органолептическую;
-информацию, выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, — машинную.
9