Лекция "Основы прикладной информатики."

Раздел 1: Основы прикладной информатики. Лекция 1. Тема 1. Информатика как предмет. Информация и ее свойства. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации. Содержание: 1.1. Появление и развитие информатики 1.2. Структура информатики 1.3. Информация и данные 1.4. Формы адекватности информации 1.5. В каком виде существует информация 1.6. Как передаётся информация 1.7. Как измеряется количество информации 1.8. Качество информации 1.1. Появление и развитие информатики Термин  информатика  возник   в   60­х   гг.   во   Франции   для названия области,  занимающейся автоматизированной обработкой информации   с   помощью   электронных  вычислительных   машин. informatique information automatique ( В 1978 году международный  научный  конгресс  официально закрепил  за понятием "информатика"  области,   связанные   с   разработкой,   созданием,   использованием   и материально­техническим обслуживанием систем обработки информации  приоритетные направления:  pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;  теоpия инфоpмации  математическое моделирование  методы   искусственного   интеллекта,   моделирующие   методы   логического   и аналитического мышления в интеллектуальной деятельности человека (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);  биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах;  1.2. Структура информатики: А.А. Дородницин технические средства, программные и алгоритмические. Hardware Software  последовательности   действий,   ведущих   от   исходных   данных   к   искомому результату, иными словами, разработка алгоритма решения задачи. Brainware  1.3. Информация и данные  "информация"  "informatio",  сведения,   разъяснения,   изложение. Несмотря на широкое распространение этого термина, понятие информации является одним из самых дискуссионных в науке.   в обиходе "сообщить нечто, неизвестное раньше";  Клод Шеннон,  , —  рассматривает информацию как снятую неопределенность наших знаний о чем­то.  Информация — это отрицание энтропии (Леон Бриллюэн);  Современное  научное представление об информации очень точно  сформулировал     Норберт Винер, "отец" кибернетики. А именно:  Информация   —   это   обозначение   содержания,   полученного   из   внешнего   мира   в   процессе   нашего   приспособления   к   нему   и приспособления к нему наших чувств.    Информация   есть   характеристика   не   сообщения,   а  соотношения   между   сообщением   и   его   потребителем.   Без   наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.  В случаях, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких­либо технических устройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.  Применительно   к   ИНФОРМАТИКЕ   под   информацией   понимают последовательность   символических   обозначений   (букв,   цифр, закодированных графических образов и звуков и т.п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде.   Каждый   новый   символ   в   такой   последовательности символов увеличивает информационный объём сообщения.  Наряду   с   информацией   в   информатике   часто   употребляется  понятие  данные. Покажем, в чем их отличие. Данные записанные символы, которые по каким­то причинам не используются, а только хранятся. В том случае, если появляется возможность использовать эти данные  для   уменьшения   неопределенности   о   чем­либо,.  Поэтому можно утверждать,   что   информацией  являются   используемые   данные. данные превращаются в информацию Пример. Напишите на листе 10 номеров телефонов в виде последовательности 10 чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, т.к. они не предоставляют ему никаких сведений. Затем против каждого номера укажите название фирмы и род деятельности. Для вашего друга непонятные цифры обретут определенность и превратятся из данных в информацию, которую он в дальнейшем может использовать. Предметы,   процессы,   явления   материального   или нематериального   свойства,   рассматриваемые   с   точки   зрения   их информационных   свойств,   называются   информационными объектами. При   работе   с   информацией   всегда   имеется   ее   источник   и потребитель   (получатель).  Пути   и   процессы,   обеспечивающие передачу  сообщений от источника информации  к ее  получателю, называются информационными коммуникациями. Для   потребителя важной характеристикой является ее адекватность. Адекватность   информации  ­   это   определенный   уровень соответствия   создаваемого   с   помощью   полученной   информации образа реальному объекту, процессу, явлению и т.п.   информации   очень   В реальной жизни вряд ли возможна ситуация, когда вы можете рассчитывать на полную адекватность информации. Всегда присутствует   некоторая   степень  неопределенности.   От   степени   адекватности   информации   реальному   состоянию   объекта  или процесса зависит правильность принятия решений человеком. 1.4. Формы адекватности информации Адекватность   информации   может   выражаться   в   трех   формах:   семантической, синтаксической, прагматической. Синтаксическая   адекватность.  Она   отображает   формально­структурные характеристики   информации   и   не   затрагивает   ее   смыслового   содержания.   На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность   преобразования   этих   кодов   и   т.   п.   Информацию,   рассматриваемую   только   с синтаксических   позиций,   обычно   называют   данными,   т.к.   при   этом   не   имеет   значения смысловая сторона. Семантическая   (смысловая)   адекватность.  Эта   форма   определяет   степень соответствия образа объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет смыслового   содержания   информации.   На   этом   уровне   анализируются   те   сведения, которые   отражает   информация,   рассматриваются   смысловые   связи.   В   информатике устанавливаются смысловые связи между кодами представления информации. Эта форма служит   для   формирования   понятий   и   представлений,   выявления   смысла,   содержания информации и ее обобщения. Прагматическая   (потребительская)   адекватность.  Она   отражает   отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе   реализуется.   Проявляются   прагматические   свойства   информации   только   при наличии   единства   информации   (объекта),   пользователя   и   цели   управления. Прагматический   аспект   рассмотрения   связан   с   ценностью,   полезностью   использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. С этой точки   зрения   анализируются   потребительские   свойства   информации.   Эта   форма адекватности   непосредственно   связана   с   практическим   использованием   информации,   с соответствием ее целевой функции деятельности системы. 