Основы информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНТРАНС РОССИИ)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ)

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

ИНФОРМАТИКА

Методические указания и контрольные задания

для студентов заочного факультета

Санкт-Петербург

Одобрено и рекомендовано к изданию

Учебно-методическим советом Университета

Ш87 (03)

Информатика: Методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета. С.-Петербург: СПб ГУ ГА (Красноярский филиал), 2015 . - 73 с.

Издаются в соответствии с образовательно-профессиональной программой по дисциплине «Информатика» объемом 72 часа.

Содержат методические указания по изучению курса и контрольные задания по темам. Дается необходимый теоретический материал, примеры выполнения контрольных работ и приведены вопросы для самопроверки.

Табл. 3, библ. 15, назв., прилож. 2.

Составитель: Т.А.Степанова, доцент

© СПб ГУ ГА, 2015ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ КУРСА

Дисциплина «Информатика» С2.Б.2 входит в раздел рабочего плана С2 «Математический и естественнонаучный цикл» подраздел «Базовая часть».

Изучает теоретические основы информатики, ее место в системе наук и роль в современном мире, процессы измерения, передачи и обработки информации, основные парадигмы и технологии программирования, элементы Web-программирования, современные информационные технологии .

Обеспечивает развитие информационной культуры и алгоритмического мышления, способности к анализу и синтезу информации, навыков владения современными информационными технологиями, общекультурных и профессиональных компетенций

Цель освоения дисциплины "Информатика" - получение студентами системы знаний, необходимых для применения информационных технологий в профессиональной деятельности; профессиональное овладение теоретическими основами информатики в соответствии с Требованиями Государственного стандарта высшего профессионального образования к уровню подготовки студентов; обучение студентов навыкам применения теоретических знаний для решения практических задач.

Задача дисциплины - формирование у студентов знаний

Теоретических основ информатики

Основ алгоритмизации и программирования,

Современных информационных технологий,

Программных средств общего назначения,

Для изучения дисциплины «Информатика» необходимо освоение дисциплины «Математика» в объеме средней школы.

Дисциплина «Информатика» является предшествующей для дисциплины «Электротехника и электроника», входящей в раздел «Профессиональный цикл».

В процессе освоения данной дисциплины формируются следующие компетенции:

общекультурные (ОК):

готовностью работать с информацией из различных источников (ОК-53);

способностью и готовностью к подготовке и редактированию текстов профессионального и социально-значимого содержания (ОК-55);

способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного общества, осознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-58);

владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения и переработки информации (ОК-59);

профессиональные (ПК):

иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ПК-11);

готовностью пользоваться информацией, получаемой из глобальных компьютерных сетей (ПК-12);

готовность работать с программными средствами общего назначения (ПК-13);

способностью использовать языки и системы программирования, инструментальные средства компьютерного моделирования для решения различных исследовательских и производственных задач (ПК-14);

способностью настраивать и осуществлять обслуживание аппаратно-программных средств (ПК-25);

готовностью выполнять работы по информационному обслуживанию эксплуатации воздушных судов и объектов авиационной инфраструктуры, организации воздушного движения, аэронавигационного обслуживания полетов и использования воздушного пространства с помощью средств вычислительной техники (ПК-38).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты образования.

Знать: информатика гипертекст программирование парадигма

основные сведения о дискретных структурах, используемых в персональных компьютерах (ОК-10, ОК-13);

основные алгоритмы типовых численных методов решения математических задач (ОК-4, ОК-13);

один из языков программирования (ПК-14);

структуру локальных и глобальных компьютерных сетей (ПК-12);

характеристики технических и программных средств реализации информационных технологий (ПК-25);

методы решения функциональных и вычислительных задач (ПК-13);

основные процедуры алгоритмизации и программирования, базы данных (ПК-14);

методы сбора, хранения и обработки информации, применяемые в профессиональной деятельности (ОК-59);

основные модели, используемые для разработки, внедрения, функционирования, мониторинга, анализа, поддержки и улучшения системы менеджмента информационной безопасности (ОК-58);

Уметь:

работать в качестве пользователя персонального компьютера (ОК-53, ПК-11);

использовать внешние носители информации для обмена данными между машинами (ПК-11);

создавать резервные копии, архивы данных и программ (ОК-59);

использовать вычислительную технику и стандартные пакеты прикладных программ для решения практических задач на персональном компьютере (ОК-55);

использовать языки и системы программирования для решения профессиональных задач (ПК-14);

работать с программными средствами общего назначения (ПК-13)

Владеть:

методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях (ОК-59, ПК-12);

техническими и программными средствами защиты информации при работе с компьютерными системами, включая приемы антивирусной защиты (ОК-58)

Перед изучением курса необходимо ознакомиться с программой и продумать календарный план самостоятельной учебной работы, согласуя его с учебным графиком и планами по другим дисциплинам. Наряду с изучением теории, необходимо ознакомиться с решением типовых практических заданий по каждой теме курса и выполнить контрольную работу.

