- •Предисловие
- •Введение
- •Часть первая глава 1 теоретические основы информатики
- •Введение
- •§ 1. Информатика как наука и как вид практической деятельности
- •1.1. История развития информатики
- •1.2. Информатика как единство науки и технологии
- •1.3. Структура современной информатики
- •1.4. Место информатики в системе наук
- •1.5. Социальные аспекты информатики
- •1.6. Правовые аспекты информатики
- •1.7. Этические аспекты информатики
- •Контрольные вопросы
- •§ 2. Информация, ее виды и свойства
- •2.1. Различные уровни представлений об информации
- •2.2. Непрерывная и дискретная информация
- •2.3. Единицы количества информации: вероятностный и объемный подходы
- •Вероятностный подход
- •Объемный подход
- •2.4. Информация: более широкий взгляд
- •2.5. Информация и физический мир
- •§ 3. Системы счисления
- •3.1. Позиционные системы счисления
- •3.2. Двоичная система счисления
- •3.3. Восьмеричная и шестнадцатиричная системы счисления
- •§ 4. Кодирование информации.
- •4.1. Абстрактный алфавит
- •4.2. Кодирование и декодирование
- •4.3. Понятие о теоремах шеннона
- •4.4. Международные системы байтового кодирования
- •§ 5. Элементы теории графов
- •5.1. Основные понятия
- •5.2. Представление графов
- •§ 6. Алгоритм и его свойства
- •6.1. Различные подходы к понятию «алгоритм»
- •6.2. Понятие исполнителя алгоритма
- •6.3. Графическое представление алгоритмов
- •6.4. Свойства алгоритмов
- •6.5. Понятие алгоритмического языка
- •Контрольные вопросы
- •§7. Формализация понятия «алгоритм»
- •7.1. Постановка проблемы
- •7.2. Машина поста
- •73. Машина тьюринга
- •7.4. Нормальные алгоритмы маркова
- •7.5. Рекурсивные функции
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 8. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач
- •8.1. Операциональный подход
- •8.2. Структурный подход
- •8.3. Новейшие методологии разработки программ для эвм
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 9. Структуры данных
- •9.1. Данные и их обработка
- •9.2.Простые (неструктурированные) типы данных
- •9.3. Структурированные типы данных
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 10. Понятие об информационном моделировании
- •10.1. Моделирование как метод решения прикладных задач
- •10.2. Основные понятия информационного моделирования
- •10.3. Связи между объектами
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 11. Некоторые кибернетические аспекты информатики
- •11.1. Предмет кибернетики
- •11.2. Управляемые системы
- •11.3. Функции человека и машины в системах управления
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 12. Понятие искусственного интеллекта
- •12.1. Направления исследований и разработок в области систем искусственного интеллекта
- •12.2. Представление знаний в системах искусственного интеллекта
- •12.3. Моделирование рассуждений
- •12.4. Интеллектуальный интерфейс информационной системы
- •12.5. Структура современной системы решения прикладных задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 1
- •Глава 2программное обеспечение эвм
- •Введение
- •§ 1. Операционные системы
- •1.1. Назначение и основные функции операционных систем
- •1.2. Понятие файловой системы
- •1.3. Операционные системы для компьютеров типаibmpc
- •1.4. Оболочки операционных систем
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 2. Понятие о системе программирования
- •2.1. Основные функции и компоненты
- •2.2. Трансляция программ и сопутствующие процессы
- •Контрольные вопросы
- •§3. Прикладное программное обеспечение общего назначения
- •3.1. Классификация
- •3.2. Инструментальные программные средства общего назначения
- •3.3. Инструментальные программные средства специального назначения
- •3.4. Программные средства профессионального уровня
- •3.5. Организация «меню» в программных системах
- •Контрольные вопросы ч задания
- •§ 4. Системы обработки текстов
- •4.1. Элементы издательского дела
- •4.2. Текстовые редакторы
- •4.3. Издательские системы Общая характеристика
- •Настольная издательская система ТеХ
- •§ 5. Системы компьютерной графики
- •5.1. Принципы формирования изображений на экране
- •5.2. Изобразительная графика
- •5.3. Графические редакторы
- •5.4. Деловая графика
- •5.5. Инженерная графика
- •5.6.Научная графика
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •§ 6. Базы данных и системы управления базами данных
- •6.1. Понятие информационной системы
- •6.2. Виды структур данных
- •6.3. Виды баз данных
- •6.4. Состав и функции систем управления базами данных
- •6.5.Примеры систем управления базами данных
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 7. Электронные таблицы
- •7.1. Назначение и основные функции табличных процессоров
- •7.2. Электронные таблицыsupercalc
- •7.3. Электронные таблицыexcel
- •§8. Интегрированные программные средства
- •8.1. Принципы построения интегрированных программных систем