1.5. В каком виде существует информация Информация может существовать в виде:   текстов, рисунков, чертежей, фотографий;   электромагнитных (в том числе световых) или звуковых  сигналов;   хромосом, посредством которых передаются по наследству  признаки и свойства организмов и т.д.  Различают   две   формы   представления   информации   ­ непрерывную (аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная  форма   характеризует   процесс,   который   не   имеет перерывов   и   может   изменяться   в   любой   момент   времени   и теоретически   на   любую   величину   (например,   речь   человека). Цифровой сигнал может изменяться лишь в определенные моменты времени и  принимать  лишь заранее обусловленные  значения. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется провести дискретизацию во времени и квантование по уровню. Дискретизация  ­   это   замена   непрерывного   сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Для   преобразования   аналогового   сигнала   в   цифровой используется   специальный   конвертор,   называемый  аналого­ цифровой   преобразователь  (АЦП).   Сигнал   на   выходе   АЦП представляет   собой   последовательность   двоичных   чисел,   которая может   быть   записана   на   лазерный   диск   или   обработана компьютером.   Обратная   конверсия   осуществляется   с   помощью цифро­аналогового   преобразователя  (ЦАП).   Качество   аналого­ цифрового   преобразования   характеризуется   разрешением. Разрешение  ­ это количество уровней квантования, используемых для замены непрерывного сигнала цифровым. Еще один показатель качества   такого   преобразования   ­  частота   дискретизации  ­ количество   преобразований,   производимое   в   секунду.   Этот показатель измеряют килогерцами.  1.6. Как передаётся информация Информация передаётся в форме сообщений от некоторого источника информации к   её  приёмнику  посредством  канала   связи  между   ними.   Источник   посылает передаваемое   сообщение,   которое  кодируется   в   передаваемый   сигнал.   Этот   сигнал посылается по каналу связи. В результате в приёмнике появляется принимаемый сигнал, который         принимаемым   сообщением. канал связи    декодируется  и   становится                      ИСТОЧНИК ­­­­­­­­­­­ ПРИЁМНИК                      Примеры:  1. Cообщение, содержащее информацию о прогнозе погоды, передаётся приёмнику (телезрителю)  от   источника  —   специалиста­метеоролога  посредством   канала связи — телевизионной передающей аппаратуры и телевизора.  Передача   информации   по   каналам   связи   часто   сопровождается   воздействием  помех, вызывающих искажение и потерю информации. 1.7. Как измеряется количество информации Какое количество информации содержится,  к примеру, в тексте романа "Война и мир", во фресках Рафаэля или в генетическом коде человека? Ответа на эти вопросы наука не даёт и, по всей вероятности, даст не скоро.  А возможно ли объективно измерить количество   информации?   Важнейшим   результатом   теории   информации   является следующий вывод:  В   определенных   условиях   можно   выразить   количество информации   числом,   а   также   сравнить   количество   информации, содержащейся в различных группах данных.  В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять  один  бит    (англ. bit — binary digit — двоичная цифра).    "орел"—"решка", Бит  в   теории   информации  —   количество   информации, необходимое   для   различения   двух   равновероятных   сообщений    (типа   В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти   компьютера,   необходимую   для   хранения   одного   из   двух знаков "0" и "1", используемых для внутримашинного представления данных и команд.  т.п.).   "чет"—"нечет"   и   Бит — слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица —   байт,   равная   восьми битам.  Именно восемь битов требуется для того,   чтобы   закодировать   любой   из   256   символов   алфавита   клавиатуры   компьютера (256=28).  Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:  1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт,  1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт,  1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.  В   последнее   время   в   связи   с   увеличением   объёмов   обрабатываемой   информации входят в употребление такие производные единицы, как:  1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт,  1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.  За   единицу   информации   можно   было   бы   выбрать   количество   информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации. 1.8. Качество информации Возможность и эффективность использования информации обусловливается такими основными   ее   потребительскими  показателями   качества,  как   объективность   и субъективность   информации,   достаточность   (полнота),   доступность,   актуальность, достоверность, адекватность.   Объективность   и   субъективность   информации.  Понятие объективности   информации  является   относительным.   Это   понятно,   если   учесть,   что методы являются субъективными. Более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент. Так, например, принято считать, что  в  результате   наблюдения  фотоснимка   природного  объекта   или   явления   образуется более объективная информация, чем в результате наблюдения рисунка того же объекта, выполненного   человеком.   В   ходе   информационного   процесса   степень   объективности информации всегда понижается.  Достаточность   (полнота)  информации   означает,   что   она   содержит минимальный,  но   достаточный   для   принятия   правильного   решения   состав   (набор показателей).   Понятие   полноты   информации   связано   с   ее   смысловым   содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, т.е. недостаточная для принятия правильного решения,   так   и   избыточная  информация   снижает   эффективность   принимаемых пользователем решений. Доступность  информации   восприятию   пользователя   обеспечивается выполнением  соответствующих   процедур   ее   получения   и   преобразования. Например,   в  информационной системе информация преобразовывается  к доступной и удобной   для   восприятия   пользователя   форме.   Это   достигается,   в   частности,   и   путем согласования ее семантической формы с тезаурусом пользователя. Актуальность информации определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации. Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально существующие   объекты   с   необходимой   точностью.   Измеряется   достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, т.