Большую помощь в изучении курса оказывает хороший конспект учебника или аудиторных лекций. Такой конспект поможет глубже понять и запомнить изучаемый материал. Он служит также справочником, к которому приходится прибегать, сопоставляя темы в единой взаимосвязи. Кроме того, студенту предлагаются учебные ресурсы в электронном виде: программа курса, электронные варианты лекций (в формате документов MS Word и презентации в MS PowerPoint), примеры выполнения практических заданий (в MS Word, MS Excel, HTML), вопросы для самопроверки, варианты контрольных работ. Они представлены в приложениях к данным методическим рекомендациям. Электронный вариант лекций позволяет заранее ознакомиться с темой лекции и получить первоначальное представление о содержании лекции. Если студент имеет такое представление, он приходит на лекцию подготовленным к прослушиванию материала с определенным уровнем понимания. С подготовленной к лекции студенческой аудиторией имеет смысл обсуждать материал, устраивать дискуссии на тему лекции, что обеспечивает совершенно новый качественный уровень понимания и усвоения теоретической части курса, чем простое механическое конспектирование содержания лекции.

Выполнение практических заданий предусматривает организацию поиска необходимой информации в сети Интернет.

5. Если в процессе изучения курса информатики у студента возникли трудности, то он должен обратиться за письменной консультацией на кафедру Академии ГА или за устной консультацией в учебно-консультативный пункт по месту своего прикрепления.

При изучении тем курса следует руководствоваться рабочей программой, методическими указаниями и перечнем рекомендуемой литературы.

Рабочая программа по курсу «информатика»

Тематический план

№ п/п	Наименование темы	Количество часов
		Лекции	Практ.зан.	Сам. раб.
1.	Роль и место информатики в системе наук	2		8
2.	Теория информации	2		10
3.	Основные парадигмы и технологии программирования	2		10
4.	Информационные технологии		4	18
5.	Язык разметки гипертекстов HTML	2	4	20
	ИТОГО:	8	8	66

Тема 1. Роль и место информатики в системе наук

Предмет и понятие информатики; история развития информатики; кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах; теоретические основы организации вычислительных машин (принципы Неймана); информатика - единство науки и технологии; основные разделы современной информатики; роль информатики в современном мире (2 час)

Тема2. Теория информации

Понятие информации; информация - третья сущность мира; свойства информации; обработка информации; способы измерения количества информации; вероятностный и объемный подходы к измерению информации; формула Хартли; формула Шеннона; информация и физический мир; информация как философская категория; социальная значимость информации. (2 часа)

Тема 3. Основные парадигмы и технологии программирования

Машинно-ориентированное программирование, процедурное и структурное программирование, логическое и функциональное программирование, объектно-ориентированное программирование, параллельное программирование, сценарное программирование. Основные этапы решения задач при помощи вычислительной техники. Алгоритмизация. Определение и свойства алгоритма. основные алгоритмические конструкции. Теорема Дейкстры.

Тема 4. Информационные технологии

Подготовка документов в Microsoft Word: Назначение и общая характеристика программы. Форматирование шрифта и абзаца. Параметры страницы. Создание таблиц. Стили и заголовки различных уровней. Использование возможностей текстового редактора в профессиональной деятельности.

Обработка данных в Microsoft Excel:Назначение и общая характеристика программы. Адресация ячеек: ссылки абсолютные, относительные, смешанные. Ввод и редактирование данных, формулы. Диаграммы: график и точечная диаграмма. Использование возможностей электронных таблиц в профессиональной деятельности.

Создание презентаций в Microsoft PowerPoint: Назначение и общая характеристика программы. Слайды. Макет слайда. Заголовок и текст слайда. Использование возможностей компьютерной презентации в профессиональной деятельности.

Тема 5. Язык разметки гипертекстов HTML

Назначение и общая характеристика. Структура HTML-документа. Тело документа - тег BODY и его параметры. Форматирование текста. Создание гиперссылок. Встраивание изображений.

Вопросы для самопроверки

Информатика как фундаментальная естественная наука.

Информатика: единство науки и технологии

История развития информатики.

Основные разделы современной информатики. Теоретическая информатика.

Основные разделы современной информатики. Техническая информатика

Основные разделы современной информатики. Социальная информатика

Основные разделы современной информатики. Биоинформатика

Принципы фон Неймана

Понятие информации. Различные подходы к определению. Сообщение, источник информации, получатель информации, канал связи. Примеры.

Субъективное и объективное восприятие информации. Свойства субъективного восприятия. Примеры

Сигнал. Параметр сигнала. Непрерывная и дискретная информация. Примеры.

Измерение количества информации. Вероятностный подход. Понятие энтропии. Формула Хартли.

Измерение количества информации. Вероятностный подход. Формула Шеннона.

Измерение количества информации. Объемный подход. Единицы измерения информации.

Соотношение между вероятностным и объемным количеством информации. Избыточное сообщение.

Физическая трактовка информации. Основные с точки зрения физической интерпретации свойства информации

Информация как философская категория

Социальная значимость информации

История создания языков программирования

Основные парадигмы и технологии программирования. Машинно-ориентированное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Императивная парадигма. Директивное, процедурное и структурное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Объектное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Декларативная парадигма. Функциональное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Декларативная парадигма. Логическое программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Визуальное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Параллельное программирование.

Основные парадигмы и технологии программирования. Сценарное программирование.

Назначение и общая характеристика программы Microsoft Word. Подготовка документов в Microsoft Word.

Назначение и общая характеристика программы Microsoft Excel. Обработка данных в Microsoft Excel. Назначение и общая характеристика программы.

