Информатика

Введение

Информатика — молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, т.к. именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.

Объектом приложений информатики являются самые различные науки и области практической деятельности, для которых она стала непрерывным источником самых современных технологий, называемых часто “новые информационные технологии” (НИТ). Многообразные информационные технологии, функционирующие в разных видах человеческой деятельности (управлении производственным процессом, проектировании, финансовых операциях, образовании и т.п.), имея общие черты, в то же время существенно различаются между собой.

Перечислим наиболее впечатляющие реализации информационных технологий используя, ставшие традиционными, сокращения.

АСУ — автоматизированные системы управления — комплекс технических и программных средств, которые во взаимодействии с человеком организуют управление объектами в производстве или общественной сфере. Например, в образовании используются системы АСУ-ВУЗ.

АСУТП — автоматизированные системы управления технологическими процессами. Например, такая система управляет работой станка с числовым программным управлением (ЧПУ), процессом запуска космического аппарата и т.д.

АСНИ — автоматизированная система научных исследований — программно-аппаратный комплекс, в котором научные приборы сопряжены с компьютером, вводят в него данные измерений автоматически, а компьютер производит обработку этих данных и представление их в наиболее удобной для исследователя форме.

АОС — автоматизированная обучающая система. Есть системы, помогающие учащимся осваивать новый материал, производящие контроль знаний, помогающие преподавателям готовить учебные материалы и т.д.

САПР — система автоматизированного проектирования — программно-аппаратный комплекс, который во взаимодействии с человеком (конструктором, инженером-проектировщиком, архитектором и т.д.) позволяет максимально эффективно проектировать механизмы, здания, узлы сложных агрегатов и др.

Структура современной информатики

Составные части “ядра” современной информатики.

Теоретическая информатика — часть информатики, включающий ряд математических разделов. Она опирается на математическую логику и включает такие разделы как  теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел информатики использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.

Вычислительная техника — раздел, в котором разрабатываются общие принципы построения вычислительных систем. Речь идет не о технических деталях и электронных схемах (это лежит за пределами информатики как таковой), а о принципиальных решениях на уровне, так называемой, архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав,  назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решений в этой области — неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.  

Программирование — деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения. Здесь отметим лишь основные разделы современного программирования: создание системного программного обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. Среди системного — разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (пример — общеизвестная операционная оболочка и система Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные — системы обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. В каждой области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы —раздел информатики связанный с решением вопросов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурированию, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet) в последнее десятилетие XX века привлекают внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне — справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 09.

Искусственный интеллект — область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как научить компьютер мыслить подобно человеку? — Поскольку мы далеко не все знаем о том, как мыслит человек, исследования по искусственному интеллекту, несмотря на полувековую историю, все еще не привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные направления разработок, относящихся к этой области - моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, синтез и анализ сообщений на естественных языках, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит, в частности, решение такой важнейшей прикладной проблемы как создание интеллектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на общение между людьми и станет более эффективным.

Таким образом, основными объектами изучения в информатике являются:

– информационные объекты (тексты, совокупности данных, алгоритмы и т.п.), т.е. информация, зафиксированная на каком-либо носителе;

– информационные ресурсы общества как совокупность созданных человечеством информационных объектов;

– информационные процессы (поиск, отбор, хранение, передача, обработка, хранение, кодирование, защита);

– информационные модели (в частности, структуры данных, алгоритмы, программы);

– информационные технологии, как совокупность методов, способов, протоколов реализации информационных процессов;

– информационные системы, как совокупность информационных ресурсов вместе с допустимыми для них информационными процессами, реализуемыми с помощью информационных технологий;

– компьютер и компьютерные системы как универсальные средства автоматизации информационных процессов.

В любом научном исследовании важно не только то, что исследуется, но и то, как исследуется, т.е. важно иметь представление об основных методах исследования, а также о специфике применения общенаучных методов в данной области знания. Общими для всех наук методами исследования являются наблюдение, теоретический анализ, эксперимент, в том числе вычислительный, моделирование и др. В каждой конкретной науке эти методы приобретают свою специфику.

Основными методами исследования в информатике являются:

– системно-информационный анализ как конкретизация системного подхода;

– информационное моделирование как конкретизация общенаучного метода моделирования;

– компьютерный эксперимент как разновидность свойственного всем наукам вычислительного эксперимента.

Раздел 1 Автоматизированная обработка информации: основные понятия и технология

Тема 1.1 Информация, информационные процессы и информационное общество

«Информация» в переводе с латинского означает «разъяснение, изложение, набор сведений».

