Теоретическая информатика.docx

Теоретическая информатика

Теория информации – наука о проблемах сбора, преобразования, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Теория информации базируется на методах теории вероятности, математической статистики, линейной алгебры и других разделах математики. Теория информации и её методы широко используются для анализа процессов в различных информационных системах, т.е. системах, основой функционирования которых является процесс преобразования информации (системы связи, телевидения, вычислительные системы и т.д.). В компьютерной технике методы теории информации широко используются для оценки быстродействия, точности и надежности систем, сжатия и защиты информации, согласования сигналов и каналов в компьютерных сетях передачи данных и т.д. Теоретическая информатика - математическая дисциплина, использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации. Теория информации (математическая теория связи) - раздел прикладной математики, определяющий понятие информации, её свойства и устанавливающий предельные соотношения для систем передачи данных. Как и любая математическая теория, оперирует с математическими моделями, а не с реальными физическими объектами (источниками и каналами связи). Использует математический аппарат теории вероятностей и математической статистики. Основные разделы теории информации - кодирование источника (сжимающее кодирование) и канальное (помехоустойчивое) кодирование. Теория информации тесно связана с криптографией и другими смежными дисциплинами. Отцом теории информации» считается Клод Шеннон (1916-2001). Его теория изначально понималась, как строго математическая задача в статистике и дала инженерам средство передачи информации, в частности путь к определению ёмкости коммуникационного канала в терминах количества бит. Передающая часть теории не занимается значением (семантикой)) передаваемого сообщения, однако дополняющая часть теории информации обращает внимание на содержимое через сжатие с потерями субъекта сообщения, используя критерий точности. Теория информации - фундамент, на котором строится всё здание информатики. По самой своей природе информация тяготеет к дискретному представлению. Множество информационных сообщений можно описывать в виде дискретного множества, т.е. по своему характеру теоретическая информатика близка к дискретной математике. Поэтому многие модели теоретической информатики заимствованы из дискретной математики, но наполнены конкретным содержанием, связанным со спецификой информации. Теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разделить на несколько классов. К первому классу относятся дисциплины, опирающиеся на математическую логику. В них разрабатываются методы, позволяющие использовать достижения логики для анализа процессов переработки информации с помощью компьютеров (теория алгоритмов, теория параллельных вычислений), а также методы, с помощью которых можно на основе моделей логического типа изучать процессы, протекающие в самом компьютере во время вычислений (теория автоматов, теория сетей Петри). Компьютеры оперируют с числами, т. е. с информацией, представленной в дискретной форме. А сами процедуры, реализуемые компьютером, есть алгоритмы, описанные в виде программ. Чтобы составить программу, необходимо разработать специальные приёмы решения задач. В результате развития устройств, автоматизирующих вычисления, появились современные компьютеры, что стимулировало развитие в математике специальных методов решения задач. Так возникли дисциплины, лежащие на границе между дискретной математикой и теоретической информатикой, например, вычислительная математика и вычислительная геометрия. Теория информации занимается изучением информации как таковой (т. е. в виде абстрактного объекта, лишённого конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих её рождением, развитием и уничтожением. Сюда же относится теория кодирования, в задачу которой входит разработка форм, в которые может быть «отлито» содержание любой конкретной информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний и т. п.). В теории информации имеется раздел, специально занимающийся теоретическими вопросами передачи информации по различным каналам связи. Информатика имеет дело с реальными и абстрактными объектами. Информация, циркулируя в реальном виде, овеществляется в различных физических процессах, но в информатике она выступает как некоторая абстракция. Такой переход вызывает необходимость использования в компьютерах специальных абстрактных (формализованных) моделей той физической среды, в которой «живёт» информация в реальном мире, т.е. вместо реальных объектов в компьютерах используются их модели. Переход от реальных объектов к моделям, которые можно использовать для реализации в компьютерах, требует развития особых приёмов. Их изучением занимается системный анализ. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и даёт способы их формализованного описания. Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых позиций. Системный анализ занимает пограничное положение между теоретической информатикой и кибернетикой. Такое же пограничное положение занимают ещё две дисциплины. Имитационное моделирование - одна из них. В этой науке создаются и используются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в вычислительных машинах. Вторая наука - теория массового обслуживания изучает широкий класс моделей передачи и переработки информации - системы массового обслуживания.

Последний класс дисциплин, входящих в теоретическую информатику, ориентирован на использование информации для принятия решений в самых различных ситуациях, встречающихся в окружающем нас мире. Сюда входит теория принятия решений, изучающая общие схемы, используемые людьми при выборе нужного им решения из множества альтернативных возможностей. Такой выбор часто происходит в условиях конфликта или противоборства. Эти модели изучаются в теории игр. Всегда хочется среди всех возможных решений выбрать наилучшее или близкое к такому. Проблемы, возникающие при решении этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование (не путать с программированием для компьютеров, слово «программирование» здесь употребляется в ином смысле). При организации поведения, ведущего к нужной цели, принимать решения приходится многократно. Поэтому выбор отдельных решений должен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их использованием для достижения поставленных целей занимается ещё одна научная дисциплина - исследование операций, в которой изучаются и способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то возникает немало специфических ситуаций: образование партий, коалиций, появление соглашений и компромиссов. Эти проблемы изучаются в теории игр и теории коллективного поведения. Теоретическая информатика – часть информатики, включающая 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 идёт не о технических деталях и электронных схемах, а о принципиальных решениях на уровне архитектуры вычислительных систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры 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. Его основные разделы: системное программное и прикладное программирование. Среди системного программирования – разработка новых языков программирования, разработка интерфейсных систем (пример – Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные – система обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. Информационные системы связаны с анализом потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные и информационно-поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая Интернет) вовлекают всё больший круг пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно захлебнуться. Искусственный интеллект – область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Поскольку мы далеко не всё знаем о том, как мыслит человек, исследования по искусственному интеллекту не привели к решению принципиальных проблем. Заставить мыслить компьютер не удалось, но попытки продолжаются. Основные направления разработок – моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит 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.