- •8.2. Интегрированный пакет ms-works
- •§ 9. Экспертные системы
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 10. Инструментальные программные средства для решения прикладных математических задач
- •10.1. Назначение программ
- •10.2. Пакетmathcad
- •10.3. Система аналитических преобразованийreduce
- •§ 11. Компьютерное тестирование
- •11.1. Технология проектирования компьютерных тестов предметной области
- •Оценка соответствия
- •11.2. Типы компьютерных тестов
- •11.3. Инструментальные тестовые оболочки
- •11.4. Пример теста по школьному курсу информатики
- •§12. Компьютерные вирусы
- •12.1. Что такое компьютерный вирус
- •12.2. Разновидности компьютерных вирусов
- •12.3. Антивирусные средства
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 13. Компьютерные игры
- •13.1. Виды и назначение компьютерных игр
- •13.2. Обзор компьютерных игр
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 языки и методы программирования
- •Введение
- •§ 1. История развития языков программирования
- •§2. Языки программирования высокого уровня
- •2.1. Понятие о языках программирования высокого уровня
- •2.2. Метаязыки описания языков программирования
- •23. Грамматика языков программирования
- •§3. Паскаль как язык структурно-ориентированного программирования
- •3.1. Введение
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Основные конструкции языка
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Структуры данных
- •3.4. Процедуры и функции
- •3.5. Работа с файлами
- •3.6. Динамические информационные структуры
- •Контрольные вопросы
- •3.7. Работа с графикой
- •Var gd, gm: integer; {переменные gd и gm определяют драйвер и режим}
- •Контрольные вопросы и задания
- •3.8. Турбо-оболочки. Версии паскаля
- •Контрольные вопросы
- •3.9. Руководство пользователю турбо-паскаля
- •§4. Методы и искусство программирования
- •4.1. Проектирование программ
- •Контрольные вопросы и задания
- •4.2. Основные принципы разработки и анализа алгоритмов
- •Задания
- •4.3. Методы построения алгоритмов, ориентированные на структуры данных
- •Контрольные задания
- •4.4. Рекурсивные алгоритмы
- •Контрольные задания
- •4.5. Важнейшие невычислительные алгоритмы (поиск и сортировка)
- •If f then write('найден элемент на ',m, ' месте') else write('такого элемента в массиве нет ');
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Бейсик как язык операционально-проблемно-ориентированного программирования
- •5.1. Введение в бейсик
- •Контрольные вопросы
- •5.2. Базовые операторы
- •Контрольные вопросы ч задания
- •5.3. Музыкальные возможности
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.4. Графические возможности
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Обработка символьной информации
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.6. Подпрограммы
- •Контрольные вопросы
- •5.7. Работа с файлами
- •5.8. Средства и методы организации диалога
- •Контрольные задания
- •5.9. Версии бейсика
- •5.10. Бейсик и паскаль
- •§ 6. Введение в язык программирования си
- •6.1. Общая характеристика языка и пример программы на си
- •6.2. Элементы си: алфавит, идентификаторы, литералы, служебные слова
- •6.3. Типы данных и операции в языке си. Выражения
- •6.4. Операторы. Управляющие конструкции языка
- •6.5. Структура программы на си. Понятие о функциях
- •6.6. Классы памяти
- •6.7. Функции вводa-вывода
- •6.8. Директивы препроцессора
- •6.9. Си и паскаль
- •§ 7. Основы логического программирования на языке пролог
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Алгоритм выполнения программ на прологе
- •7.3. Рекурсия
- •7.4. Предикат отсечения и управление логическим выводом в программах
- •7.5. Обработка списков
- •7.6. Решение логических задач на прологе
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 8. Введение в функциональное программирование на языке лисп
- •8.1. Назначение и общая характеристика языка
- •8.2. Основные элементы программы на лиспе. Списки
- •8.3. Функции
- •8.4. Формы. Управляющие конструкции в лисп-программе
- •8.5. Рекурсия и цикл в программах на лиспе
- •8.6. Ввод-вывод данных
- •8.7. Пример программирования на лиспе
- •8.8. Свойства символов
- •Контрольные вопросы и задания
- •§9. Введение в объектно-ориентированное программирование
- •9.1. Основные положения
- •9.2. Основы объектного программирования в системе турбо-паскаль
- •9.3. Оболочкаturbo-vision
- •9.4.*Среда объектного визуального программированияdelphi
- •9.8. Система объектного программированияsmalltalk
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 3
- •Часть вторая глава 4 вычислительная техника
- •Введение
- •§ 1. История развития вычислительной техники
- •Начальный этап развития вычислительной техники
- •Начало современной истории электронной вычислительной техники
- •Поколения эвм
- •1.4. Персональные компьютеры
- •1.5. И не только персональные компьютеры...
- •1.6. Что впереди?
- •Контрольные вопросы
- •§2. Архитектура эвм
- •2.1. О понятии «архитектура эвм»
- •1.2. Классическая архитектура эвм II принципы фон неймана
- •2.3. Совершенствование и развитие внутренней структуры эвм
- •2.4. Основной цикл работы эвм
- •2.5. Система команд эвм и способы обращения к данным
- •Контрольные вопросы
- •§3. Архитектура микропроцессоров
- •3.1. История развития микропроцессоров
- •3.3. Внутренняя организация микропроцессора
- •3.3. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации
- •3.4. Форматы данных
- •3.5. Обработка прерываний
- •3.6. Работа микропроцессора с внешними устройствами
- •3.7. Пример: система команд процессоров семействаpdp
- •Контрольные вопросы и задания
- •§4. Учебная модель микрокомпьютера
- •4.1. Структура учебного микрокомпьютера
- •4.2. Система команд
- •4.3. Адресация данных
- •4.4.Работа с внешними устройствами
- •4.5. Примеры программ
- •4.6. Некоторые справочные данные по е-97
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Внешние устройства эвм: физические принципы и характеристики
- •5.1. Внешние запоминающие устройства
- •5.2. Устройства ввода информации
- •5.3. Устройства вывода информации
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 6. Логические основы функционирования эвм
- •6.1. Логика высказываний. Элементарные логические функции
- •6.2. Схемная реализация элементарных логических операций. Типовые логические узлы
- •63. Пример электронной реализации логического элемента
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 4
- •Глава 5 компьютерные сети и телекоммуникации введение
- •§ 1. Локальные сети
- •1.1. Аппаратные средства
- •1.2. Конфигурации локальных сетей и организация обмена информацией
- •1.3. Локальные сети учебного назначения
- •Контрольные вопросы
- •§2. Операционные системы локальных сетей
- •Контрольные вопросы ч задания
- •§3. Глобальные сети
- •3.1. Общие принципы организации
- •3.2. Аппаратные средства и протоколы обмена информацией
- •3.3. Электронная почта
- •3.4.1. Адресация и виды информации в Internet
- •3.4.2. Доступ к информации в Internet
- •3.4.3. Язык разметки гипертекстов html
- •3.4.4. Программа-оболочка Internet Explorer
- •3.4.5. Другие информационные системы в Internet
- •§ 4. Представление об операционной системеunix
- •§ 5. Использование компьютерных сетей в образовании
- •5.1. Телекоммуникации как средство образовательных информационных технологий
- •5.2. Персональный обмен сообщениями
- •5.3. Информационное обеспечение
- •5.4. Совместное решение задач
- •Глава 6 информационные системы введение
- •§ 1. Банки информации
- •1.1. Банки данных
- •1.2. Банки документов
- •1.3. Банк педагогической информации
- •§ 2. Базы данных в структуре информационных систем
- •2.1. Основные понятия
- •2.2. Проектирование баз данных
- •2.3. Представление об языках управления реляционными базами данных типАdBase
- •2.3.1. Основные элементы субд типа dBase
- •2.3.2. Создание структуры файлов базы данных
- •2.3.3. Командный язык субд
- •2.3.4. Ввод данных в базу и редактирование
- •2.3.5. Дополнительные операции
- •2.3.6. Организация системы меню
- •2.3.7. Пример создания информационной системы с помощью субд типа dBase
- •§ 3. Автоматизированные информационные системы
- •3.1. Автоматизированные системы управления
- •3.2. Информационные системы управления
- •3.2.1. Общие принципы
- •3.2.2. Информационные системы управления в образовании
- •3.3. Автоматизированные системы научных исследований
- •3.4. Системы автоматизированного проектирования
- •3.5. Геоинформационные системы
- •Контрольные вопросы
- •§4. Экспертные системы
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Компьютерные обучающие системы
- •5.1. Основные принципы новых информационных технологий обучения
- •5.2. Типы обучающих программ
- •5.3. Компьютерное тестирование
- •5.4. Перспективные исследования в области компьютерного обучения
- •Глава 7 компьютерное математическое моделирование введение
- •§ 1. О разновидностях моделирования
- •§2. Понятие о компьютерном математическом моделировании
- •2.1. Математическое моделирование и компьютеры
- •2.2. Этапы и цели компьютерного математического моделирования
- •2.3. Классификация математических моделей
- •2.4. Некоторые приемы программирования
- •§3. Моделирование физических процессов
- •3.1. Физика и моделирование
- •3.2. Свободное падение тела с учетом сопротивления среды
- •3.3. Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Законы подобия
- •3.4. Движение тела с переменной массой: взлет ракеты
- •3.5. Движение небесных тел
- •3.6. Движение заряженных частиц
- •3.7. Колебания математического маятника
- •3.8. Моделирование явлений и процессов в приближении сплошной среды
- •3.9. Моделирование процесса теплопроводности
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 4. Компьютерное моделирование в экологии
- •4.1. Экология и моделирование
- •4.2. Модели внутривидовой конкуренции
- •4.3. Логистическая модель межвидовой конкуренции
- •4.4. Динамика численности популяций хищника и жертвы
- •4.5. Имитационное моделирование динамики популяций
- •Контрольные вопросы и задания
- •§5. Глобальные модели развития человечества
- •§ 6. Моделирование случайных процессов
- •6.1. Техника стохастического моделирования
- •6.2.Моделирование случайных процессов в системах массового обслуживания
- •6.3. Различные примеры моделирования случайных процессов
- •Контрольные вопросы и задания
- •§7. Компьютерное математическое моделирование в экономике
- •7.1. Постановка зaдaчи линейного программирования
- •7.2. Симплекс-метод
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 7
- •Содержание
- •§ 6. Введение в язык программирования си 306
- •§ 4. Компьютерное моделирование в экологии 641
- •§5. Глобальные модели развития человечества 656
- •§ 6. Моделирование случайных процессов 660
- •§7. Компьютерное математическое моделирование в экономике 675
§ 6. Моделирование случайных процессов
6.1. Техника стохастического моделирования
Понятие «случайный» - одно из самых фундаментальных как в математике, так и в повседневной жизни. Моделирование случайных процессов - мощнейшее направление в современном математическом моделировании.
Событие называется случайным, если оно достоверно непредсказуемо. Случайность окружает наш мир и чаще всего играет отрицательную роль в нашей жизни. Однако есть обстоятельства, в которых случайность может оказаться полезной.
В сложных вычислениях, когда искомый результат зависит от результатов многих факторов, моделей и измерений, можно сократить объем вычислений за счет случайных значений значащих цифр. Из теории эволюции следует, что случайность проявляет себя как конструктивный, позитивный фактор. В частности, естественный отбор реализует как бы метод проб и ошибок, отбирая в процессе развития особи с наиболее целесообразными свойствами организма. Далее случайность проявляется в множественности ее результатов, обеспечивая гибкость реакции популяции на изменения внешней среды.
В силу сказанного имеет смысл положить случайность в основу методов получения решения посредством проб и ошибок, путем случайного поиска.
Отметим, что выше, приведя пример имитационного моделирования - игру «Жизнь», мы уже имели по сути дела стохастическую модель. В данном параграфе обсудим методологию такого моделирования более детально.
Итак, пусть в функционале модели значения некоторых входных параметров определены лишь в вероятностном смысле. В этом случае значительно меняется сам стиль работы с моделью.
При серьезном рассмотрении в обиходе появляются слова «распределение вероятностей», «достоверность», «статистическая выборка», «случайный процесс» и т.д.
При компьютерном математическом моделировании случайных процессов нельзя обойтись без наборов, так называемых, случайных чисел, удовлетворяющих заданному закону распределения. На самом деле эти числа генерирует компьютер по определенному алгоритму, т.е. они не являются вполне случайными хотя бы потому, что при повторном запуске программы с теми же параметрами последовательность повторится; такие числа называют «псевдослучайными».