Информация - это некоторый набор систематизированных сведений об определенной области окружающего мира. Информация в процессе своего существования проходит определенные этапы преобразования:

• сбор первичных сведений

• организация хранения информации

• обработка информации с целью получения новых знаний

• представление информации в удобном для использования виде

Информацию до человека доносят его органы чувств

• Глазами – зрительную (визуальную) информацию

• Органы слуха доставляют информацию в виде звуков

• Органы обоняния позволяют ощущать запахи

• Органы вкуса - информацию о вкусе еды

• Органы осязания – получить тактическую информацию

Свойства информации:

• Объективность

• Достоверность или недостоверность

• Полнота или неполнота

• Актуальность

• Полезность или бесполезность (ценность)

• Понятность

Информация нам нужна для того, чтобы ориентироваться в окружающей обстановке и принимать правильные решения. Но любая ли информация помогает нам в этом? Знание свойств информации может помочь человеку оценить в каждом конкретном случае насколько решения, принятые на основе имеющейся информации, могут быть верными.

1 Информация объективна, если она не зависит от чьего-либо мнения, суждения. Объективную информацию можно получить с помощью исправных датчиков, измерительных приборов. Но, отражаясь в сознании конкретного человека, информация перестает быть объективной, так как преобразовывается (в большей или меньшей степени) в зависимости от мнения, суждения, опыта, знания, пристрастий конкретного субъекта.

2 Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел.

Недостоверной информация может быть по следующим причинам:

– преднамеренное искажение (дезинформация);

– искажение в результате воздействия помех ("испорченный телефон");

– в случае, когда значение реального факта приуменьшается или преувеличивается (слухи, реклама, политические дебаты).

3 Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия решения.

Неполная информация может привести к ошибочному выводу или решению. Не зря русская пословица гласит: "Недоученный хуже неученого".

Избыток информации может быть также вреден при принятии решения, как и ее недостаток, поскольку для анализа и обработки дополнительной информации требуется время. А время для человека – один из самых дефицитных и дорогостоящих "ресурсов" его жизни, не говоря уже об экстремальных ситуациях, когда от быстроты принятия решения может зависеть очень многое.

4 Информация актуальна (своевременна), если она важна, существенна для настоящего времени.

Только вовремя полученная информация может принести необходимую пользу.

Неактуальной информация может быть по трем причинам, она может быть:

• устаревшей (прошлогодняя газета);

• преждевременной (прогноз погоды на лето, данный в январе);

• незначимой, ненужной (например, сообщение о том, что в Италии снижены цены на проезд в транспорте на 5 %).

5 Информация может быть полезной или бесполезной (ценность информации).

Но, так как четкой границы между этими понятиями нет, то следует говорить о степени полезности применительно к нуждам конкретных людей. Полезность информации оценивается по тем задачам, которые мы можем решить с ее помощью. Оценка полезности информации всегда субъективна. То, что полезно для одного человека, может быть совершенно бесполезно для другого.

6 Информация понятна, если она выражена на языке, доступном для получателя.

Носители информации:

• Мастерские предназначены для записи, накопления и хранения произведений печати и искусства и призваны облегчить передачу информации между людьми во всех сферах их деятельности. К ним относятся бумага, холст, классная доска, фото- и кинопленка, фотобумага, магнитная лента и т.п.

• Документальные носители информации используются в деловой сфере для записи, хранения и передачи информации в виде документа, в котором информация представлена кратко, но исчерпывающе и не допускает различного толкования. Это, как правило, бумажные носители.

• Машинные носители предназначены для записи, хранения, накопления и передачи информации с целью автоматизации ее ввода в средства сбора и обработки, хранения и преобразования в них, а также выдачи пользователю в удобной для него форме. Именно эти носители являются предметом дальнейшего изучения и рассмотрения.

Информацию можно представить в различной форме:

• В знаковой письменной:

  • Символьную в виде текста, чисел, различных символов (текст учебника)

  • Графическую (географическая карта)

  • Табличную (таблица по физике)

• В виде жестов или сигналов (светофор)

• Устной словесной (разговор)

• Световых, звуковых или радиоволн

• Магнитные поля

• электрического тока или напряжения

В настоящее время основной в вычислительной технике становится мультимедийная (многосредовая, комбинированная) форма представления информации. Цветная графика сочетается со звуком и текстом, числовые расчеты сопровождаются деловой графикой, текст – движущимися видеоизображением и трехмерными образами.

Код – набор символов для предоставления информации.

0 – включено.

1 – выключено.

1 байт = 8 битов – единица измерения информации.