е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается  от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности. Адекватность   информации  —   это   степень   соответствия   реальному объективному   состоянию   дела.   Неадекватная   информация   может   образовываться   при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако и полные, и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов. Раздел 2. Основы вычислительной техники. Тема 1. Краткая история развития вычислительной техники Содержание: 1.1.Вычислительная система, компьютер 1.2.Принцип действия компьютера 1.3.Механические первоисточники 1.4.Математические первоисточники 1.1. Вычислительная система, компьютер Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — одна из основных  задач  технических  дисциплин.  Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств,   большинство   из   которых   являются   электронными приборами.   Совокупность   устройств,   предназначенных   для автоматической   обработки   данных,   называют  вычислительной техникой.  Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ,  предназначенный   для   выполнения   одной   цели,   называют вычислительной   системой.  Центральным  устройством   большинства вычислительных систем является компьютер. Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для   обработки   и   хранения, автоматизации   транспортировки данных. создания, 1.2. Принцип действия компьютера В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак —  электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились электронными устройствами. Известны и механические устройства, способные выполнять расчеты автоматически. В то же время, нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления, — это часы. В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах,   лежит  тактовый   генератор,  вырабатывающий   через   равные интервалы времени электрические сигналы, которые используются для приведения   в   действие   всех   устройств  компьютерной   системы.   Управление   компьютером   фактически   сводится   к   управлению распределением   сигналов   между   устройствами.   Такое   управление может   производиться   автоматически   (в   этом   случае   говорят   о программном управлении)  или  вручную с помощью внешних органов управления — кнопок, переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях).  В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени   автоматизировано   с   помощью   специальных   аппаратно­ логических   интерфейсов,   к   которым   подключаются   устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие   от   программного   управления   такое   управление   называют интерактивным. 1.3. Механические первоисточники   Первое   в   мире   автоматическое   устройство   для   выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году   его   разработал   Вильгельм  Шикард,   профессор   кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). В наши дни рабочая   модель   устройства   была   воспроизведена   по   чертежам   и подтвердила   свою   работоспособность.   Сам   изобретатель   в   письмах называл машину «суммирующими часами». Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной  бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями. Английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж (1792­1871) в его Аналитической машине.  Особенностью  Аналитической машины стало то, что здесь впервые был   реализован  принцип   разделения   информации   на   команды  и данные.  Аналитическая   машина   содержала   два   крупных   узла   — «склад» и «мельницу».  Идея   Чарльза   Бэббиджа   о   раздельном   рассмотрении  команд  и  данных  оказалась  необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г.), и сегодня в вычислительной   технике   принцип   раздельного  рассмотрения программ  и  данных  имеет очень важное значение. Он учитывается и при   разработке   архитектур   современных   компьютеров,   и   при разработке компьютерных программ. 1.4. Математические первоисточники   Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать,  что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных  механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий. Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и, главное, различимых между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрации  положений  элементов конструкции, а о регистрации  состояний  элементов устройства. Таких устойчивых и различимых состояний всего два: включен — выключен; открыт — закрыт; заряжен — разряжен   и   т.   п.   Поэтому   традиционная   десятичная   система,  использованная   в   механических калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств. Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году Он пришел к двоичной системе счисления, занимаясь   исследованиями   философской   концепции   единства   и  борьбы   противоположностей. Попытка представить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал («черного» и «белого», мужского   и   женского,   добра   и   зла)   и   применить   к   его   изучению   методы   «чистой»   математики подтолкнули Лейбница к изучению  свойств двоичного представления данных с помощью нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования двоичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем  калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы. Математическая  логика  Джорджа  Буля.  Говоря  о  творчестве   Джорджа   Буля,   исследователи истории вычислительной техники непременно подчеркивают, что этот выдающийся английский ученый первой половины XIX века был самоучкой. Возможно, именно благодаря отсутствию «классического» (в понимании   того   времени)  образования   Джордж   Буль   внес   в   логику   как   в   науку   революционные изменения. Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам (множе­ ствам, по терминологии автора). Основное назначение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям,   близким   по   форме   к   математическим   формулам.   Результатом   формального  расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь. Значение логической алгебры долгое время игнорировалось, поскольку ее приемы и методы не содер­ жали   практической   пользы   для   науки   и   техники  того   времени.   Однако,   когда   появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем,  оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями:  истина  и  ложь.  Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица. Не  вся система  Джорджа  Буля (как  и не все предложенные  им логические операции)  были использованы  при  создании  электронных  вычислительных   машин,   но  четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение)