Тема 1. Інформатика і інформаційні технології.

Помилятися людині властиво, та остаточно все заплутати може лише ком- п'ютер

П'ятий закон ненадійності

Лекція 1. Інформатика і інформаційні технології. Основи алгоритмізації.

Інформатика і інформаційні технології.

Інформатика – комплексна наукова і інженерна дисципліна про загальні властивості і закономірності інформації, а також методи її пошуку, передачі, зберігання, обробки і використовування в різних сферах діяльності людини. Як наука сформувалася в результаті появи ЕОМ. Включає теорію кодування інформації, розробку методів і мов програмування, математичну теорію процесів передачі і обробки інформації, а також її вплив на різні області соціальної практики.

Термін «Informatique» з'явився у Франції у середині 60-х років XX ст., коли почалося широке використовування обчислювальної техніки (ОТ). Тоді в англомовних країнах увійшов у вжиток термін «Computer Science» для позначення науки про перетворення інформації, яка спирається на ОТ. Тепер ці терміни є синонімами.

Поява інформатики обумовлена виникненням і поширенням нової (інформаційної) технології збору, обробки і передачі інформації, пов'язаної з фіксацією даних на машинних носіях.

Інформація (від лат. informatio – роз'яснення, виклад), первинно – відомості, що передавались людьми усним, письмовим або іншим способом (за допомогою умовних сигналів, технічних засобів і т. д.); з середини 20 ст. загальнонаукове поняття, що включає обмін відомостями між людьми, людиною і автоматом, автоматом і автоматом; обмін сигналами в тваринному і рослинному світі; сукупність відомостей (даних), які сприймають з навколишнього середовища (вхідна інформація), видають в навколишнє середовище (вихідна інформація) або зберігають усередині певної системи.

Інформація існує у вигляді документів, креслень, малюнків, текстів, звукових і світлових сигналів, енергетичних і нервових імпульсів і т.п.

У широкому значенні слова технологія – це спосіб освоєння людиною матеріального миру за допомогою соціально організованої діяльності, яка включає три компоненти: інформаційну (наукові принципи), матеріальну (знаряддя роботи), соціальну (фахівця, що має професійні навички). Ця тріада складає суть сучасного поняття технології.

Поняття інформаційні технології (ІТ) з'явилося з виникненням інформаційного суспільства, основою соціальної динаміки в якому є не традиційні матеріальні, а інформаційні ресурси: знання, наука, організаційні фактори, інтелектуальні здібності, ініціатива, творчість людей.

6

Ця технологія, яка базується на ОТ, швидко розвивається, охоплюючи всі види суспільної діяльності: виробництво, управління, науку, освіту, проектні розробки, торгівлю, фінансово-банківські операції, медицину, криміналістику, охорону навколишнього середовища, побут, особисту роботу і ін.

Основні напрями застосування обчислювальної техніки

Застосування засобів ОТ можна звести до трьох основних напрямів:

1.Створення принципово нових знарядь виробництва «пожвавленням» машин і механізмів, тобто вбудовуванням автоматичних інформаційнопереробляючих пристроїв в механічні системи (роботобудування, виробництво устаткування з числовим програмним управлінням, оброблювальних центрів і т.д.).

2.Автоматизація управління цілісними технологічними системами (автоматизація біотехнології, технології зв'язку, отримання і застосування ядерної енергії і ін.).

3.Автоматизація різних соціально-комунікативних процесів (планування і управління суспільним виробництвом, конторської роботи, наукових досліджень, освіти, торгівлі і інших видів послуг, криміналістики, охорони навколишнього середовища, особистої роботи і побуту).

Цей напрям застосування ОТ називають інформатикою. Він є найперспективнішим, оскільки саме в соціальному середовищі використовування комп'ю- терів дає найбільший ефект. У Японії і США, наприклад, в інформатику направляють більше половини використовуваних комп'ютерів.

Про ефективність переходу на ІТ свідчить хоча б те, що інтегровані автоматизовані виробництва, використовувані в промислово розвинених країнах, дозволили знизити витрати на виробництво на 35 % і зменшити тривалість виробничих циклів на 60 %. А практика комп'ютеризації проектування виробів за допомогою систем автоматизації проектування (САПР) в 3-6 разів скорочує час

іпідвищує якість проектування. Використовування ІТ у сфері управління на основі автоматизованих систем дає можливість на 10-30 % понизити трудомісткість управлінських операцій, в 2-5 разів прискорити ухвалення рішень.

Усоціальній сфері інформатизація виробництва стимулює зміну структури

ічисельності професійних груп, змісту і умов діяльності, вимог до кваліфікації працівників. Зокрема, інформатизація роботи інженерно-технічних працівників має потребу в збільшення кількості фахівців нових професій: аналітиків систем, інженерів і техніків на обслуговування комп'ютерів, програмістів і т.п.. Впровадження ІТ дає можливість зменшити чисельність певних категорій управлінського персоналу на 25-30 %, сприяє інтеграції виробничих функцій. У основному виробництві ІТ скорочують попит до 75 % на робочих масових професій, збільшуючи потребу в робітниках-експлуатаційниках і налагоджують засобів і систем автоматизації, ремонтниках і монтажниках гнучких автоматизованих виробництв, роботів і комп'ютерів.

Уінформатиці можна виділити три основні частини:

•алгоритми обробки інформації (algorithm);

•обчислювальну техніку (hardware);

7

• комп'ютерні програми (software).