Назначение и общая характеристика программы Microsoft PowerPoint. Создание презентаций в Microsoft PowerPoint.

Язык разметки гипертекстов HTML. Назначение и общая характеристика.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

а) основная литература:

1 Соболь, Б.В. Информатика: учебник [Текст] / Б.В.Соболь, А.Б. Галин, Ю.В. Панов и др. - изд. 3-е дополн. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 446 с. - (Высшее образование). - ISBN 978-5-222-12081-1.

2 Степанов, А.М. Информатика. [Текст]. - 4-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 684 c.: ил. - (Учебник для вузов). - ISBN: 5-94723-898-5.

3 Юша, Н.Ф. Информатика: Методические указания по изучению раздела 1 «Windows, MS Word, MS Excel, MS PowerPoint, утилиты, браузер» и выполнению лабораторных работ. [Текст] / Н.Ф. Юша, Г.Ю.Шмелева. - СПб: Академия гражданской авиации, 2007. - 135 c.: ил.

4 Романова, Ю.Д. и др. Информатика и информационные технологии: учебное пособие: [Текст]. / Ю.Д. Романова, И.Г. Лесничая, В.И. Шестаков, И.В. Миссинг и др. - 3-е изд., перераб. и доп./ Под ред. Ю.Д. Романовой - М.: Эксмо, 2008. - 592 с. - (Высшее экономическое образование). - ISBN: 978-5-699-22955-0.

б) дополнительная литература:

8 Догадин, Н.Б. Архитектура компьютера: учебное пособие [Текст]. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011 (2008) - 271 с.: ил. - (Педагогическое образование). ISBN: 978-5-94774-728-7.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

11 Операционная система Microsoft Windows NT/98/2000/Me/XP/2003/2007.

12 Изучаемое прикладное и инструментальное программное обеспечение - лицензионные (Microsoft Office) или бесплатные свободно распространяемые версии (MS Visual Basic 5.0-6.0).

13 Создание сайтов [Электроный ресурс]. - Режим доступа: http://site-do.ru/. -Рус. загл. с экрана.

г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

Система поиска в сети Интернет www.google.com или www.yandex.ru.

7 Материально-техническое обеспечение дисциплины

1 Компьютерный класс, оборудованный ПК, индивидуально для каждого студента.

2 Инсталлированные изучаемые средства прикладного и инструментального ПО: MS Office (MS Word и MS Excel), MS Visual Basic 5.0-6.0.

3 Доска для записей при чтении лекции.

4 Доска для записей при проведении практических занятий и лабораторных работ.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Задание №1. Электронные таблицы

Создать список достаточно большой (25-30 человек) студенческой группы, в котором хранятся результаты всех сданных экзаменов

Отсортировать список по алфавиту.

Закрепить Колонку с фамилиями и Строку с наименованиями предметов

Посчитать средний балл для каждого студента, найти максимальный и минимальный баллы, средний балл по группе.

Добавить столбец, в котором напротив каждой фамилии с помощью функции ЕСЛИ определяется статус успеваемости: «успевающий», если нет двоек; «неуспевающий» если есть двойки.

С помощью функции СЧЕТЕСЛИ определить, сколько в группе отличников (средний балл>4), (ударников 3<средний балл<=4), троечников (2<средний балл<=3) и неуспевающих (средний балл <3)

Отразить результаты при помощи диаграмм различного вида (ступенчатая, круговая)

Отсортировать список по среднему баллу

На следующем листе рассчитать значения функции (по вариантам).на отрезке от 1 до 10 с шагом h=1; по рассчитанным значениям построить график функции

Варианты:

1.Y=X2-2	11.Y=sin(2*x)-ln(x)	21.Y=sin(x)+cos(x)
2.Y=X3+3	12.Y=2*cos(x)- ex	22.Y=cos(x)-sin(x)
3.Y=sin(x)	13.Y=X2-3	23.Y=sin(2*x)-2*ln(x)
4.Y=cos(x)	14.Y=(X-2)3	24.Y=cos(x+1)+ex+1
5.Y=sin(x)-ln(x)	15.Y=sin(3*x)	25.Y=3-X2
6.Y=cos(x)- ex	16.Y=cos(x)-1	26.Y=1-X3
7.Y=2X2+1	17.Y=sin(x)+ln(x)	27.Y=sin(1-x)
8.Y=2X3-1	18.Y=cos(3*x)+ex	28.Y=cos(2-x)
9.Y=sin(x)+2	19.Y=(X+1)2-2	29.Y=sin(2-x)-ln(x)
10.Y=cos(2*x)	20.Y=2X3-1	30.Y=cos(1-x)+ex-1

Задание 2. Текстовые процессоры

Подготовить статью (3-4 или более стр.), с информацией об ученом (по вариантам). В статью включить биографические сведения, фото или портрет, краткое описание вклада в науку, основные работы.

Оформить текст статьи, следуя правилам набора текста (например, шрифт Times New Roman; 14 кегель; межстрочный интервал - 1,5; отступ первой строки 1 см; выравнивание по ширине; поля: левое - 3 см, правое 1,5 см, нижнее и верхнее - 2 см)

Расставить номера страниц;

Добавить верхний колонтитул с названием текста, автором и рисунком - эмблемой;

Сформировать автоматическое оглавление.

Варианты:

Беббидж Чарльз	Дейкстра Эдсгер Вибе	Лейбниц Готфрид Вильгельм	Нейман фон Джон	Тьюринг Аллан
Буль Джордж	Ершов Андрей Петрович	Ляпунов Александр Михайлович	Ньютон Исаак	Хартли Ральф
Бэкус Джон	Кнут Дональд Эрвин	Ляпунов Алексей Андреевич	Паскаль Блез	Хэмминг, Ричард Уэсли
Винер Норберт	Колмогоров Андрей Николаевич	Маккарти Джон	Римтчи Демннис Макалистэйр	Шеннон Клод
Вирт Никлаус	Лавлейс Ада	Минский Марвин Ли	Симпсон Томас	Эйлер Леонард
Гаусс Карл Фридрих	Лагранж Жозеф Луи	Наур Петер	Страуструп Бьёрн	Якоби Карл

Задание 3. Создание презентации

Создать презентацию (7-8 или более слайдов.), с информацией об ученом (по вариантам, см.задание 2).

Выбрать оформление и дизайн слайдов, разместить на них изображения.

Задание № 4. HTML

Создать web-страницу с информацией об известных ученых (см.задание 2)

Оформить содержание странички шрифтами различного цвета и размера, разместить фото или портрет ученого.

При создании странички использовать фоновое изображение, гиперссылки на ее разделы.



Лекция 1. История развития информатики, ее роль и место в системе наук

Информатика - это относительно молодая научная дисциплина, и на сегодняшний день не существует установившегося и общепринятого толькования этого термина. В качестве рабочего можно записать следующее определение:

Информатика - это наука, изучающая общие свойства и структуру информации, а также закономерности и принципы ее создания, преобразования, накопления, передачи и использования в различных областях человеческой деятельности. Понятно, что современный поток информации человечество может воспринять только с помощью компьютеров, которые осуществляют автоматическую обработку информации.

Сразу отметим, что не создание вычислительной техники следует считать отправной точкой в возникновении информатики. Компьютер сам по себе является продуктом длительного развития вычислительных устройств и его можно рассматривать только лишь как инструмент, средство информатики. Появление компьютеров повлияло на темпы становления информатики, ее характер и содержание. Но связывать возникновение информатики только с появлением компьютеров или, наоборот, считать появление компьютера результатом развития информатики было бы неверно.

Формирование исходных теоретических основ и понятий информатики началось еще до появления первых вычислительных машин. Своим развитием информатика обязана ряду наук, в том числе математике, теории связи, экономике, электронике, теории управления, лингвистике и особенно киберенетике

Кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных возникла и начала бурно развиваться после второй мировой войны. Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием (1948г.) американским математиком Норбертом Винером ставшей знаменитой книги «Кибернетика или управление и связь в животном и машине".

Рис. 1.1. Общая схема обмена информацией между системой и внешней средой.

Развиваясь одновременно с развитием вычислительной техники, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации. Под информацией в кибернетике понимается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторая система воспринимает от окружающей среды (входная информация X), выдает в окружающую среду (выходная информация Y), а также хранит в себе (внутренняя, внутрисистемная информация Z).

В нашей стране развитие кибернетики переживало драматические периоды. Как писал академик А. И. Берг, "... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин". Достаточно сказать, что еще в философском словаре 1959 года издания кибернетики характеризовались как "буржуазная лженаука".

Вскоре вслед за появлением термина "кибернетика" в мировой науке стало использоваться англоязычное "Computer Science", - «вычислительная наука», а чуть позже, на рубеже 60-х и 70-х годов, французы ввели получивший сейчас широкое распространение термин "Informatigue".

Надо сказать, что понятие информатики появилось практически одновременно и в нашей стране, и во Франции. В 1963 г. в журнале «Известия вузов» была опубликована статья профессора Темникова Т.Ф. «Информатика». В этой статье была сделана одна из первых попыток определить границы интегральной науки об информации, рассматривающей теории информационных элементов, информационных процессов и информационных систем. Однако распространение получил французский вариант толкования информатики, обозначающий науку о компьютерах и их применении.

Однако, как отмечал один из основоположников советской, а теперь российской информатики академик А.П.Ершов, термин "информатика" "вводится в русский язык в куда более широком значении - как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании информатика оказывается непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу "традиционных" академических научных дисциплин".

Информатика: единство науки и технологии

Однако очевидно, что информатика - отнюдь не только "чистая наука". У нее, безусловно, есть научное ядро, но важной особенностью информатики является то, что она имеет широчайшие приложения, охватывающие почти все виды человеческой деятельности: производство, управление, науку, образование, проектные разработки, торговлю, финансовую сферу, медицину, криминалистику, охрану окружающей среды и др., а также быт, личную работу. Главное значение здесь имеет совершенствование социального управления на основе новых информационно технологий.

Как наука, информатика изучает общие закономерности, свойственные информационным процессам (в самом широком смысле этого понятия). Когда разрабатываются новые носители информации, каналы связи, приемы кодирования, визуального отображения информации и многое другое, то конкретная природа этой информации почти не имеет значение. Например, для разработчика системы управления базами данных (СУБД) важны общие принципы организации и эффективность поиска данных, а не то, какие конкретно данные будут затем заложены в базу многочисленными пользователями. Эти общие закономерности есть предмет информатики как науки.

Основные разделы современной информатики.

Оставляя в стороне прикладные информационные технологии, опишем составные части современной информатики. Каждая из этих частей может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике - т.е. хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, по духу и взаимопроникновению - части одной науки.

По предметам и методам исследования можно выделить самостоятельные направления в информатике: теоретическую, техническую, социальную и биологическую информатику.

Теоретическая информатика - раздел информатики, тесно связанный с математикой. Это математические основы информатики. Он опирается на математическую логику и включает такие разделы как теория алгоритмов, системный анализ, теория информации и теория кодирования, исследование операций и другие. Этот раздел информатики использует математические методы для общего изучения моделей процессов обработки передачи и использования информации.

Техническая информатика изучает принципы и методы функционирования и построения технических средств информатики, а также прикладные основы создания информационных технологий. В технической информатике выделяют следующие направления: вычислительная техника, алгоритмизация и программирование, информацонные системы и компьютерные сети, искусственные интеллект.

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, на значение, 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.

В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман разработал теоретические основы организации вычислительных машин. Согласно его идеям, реализация структуры компьютера должна основываться на трех принципах:

Использование двоичной системы для представления чисел

Принцип произвольного доступа к ячейкам памяти

Принцип хранимой программы

Принцип последовательного выполнения команд

Использование двоичной системы для представления чисел. Ранее предлагалось обрабатываемые числа хранить в десятичном виде. Нейман убедительно продемонстрировал преимущества двоичной системы для технической реализации, простоту и удобство выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем на компьютерах стали обрабатывать не только числовую, но и другие виды информации - текстовую, графическую, звуковую и др., но она также подвергается двоичному кодированию.

Принцип произвольного доступа к ячейкам памяти заключается в том, что компьютер на каждом этапе своей работы может обращаться к любым ячейкам памяти как для чтения, так и для записи. Для обеспечения такого доступа каждой ячейке дается индивидуальное имя. Все ячейки перенумерованы и в качестве имени ячейки понимается ее порядковый номер, который называют адресом ячейки

Принцип хранимой программы. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первый догадался, что программа может также хранится в виде набора нулей и единиц, причем в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Принцип последовательного выполнения команд, в соответствии с которым команды компьютерной программы выполняются последовательно, в порядке их следования в памяти. Последовательное выполнение может быть прервано и возобновлено с любого места программы специальными командами перехода.

Алгоритмизация и программирование - деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения. (системного и прикладного программного обеспечения). Среди системного - разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разработка новыъх операционных систем, интерфейсных операционных систем (пример- общеизвестная Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные - системы обработки текстов, электронные процессоры, базы данных. В каждой области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы - решение вопросов об анализе потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска. Информационно справочные системы, информационно - поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации, включая широко известный Internet - все это выходит в последнее десятилетие XX века на передний план и привлекает внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования, поиска принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером такого решения на глобальном уровне стала гипертекстовая поисковая система www; на значительно более низком уровне - справочная система, к услугам которой мы прибегаем, позвонив по телефону 09.

Искусственный интеллект - область информатики, в которой решают сложнейшие проблемы, стоящие на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой, другими науками - как научить компьютер мыслить наподобии человека? Поскольку мы далеко не все знаем о том, как мыслит человек, эта деятельность, несмотря на полувековую историю, все еще имеет ряд принципиально нерешенных проблем. Перечислим основные направления разработок в данной сфере: моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознание 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 межчеловеческое и станет более эффективным, чем существующее.

Биоинформатика рассматривает общие закономерности и особенности протекания информационных процессов в живых организмах и растениях.

Социальная информатика изучает общие закономерности информационного взаимодействия в обществе и особенности построения информационного общества

Место информатики в системе наук.

Важным вопросом является определение места науки информатики в традиционно сложившейся системе наук (технических, естественных, гуманитарных и т.д.).

Ранее мы уже приводили характеристику предмета и понятия информатики, высказанную академиком А.П.Ершовым. Напомним, что с его точки зрения информатика - "фундаментальная естественная наука". Такова же точка зрения и академика Б.Н.Наумова, который определял информатику "как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)".

Чтобы обсудить эту позицию крупнейших ученых, напомним, что такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь разных наук как математика и философия. В этом же ряду и информатика, так как понятия "информация", "процессы обработки информации" несомненно, имеют общенаучную значимость.

Естественные науки - физика, химия, биология и другие имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы - искусственных, биологических, общественных.

Однако, ряд ученых подчеркивают, что информатика имеет характерные черты и других групп наук - технических и гуманитарных (или общественных). Черты технической науки придают информатике ее аспекты, связанные с созданием и функционированием машинных систем обработки информации. Так, академик А.А. Дородницын определяет состав информатики как "три неразрывно и существенно связанные части: технические (или аппаратные) средства (Hardware), программные (software) и алгоритмические (brainware)".

И, наконец, науке информатике присущи некоторые черты гуманитарной(общественной) науки, что обусловлено ее вкладом в развитие и совершенствование социальной сферы. Таким образом, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания.

Лекция 2. Информация, ее виды и свойства

Понимание единой природы информации вслед за установлением единой природы вещества и энергии стало важным шагом к постижению материального единства мира.

Академик А.П.Ершов.

Различные уровни представлений об информации.

Понятие информация является одним из самых фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Однако, если задаться целью формально определить понятие "информация", то сделать это будет чрезвычайно сложно. Аналогичными "неопределяемыми" понятиями, например, в математике является "точка" или "прямая". Так, можно сделать некоторые утверждения, связанные с этими математическими понятиями, но сами они не могут быть определены с помощью более элементарных понятий.

Приведем некоторые из используемых определений понятия Информация:

Сведения о каких-либо, ранее неизвестных объектах, явлениях или событиях;

Содержательное описание объекта или явления;

Содержание сигнала, сообщения;

Мера разнообразия;

Отраженное разнообразие;

Уменьшение неопределенности;

Уменьшение энтропии;

Продукт научного познания;

Содержание отображения реальной действительности;

Третья сущность мира (наряду с материей и энергией);

Свойство материи.

В простейшем бытовом понимании с термином "информация" обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т.п.

Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются: музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т.д. При этом предполагается, что имеются "источник информации" и "получатель информации". Сообщение от источника к получателю передается посредством какой-либо среды, являющейся в таком случае " каналом связи " (см. рисунок 1.2). Так, при передаче речевого сообщения в качестве такого канала связи можно рассматривать воздух, по которому распространяются звуковые волны, а в случае передачи письменного сообщения (например, текста, распечатанного на принтере) каналом сообщения можно считать лист бумаги, на котором напечатан текст.

Рис.1.2. Схема передачи информации.

Человеку свойственно субъективное восприятие информации через некоторый набор ее свойств:

важность,

достоверность,

своевременность,

доступность.

В этом смысле одно и то же сообщение, передаваемое от источника к получателю, может передавать информацию в разной степени. Так, например, вы хотите сообщить о неисправности компьютера. Для инженера из группы технического обслуживания сообщение "компьютер сломался" явно содержит больше информации, чем для вахтера. Но, в свою очередь, для инженера сообщение "не включается дисплей" содержит информации больше чем первое, поскольку в большей степени снимает неопределенность, связанную с причиной неисправности компьютера. Как видно, прием и передача сообщений связаны с интересами пользователей, и одно и то же сообщение для различных пользователей несет различную информацию.

Использование выше терминов "больше информации" или "меньше информации" подразумевает некую возможность ее измерения (или хотя-бы количественного соотнесения). При субъективном восприятии измерение информации возможно лишь в виде установления некоторой порядковой шкалы для оценки "больше" - "меньше", да и то субъективной, поскольку на свете немало людей, для которых, например, оба сообщения, использованных выше в качестве примера, вообще не несут никакой информации. Такое становится невозможным при введении объективных характеристик, из которых для информации важнейшей является количество. Однако, при объективном измерении количества информации следует заведомо отрешиться от восприятия ее с точки зрения субъективных свойств, примеры которых перечислены выше. Более того, не исключено, что не всякая информация будет иметь объективно измеряемое количество - все зависит от того, как будут введены единицы измерения. Не исключено и то, что при разных способах введения единиц измерения информация, содержащаяся в двух допускающих измерение сообщениях, будет по-разному соотноситься.

Непрерывная и дискретная информация.

Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция - носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случае сигнал - это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики (например, при передаче электрических сигналов может изменяться напряжение и сила тока). Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала.

В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы) сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов - дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником в этом случае, также называется дискретной. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала - непрерывная функция от времени), то соответствующая информация называется непрерывной. Пример дискретного сообщения - процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков - букв. Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника - человеческого уха. Непрерывное сообщение может быть представлено некоторой непрерывной функцией, заданной на некотором интервале (см. рис.1.4а).

Непрерывные сообщения можно преобразовать в дискретное (данная процедура называется дискретизацией, или квантованием). Из всего бесконечного множества значений параметра сигнала выбирается их определенное количество, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Для этого область определения функции разбивается на отрезки равной длины и на каждом из этих отрезков значение функции принимается постоянным и равным, например, среднему значению на этом отрезке (см. рис. 1.4b). Полученную функцию, называемую в математике ступенчатой, можно изобразить и иначе, например, с помощью соответствующих вертикальных линий (рис. 1.4c).

Рис.1.4. Процедура дискретизации непрерывного сообщения.

Ось значений функции можно разбить на отрезки с заданным шагом квантования и отобразить каждый из выделенных отрезков из области определения функции в соответствующий отрезок из множества значений (рис. 1.4d). В итоге получим конечное множество чисел, определяемых, например, посередине или по одной из границ таких отрезков. Таким образом, любое сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита.

Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью (для возрастания точности достаточно уменьшить шаг квантования) принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер - цифровая машина, т.е. внутреннее представление информации в нем только дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки.

Единицы количества информации: кибернетический и объемный подходы.

Определить понятие "количество информации" довольно сложно. Существуют два основных (и в основе своей разных, хотя и имеющих точки пересечения) подхода к измерению количества информации. Исторически они возникли почти одновременно. В конце 40-х годов XX века один из основоположников кибернетики американский математик Клод Шеннон развил т.н. кибернетический (или вероятностный) подход к измерению количества информации, а работы по созданию вычислительной техники привели к объемному подходу в измерении информации.

Вероятностный подход

Рассмотрим в качестве примера опыт, связанный с бросанием правильной игральной кости, имеющей N граней (наиболее распространенным является случай шестигранной кости: N = 6). Результаты данного опыта могут быть следующие: выпадение грани с одним из следующих знаков: "1", "2", . . . "N".