Килобит	Кбит	1 Кбит = 1024 бит = 210 бит
Мегабит	Мбит	1 Мбит = 1024 Кбит = 220 бит
Гигабит	Гбит	1 Гбит = 1024 Мбит = 230 бит
Килобайт	Кбайт (Кб)	1 Кбайт = 1024 байт = 210 байт
Мегабайт	Мбайт (Мб)	1 Мбайт = 1024 байт = 220 байт
Гигабайт	Гбайт (Гб)	1 Гбайт = 1024 байт = 230 байт
Терабайт	Тб	1 Тб = 1024 Гб

Информационная деятельность человека.

Схема передачи информации

И сточник

К одирующее устройство

К анал связи

Д екодирующее устройство

Получатель

Методы поиска информации:

1. Непосредственное наблюдение

2. Общение со специалистами по интересующему вопросу

3. Чтение соответствующей литературы

4. Просмотр теле-, видеопрограмм

5. Прослушивание радиопередач и аудиокассет

6. Работа в библиотеках, архивах

7. Запрос к информационным системам, базам и банкам компьютерных данных

8. Другие методы

Способы защиты информации:

1. Контроль доступа

2. Разграничение доступа

3. Дублирование каналов связи

4. Криптографическое преобразование информации с помощью шифров.

Криптография – изобретение и использование шифров (секретный код).

Информационная деятельность (процесс) человека:

1. Сбор информации

2. Обработка информации

3. Передача информации

4. Хранение информации

5. Поиск информации

6. Защита информации

Кодирование информации в компьютере

Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код.

Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку.

Информационный процесс кодирования информации встречается в нашей жизни на каждом шагу.

Любое общение между людьми происходит именно благодаря тому, что они научились выражать свои образы, чувства и эмоции с помощью специально предназначенных для этого знаков – звуков, жестов, букв и пр.

Одно и то же сообщение можно закодировать разными способами, т.е. выразить на разном языках. В процессе развития человеческого общества люди выработали большое число языков кодирования. К ним относятся:

• разговорные языки (русский, английский, хинди и другие, всего около 5000);

• язык мимики и жестов;

• язык рисунков и чертежей;

• языки науки (язык математики, химии и т.д.);

• язык искусства (музыки, живописи, скульптуры);

• специальные языки (эсперанто, морской семафор, азбука Морзе, азбука Брайля для слепых и т.д.)

Представления чисел.

Для записи информации о количестве объектов используются числа. Числа записываются с использованием особых знаковых систем, которые называются системами счисления.

Система счисления – совокупность приемов и правил записи чисел с помощью определенного набора символов.

Системы счисления.
Позиционные Количественное значение каждой цифры числа зависит от того, в каком месте (позиции или разряде) записано та или иная цифра. 0,7 7 70.	Непозиционные количественное значение цифр не зависит от того, в каком месте (позиции или разряде) записана та или иная цифра. XIX I (1), V (5), X (10), L (50), C (100), D (500), M (1000)

Сумме значений идущих подряд нескольких одинаковых «цифр» (назовем их группой первого вида).

Разности значений двух «цифр», если слева от большей «цифры» стоит меньшая. В этом случае от значения большей «цифры» отнимается значение меньшей «цифры». Вместе они образуют группу второго вида. Заметим, что левая «цифра» может быть меньше правой максимум на один порядок: так, перед L(50) и С(100) из «младших» может стоять только Х(10), перед D(500) и М(1000) только С(100), перед V(5) – только I(1).

Сумме значений групп и «цифр», не вошедших в группы первого или второго вида.

Например: VI = 5 + 1 = 6, а IX = 10 - 1 = 9.

Число 32 в римской системе счисления имеет вид:

ХХХII = (Х + Х + Х) + (1 + 1) = 30 + 2

XXXIV = 10+10+10–1+5 = 3×10 + -1 +5 = 34

(две группы первого вида).

Число 444, имеющее в десятичной записи 3 одинаковые цифры, в римской системе счисления будет записано в виде:

CDXLIV = (D – С) + (L – Х) + (V – 1) = 400 + 40 + 4

(три группы второго вида).

Число 1974 в римской системе счисления имеет вид:

MCMLXXIV = М + (М – С) + L + (Х + Х) + (V – 1) = 1000 + 900 + 50 + 20 + 4

(наряду с группами обоих видов в формировании числа участвуют отдельные «цифры»).

Двоичное кодирование текстовой информации.

Для кодирования одного символа используется количество информации = 1 байт (1 байт = 8 бит).

Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов.

2⁸ = 256

Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены в соответствии порядковые номера (коды), называется таблицей кодировки.

ASCII – американский стандартный код для информационного обмена.

И зображения.
Растровые. Представляют собой совокупность точек (пикселей) разных цветов.	Векторные. Представляют собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс …). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависит от прикладной среды.