Рассмотрим вначале генерацию чисел равновероятно распределенных на некотором отрезке. Большинство программ - генераторов случайных чисел - выдают последовательность, в которой предыдущее число используется для нахождения последующего. Первое из них - начальное значение. Все генераторы случайных чисел дают последовательности, повторяющиеся после некоторого количества членов, называемого периодом, что связано с конечной длиной машинного слова. Самый простой и наиболее распространенный метод - метод вычетов, или линейный конгруэнтный метод, в котором очередное случайное число xnопределяется «отображением»
где a,с,m- натуральные числа,mod- так называемая, функция деления по модулю (остаток от деления одного числа на другое по модулю). Наибольший возможный период датчика (7.69) равент;однако, он зависит отаис.Ясно, что чем больше период, тем лучше; однако реально наибольшееmограничено разрядной сеткой ЭВМ. В любом случае используемая в конкретной задаче выборка случайных чисел должна быть короче периода, иначе задача будет решена неверно. Заметим, что обычно генераторы выдают отношение ,которое всегда меньше 1, т.е. генерируют последовательность псевдослучайных чисел на отрезке [0,1].
Вопрос о случайности конечной последовательности чисел гораздо сложнее, чем выглядит на первый взгляд Существует несколько статистических критериев случайности, но все они не дают исчерпывающего ответа. Так, последовательно генерируемые псевдослучайные числа могут появляться не идеально равномерно, а проявлять тенденцию к образованию групп (т е. коррелировать) Один из тестов на равномерность состоит в делении отрезка [0, 1] наМравных частей - «корзин», и помещения каждого нового случайного числа в соответствующую «корзину». В итоге получается гистограмма, в которой высота каждого столбика пропорциональна количеству попавших в «корзину» случайных чисел (рис. 7.54).
Рис. 7.54.Вид гистограммы для равномерно распределенных на отрезке [0,1] чисел при достаточно большой выборке
Понятно, что при большом числе испытаний высоты столбиков должны быть почти одинаковыми. Однако, этот критерий является необходимым, но не достаточным; например, он «не замечает» даже очень короткой периодичности Для не слишком требовательного пользователя обычно достаточны возможности датчика (генератора) случайных чисел, встроенного в большинство языков программирования. Так, в PASCALесть функцияrandom, значения которой - случайные числа из диапазона [0, 1). Ее использованию обычно предшествует использование процедурыrandomize, служащей для начальной «настройки» датчика, т.е. получения при каждом из обращений к датчику разных последовательностей случайных чисел. Для задач, решение которых требует очень длинных некоррелированных последовательностей, вопрос осложняется и требует нестандартных решений Равномерно распределенные случайные числа - простейший случай Располагая датчиком случайных чисел, генерирующим числаr[0, 1], легко получить числа из произвольного интервала [а, b].
X = a + (b - a)∙r.
Более сложные распределения часто строятся с помощью распределения равномерного. Упомянем здесь лишь один достаточно универсальный метод Неймана (часто называемый также методом отбора-отказа), в основе которого лежит простое геометрическое соображение. Допустим, что необходимо генерировать случайные числа с некоторой нормированной функцией распределения f(x)на интервале [а, b].Введем положительно определенную функцию сравненияw(x)такую, чтоw(x)=constиw(x) > f(x)на [а, b] (обычноw(x)равно максимальному значениюf(x)на [а, b]).Поскольку площадь под кривой f(x)равна для интервала [х, х+dx] вероятности попаданияхв этот интервал, можно следовать процедуре проб и ошибок. Генерируем два случайных числа, определяющих равновероятные координаты в прямоугольникеA BCDс помощью датчика равномерно распределенных случайных чисел:
x = a + (b - a)∙r, y = w∙r
и если точка М(х, у)не попадает под кривуюf(x), мы ее отбрасываем, а если попадает - оставляем (рис. 7.55). При этом множество координатхоставленных точек оказывается распределенным в соответствии с плотностью вероятности f(x).
Рис. 7.55.Метод отбора-отказа. Функцияw(x)=fmax
Этот метод для ряда распределений не самый эффективный, но он универсален, прост и понятен. Эффективен он тогда, когда функция сравнения w(x) близка к f(х). Заметим, что никто не заставляет нас брать w(x)= const на всем промежутке [а, b]. Если f(x) имеет быстро спадающие «крылья», то разумнее взять w(x) в виде ступенчатойфункции.