С проведением данного опыта связана некоторая неопределенность (мы не знаем точно, что будет исходом опыта: "1", "2", "3", "4", "5" или "6"). Если бы у кости было больше граней, то неопределенность исхода, очевидно, была бы еще больше. Аналогично, с уменьшением количества граней N неопределенность будет уменьшаться, а в предельном случае, когда у кости только одна грань (или на шестигранном кубике на каждой грани написано одно и то же), неопределенности не будет вообще.

Введем в рассмотрение численную величину, измеряющую неопределенность - энтропию (обозначим ее H). Величины N и H связаны между собой некоторой функциональной зависимостью:

H = f(N), (1.1)

а сама функция f является возрастающей, неотрицательной и определенной (в рассматриваемом нами примере) для N = 1,2, ... 6. Рассмотрим процедуру бросания кости более подробно:

1. Готовимся бросить кость; исход опыта неизвестен, т.е. имеется некоторая неопределенность. Обозначим ее H1.

2. Кость брошена; информацию об исходе данного опыта получена. Обозначим количество этой информации через I.

3. Обозначим неопределенность данного опыта после его осуществления через H2.

За количество информации, которое получено в ходе осуществления опыта, примем разность неопределенностей, имевшихся "до" и "после" опыта:

I = H1 - H2 (1.2)

Очевидно, что в случае, когда получен конкретный результат, имевшаяся неопределенность снята (H2=0), и, таким образом, количество полученной информации совпадает с первоначальной энтропией. Иначе говоря, неопределенность, заключенная в опыте, совпадает с информацией об исходе этого опыта.

Следующим важным моментом является определение вида функции f в формуле (1.1). Если варьировать количество граней N и количество бросаний кости (обозначим эту величину через M), то из математики известно, что общее число исходов (векторов длины M, состоящих из знаков "1", "2", ..., "N") будет равно N в степени М:

X=NM (1.3)

Так, в случае двух бросаний кости с шестью гранями имеем:

X = 6 2 = 36.

Ситуацию с бросанием M раз кости можно рассматривать как некую сложную систему, состоящую из независимых друг от друга подсистем - "однократных бросаний кости". Энтропия такой системы в M раз больше, чем энтропия одной системы (так называемый "принцип аддитивности энтропии"):

f(6M)=Mf(6)

Данную формулу можно распространить и на случай любого N:

f(NM)=Mf(N)(1.4)

Прологарифмируем левую и правую часть формулы (1.3):

ln X = M * ln N, M = ln X / ln N

Подставляем полученное для M значение в формулу (1.4):

f(X) =(ln X/ ln N)* f(N)

Обозначив через K положительную константу f(N)/ln(M) ,получим:

f(X) = K * ln X

или, с учетом (1.1), H = K * ln N

Обычно принимают K =1/ln2 и, таким образом

H=log2 N (1.5)

- эта формула называется формула Хартли.

Важным при введение какой либо величины является вопрос о том, что принимать за единицу ее измерения. Очевидно, H будет равным 1 при N = 2. Иначе говоря, в качестве единицы принимается количество информации, связанное с проведением опыта, состоящего в получении одного из двух равновероятных исходов (примером такого опыта может служить бросание монеты при котором возможны два исхода: "орел", "решка"). Такая единица количества информации называется "бит".

Все N исходов рассмотренного выше опыта являются равновероятными и поэтому можно считать, что на "долю" каждого исхода приходится одна N-я часть общей неопределенности опыта:

( log2 N) / N При этом вероятность i-го исхода Pi равняется, очевидно,1/N.

Таким образом:

(1.6)

Та же формула (1.6) принимается за меру энтропии в случае, когда вероятности различных исходов опыта неравновероятны (т.е. Pi могут быть различны). Формула (1.6) называется формулой Шеннона. В качестве примера определим количество информации, связанное с появлением каждого символа в сообщениях, записанных на русском языке. Будем считать, что русский алфавит состоит из 33 букв и знака "пробел" для разделения слов. По формуле (1.5) имеем:

H=log234 ? 5 бит.

Однако, в словах русского языка (равно как и в словах других языков) различные буквы встречаются неодинаково часто. Ниже приведена таблица вероятностей всех знаков русского алфавита, полученная на основе анализа очень больших по объему текстов.



Таблица 1.3 - Частотность букв русского языка.

i	символ	P(i)
1	-	0.175
2	О	0.090
3	Е	0.072
4	Е	0.072
5	А	0.062
6	И	0.062
7	Т	0.053
8	Н	0.053
9	С	0.045
10	Р	0.040
11	В	0.038
12	Л	0.035
13	К	0.028
14	М	0.026
15	Д	0.025
16	П	0.023
17	У	0.021
18	Я	0.018
19	Ы	0.016
20	З	0.016
21	Ь	0.014
22	Ъ	0.014
23	Б	0.014
24	Г	0.012
25	Ч	0.012
26	И	0.010
27	Х	0.009
28	Ж	0.007
29	Ю	0.006
30	Ш	0.006
31	Ц	0.004
32	Щ	0.003
33	Э	0.003
34	Ф	0.002

Воспользуемся для подсчета H формулой (1.6): H ? 4.72 бит. Полученное значение для H, как и можно было предположить, меньше вычисленного ранее. Величина H, вычисляемая по формуле (1.5), является максимальным количеством информации, которое могло бы приходиться на один знак.