Етапи дослідження прикладних задач

Проектування і аналіз сучасних будівельних матеріалів, конструкцій, їх окремих вузлів і блоків, а також інших технічних систем пов'язані з теоретичними розрахунками і дослідженнями, що передують вибору визначальних параметрів конструкцій. Ці розрахунки проводяться з використанням обчислювальних засобів (комп'ютерів і їх систем) і обчислювальних методів. При цьому звичайно виконуються наступні етапи.

1.Фізична постановка задачі і її якісний аналіз. Результатом цього етапу є за-

гальне формулювання задачі в змістовних термінах, тобто що дано і що вимагається визначити. Цей етап включає виділення найважливіших рис і властивостей модельованого об'єкту і абстрагування від другорядних; вивчення структури об'єкту і основних залежностей, що зв'язують його елементи; формулювання гіпотез (хоча б попередніх), що пояснюють поведінку і розвиток об'єкту.

2.Пошук, вибір або модифікація деякої математичної моделі, адекватній фізи-

чній постановці задачі. Це – етап формалізації проблеми, виразу її у вигляді конкретних математичних залежностей і відносин (функцій, рівнянь, нерівностей і т.д.). Звичайно спочатку визначається (або задається у разі застосування формальних моделей) основна конструкція (тип) математичної моделі, а потім уточнюються деталі цієї конструкції (конкретний перелік змінних і параметрів, форма зв'язків). Таким чином, побудова моделі підрозділяється в свою чергу на декілька стадій. Цей етап є дуже важливим, оскільки помилкова або невдала модель, неадекватна фізичною, зводить «нанівець» всі подальші зусилля по проектуванню виробу. Помітимо, що при рішенні багатьох задач вибираються, як правило, загальноприйняті математичні моделі.

3.Розробка, вибір або модифікація математичного (аналітичного, приблизноаналітичного або чисельного) методу, найдоцільнішого і економічнішого.

Цей етап здійснюється на основі знань (суб'єктивний підхід), що є у дослідників, а також виходячи з ресурсів комп'ютера – оперативної і зовнішньої пам'яті, швидкодії, можливостей представлення інформації (об'єктивний підхід). Моделі складних об'єктів насилу піддаються аналітичному дослідженню. У тих випадках, коли аналітичними методами не вдається з'ясувати загальних властивостей моделі, а спрощення моделі приводять до неприпустимих результатів, пов'язаних з втратою її адекватності, переходять до чисельних методів дослідження.

4.Підготовка початкової інформації. Моделювання пред'являє жорсткі вимоги до системи інформації. В процесі підготовки інформації широко використовуються методи теорії вірогідності, теоретичної і математичної статистики. При системному математичному моделюванні початкова інформація, використовувана в одних моделях, є результатом функціонування інших моделей.

5.Складання алгоритму.

6.Розробка програмного забезпечення.

8

7.Чисельне рішення. Тут набуває актуальність різні методи обробки даних, рішення різноманітних рівнянь, обчислення інтегралів і т.п. Нерідко розрахунки по математичній моделі носять багатоваріантний, імітаційний характер. Завдяки високій швидкодії сучасних ЕОМ вдається проводити численні «модельні» експерименти, вивчаючи «поведінку» моделі при різних змінах деяких умов. Для вирішення таких задач важливе значення мають методи оптимізації, тобто пошуку якнайкращих (екстремальних) значень яких-небудь функцій і функціоналів. Дослідження, що проводиться чисельними методами, може істотно доповнити результати аналітичного дослідження, а для багатьох моделей воно є єдино здійсненним. Клас задач, які можна вирішувати чисельними методами, значно ширше, ніж клас задач, доступних аналітичним методам.

8.Аналіз чисельних результатів і їх застосування. На цьому завершальному етапі циклу встає питання про правильність і повноту результатів моделювання, про адекватність моделі, про ступінь її практичної застосовності. Математичні методи перевірки результатів можуть виявляти некоректність побудови моделі і тим самим звужувати клас потенційно правильних моделей. Неформальний аналіз теоретичних висновків і чисельних результатів, одержуваних за допомогою моделі, зіставлення їх з наявними знаннями і фактами дійсності також дозволяють знаходити недоліки початкової постановки задачі, сконструйованої математичної моделі, її інформаційного і математичного забезпечення. Оскільки сучасні математичні задачі можуть бути складні по своїй структурі, мати велику розмірність, то часто трапляється, що відомі алгоритми і програми для ЕОМ не дозволяють вирішити задачу в первинному вигляді. Якщо неможливо в короткий термін розробити нові алгоритми і програми, початкову постановку задачі і модель спрощують: знімають і об'єднують умови, зменшують число чинників, що враховуються, нелінійні співвідношення замінюють лінійними т.д.

Врезультаті аналізу одержаного рішення задачі може здійснюватися перехід до будь-якого з описаних етапів для внесення відповідних змін. Викладені етапи дослідження прикладних задач схематично показані на рис. 1.1.

Основи алгоритмізації процесів обробки інформації

Одним з базових понять інформатики і ОТ є поняття алгоритму як деякого правила перетворення інформації. Він вказує, які операції по обробці даних і, в якій послідовності необхідно виконати, щоб одержати рішення задачі.

Алгоритм – точне розпорядження, яке визначає обчислювальний процес, який веде від змінних початкових даних до шуканого результату.

Розглянемо поняття алгоритму на прикладі обчислення суми елементів вектора, тобто

9

Аналіз чисельних результатів та їх використання

Рис. 1.1 Етапи дослідження прикладних задач

Для визначення суми застосовний алгоритм її накопичення, використовуючи рекурентне співвідношення

де Si – поточне значення суми; Si−1 – попереднє її значення; S0 – початкове значення суми;

10