Аналогичные подсчеты H можно провести и для других языков, например, использующих латинский алфавит - английского, немецкого, французского и др. (26 различных букв и "пробел"). По формуле (1.5) получим:

H ? 4.76 бит

Однако, как и в случае русского языка, частоты появления тех или иных знаков не одинаковы. Так, если расположить все буквы данных языков в порядке убывания вероятностей, то получим следующие последовательности:

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК: "пробел", E, T, A, O, N, R, ...

НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК: "пробел", E, N, I, S, T, R, ...

ФРАНЦУЗСКИЙ ЯЗЫК: "пробел", E, S, A, N, I, T, ...

Однако, и формула (1.6) дает не окончательное значение для H, поскольку требуется также учитывать и относительные частоты двухбуквенных, трехбуквенных и т.д. сочетаний.

Рассмотрим алфавит состоящий из двух знаков "0" и "1". Если считать, что со знаками "0" и "1" в двоичном алфавите связаны одинаковые вероятности их появления (а конкретно: P("0")= P("1")= 0.5), то количество информации на один знак при двоичном кодировании будет равно

H = log22= 1 бит.

Таким образом, количество информации (в битах), заключенное в двоичном слове, равно числу двоичных знаков в нем.

Объемный подход

С "компьютерной" точки зрения измерять количество информации достаточно просто. При работе в "привычной" компьютеру двоичной системе счисления знаки "0" и "1" будем называть битами (от английского выражения BInary digiTs - двоичные цифры). Отметим при это, что создатели компьютеров отдают предпочтение именно двоичной системе счисления потому, что в техническом устройстве наиболее просто реализовать некоторый физический элемент, имеющий два различных состояния, например: ферритовое колечко намагничено в одном направлении или в другом, диод открыт или закрыт, конденсатор заряжен или незаряжен и т.п. (подробнее - в главе 4). С точки зрения аппаратной организации компьютера бит, очевидно, является наименьшей возможной единицей информации. Объем же информации в некотором тексте, записанном двоичными знаками в памяти компьютера (или на внешнем носителе информации) подсчитывается чрезвычайно просто, по количеству двоичных символов. При этом, в частности, невозможно нецелое количество битов (в отличие от кибернетического подхода).

Для удобства использования введены более крупные чем бит единицы количества информации. Двоичное слово из восьми знаков (и количество информации, содержащейся в нем) называется байт. 1024 байта образуют килобайт (Кбайт), 1024 килобайта - мегабайт (Мбайт), а 1024 мегабайта - гигабайт (Гбайт).

Между вероятностным и объемным количеством информации соотношение неоднозначное. Далеко не всякий текст, записанный двоичными символами, допускает измерение объема информации в вероятностном смысле, но заведомо допускает его в объемном. Далее, если некоторое сообщение допускают измеримость количества информации в обоих смыслах, то это количество не обязательно совпадает, причем энтропийное количество информации не может быть больше числа двоичных битов в сообщении, только меньше или равно. Если энтропийное количество информации меньше объемного, то говорят, что сообщение избыточно. Примером избыточных сообщений могут служить очевидные, тривиальные сообщения типа «Каждый день встает солнце» «Волга впадает в Каспийское море», которые всегда избыточны, так как содержат нулевую информацию с точки зрения уменьшения энтропии, но содержат ненулевой количество символов.

Измерение информации: более широкий взгляд.

Как ни важно измерение информации, нельзя сводить к нему все связанные с этим понятием проблемы.

Количественные методы измерения информации ознаменовали огромный прогресс, но когда речь заходит об измерении информации в связи с социальными процессами, количественные методы либо вообще неприменимы, либо их недостаточно для полной характеристики. Разумеется, измерить в битах текст, записанный в сообщении, просто пересчитав количество букв, можно всегда, но нужно сознавать всю условность такого измерения - хотя- бы в силу неоднозначности и избыточности, свойственной естественным языкам.

При анализе информации социального (в широким смысле) происхождения на первый план могут выступить такие ее свойства как

истинность,

своевременность,

ценность,

полнота.

Их невозможно оценить в терминах "уменьшение неопределенности" (кибернетический подход) или количества символов (объемный подход).

Однако не следует думать, что, оперируя битами и байтами (и даже гигабайтами), к этому можно свести все связанное со сложным вопросам об информации и ее измерении.

Информация и физический мир.

Известно большое количество работ, посвященных физической трактовке информации. Эти работы в значительной мере построены на основе аналогии формулы Больцмана, описывающей энтропию статистической системы материальных частиц, и формулы Хартли.

Информацию в физическом смысле следует считать особым видом ресурса, при этом имеется ввиду толкование "ресурса" как запаса неких знаний о материальных предметах либо энергетических, структурных или каких-либо других характеристик предмета в составе некоторого объекта, подразумевающее полезность ресурса по отношению к некоторой деятельности. В отличие от ресурсов, связанных с материальными предметами, информационные ресурсы являются неистощаемыми и предполагают существенно иные методы воспроизведения и обновления, чем материальные ресурсы. Рассмотрим некоторый набор свойств информации, которые с точки зрения ее физической интерпретации будем считать основными:

...