Введение в информатику

В.М. Казиев






Введение в информатику













^ИНТУИТ
  / НАЦИОНАЛЬНЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

С.ИНТУ ИТ

    У НАЦИОНАЛЬНЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Введение в информатику
2-е издание, исправленное

Казиев В.М.



Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016


2

УДК 519.7(075.8)+004(075.8)
ББК 18
К14
Введение в математику и информатику / Казиев В.М. - M.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-94774-678-5
Курс предназначен для всех представителей “не физико-математических” и “не информатических” областей, интересующихся основами информатики с целью познать эти основы и использовать их в своей работе или учебе.
В данном курсе изложены минимальные теоретические основы информатики, необходимые, на наш взгляд, любому будущему специалисту. Теоретические основы сопровождаются большим количеством специально подобранных подробных содержательных примеров-иллюстраций к ним, которые помогают понять суть рассматриваемых понятий и фактов.
(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2007-2016
(c) Казиев В.М., 2007-2016

3

                Введение. История, предмет, структура информатики





Рассматривается история развития информатики и излагается предмет информатики (в узком и широком понимании), основные три ее направления (теоретическая, прикладная и техническая), а также междисциплинарная, мировоззренческая, воспитательная, культурная, эстетическая и методологическая роль информатики в обществе и познании.

Хотя информатика и считается достаточно молодой наукой (по отношению ко многим другим отраслям знания ), но предпосылки к ее зарождению - достаточно древние.

При рассмотрении вопроса об истории информатики будем исходить из первых признаков и событий информационного обмена, осознавая, что об информатике как о науке тогда речь не шла.

Пример. Первый предмет для ведения счета обнаружен в Чехии (волчья кость с зарубками) и относится к 30000 г. до н.э.

Наиболее важной и ранней предпосылкой к информационному обмену стала речь, а позже - самые первые знаковые системы (живопись, музыка, графика, танец, обряды и др.).

Затем появилась письменность: вначале она была рисуночной, иероглифической, с использованием носителей различного типа (камень, глина, дерево и т.д.).

Пример. В Древнем Египте около 3000 г. до н.э. появилось иероглифическое письмо на камне, а затем и иератическое (не иероглифическое) письмо на папирусе. Бронзовый век дал нам идеограммы - изображения повторяющихся систем понятий, которые в конце IV века до н.э. превратились в рисуночное, иероглифическое письмо.

Развиваются различные системы, счета и механизации (это, как известно, -предпосылка автоматизации) счета.

Пример. В Древнем Вавилоне около 8000 г. до н.э. использовали различные эталоны меры (каменные шары, конусы, цилиндры и т.д.). Там же около 1800 г. до н.э. начали использовать шестидесятеричную систему счисления. Древние римляне положили в основу счисления иероглифическое обозначение пальцев рук (все символы этой системы счисления можно изобразить с помощью пальцев рук). Счет на основе пальцев использовался достаточно долго и дал нам десятичную систему счисления, применяемую во всем мире.

От рисунков на камне (пиктограмм) осуществляется переход к рисункам на дощечках, глиняных пластинах (клинописи), от клинописи - к слоговому (вавилонскому) письму, от вавилонского письма - к греческому, от греческого и латинского - к основным западным письменным системам, к возникновению пунктуационного письма.

На основе латинской и греческой письменности разрабатываются терминологические системы для различных областей знания - математики, физики, медицины, химии и т.д. Развивается математический (алгебраический) язык - основа формализации


4

различных знаний. Распространение математической символики и языка приводит к развитию всего естествознания, так как появился адекватный и удобный аппарат для описания и исследования различных явлений.

Пример. Появляются символы дифференцирования, интегрирования, которые потом берутся “на вооружение” физикой, химией и другими науками.

Совершенствуются различные системы визуализации информации - карты, чертежи, пирамиды, дворцы, акведуки, механизмы и др. Пример. Механизмы штурма крепостей были достаточно сложны, древние водопроводные системы работают и до сих пор.

С появлением папируса повышается информационная емкость, актуализируется новое свойство информации - сжимаемость.

С появлением бумаги появляется эффективный носитель информации - книга, а изобретение печатного станка (Гуттенберга) приводит к тиражированию информации (новое свойство информационного обмена). Появляется достаточно адекватный (на тот период) инструмент массовой информационной коммуникации. Развиваются элементы виртуального мышления (например, в картинах известных художников).

Распространению информации способствует также появление и развитие библиотек, почты, университетов - центров накопления информации, знаний, культуры в обществе.

Пример. Появились централизованные хранилища информации, например, в столице Хеттского государства во дворце хранилось около 20 тыс. глиняных клинописных табличек.

Происходит массовое тиражирование информации, рост профессиональных знаний и развитие информационных технологий. Появляются первые признаки параллельной (по пространству и по времени) передачи и использования информации, знаний.

Пример. Изменение информационных свойств накладывает отпечаток и на все производство, на производственные и коммуникационные отношения, например, происходит разделение (по пространству, по времени) труда, появляется необходимость в развитии торговли, мореходства, изучении различных языков.

Дальнейший прогресс и возникновение фотографии, телеграфа, телефона, радио, кинематографа, телевидения, компьютера, компьютерной сети, сотовой связи стимулируют развитие массовых и эффективных информационных систем и технологий.

В отраслях науки формируются языковые системы: язык химических формул, язык физических законов, язык генетических связей и др..

С появлением компьютера стало возможным хранение, автоматизация и использование профессиональных знаний программ: баз данных, баз знаний, экспертных систем и т.д..


5

Пример. Персональный компьютер впервые становится средством и стимулятором автоформализации знаний и перехода от “кастового” использования ЭВМ (исключительно “кастой программистов”) к общему, “пользовательскому” использованию.

Информатика от “бумажной” стадии своего развития переходит к “безбумажной”, электронной стадии развития и использования.

В конце двадцатого века возник так называемый информационный кризис, “информационный взрыв”, который проявился в резком росте объема научнотехнических публикаций. Возникли большие сложности восприятия, переработки информации, выделения нужной информации из общего потока и др. В этих условиях появилась необходимость в едином и доступном мировом информационном пространстве, в развитии методов и технологии информатики, в развитии информатики как методологии актуализации информации, в формировании базовых технологий и систем и пересмотре роли информатики в обществе, науке, технологии.

Мир, общество начали рассматриваться с информационных позиций. Это время лавинообразного увеличения объема информации в обществе, ускорения их применения на практике, повышения требований к актуальности, достоверности, устойчивости информации. XXI век можно считать веком “информационного сообщества”, единого и доступного мирового информационного пространства (поля), которое будет постоянно улучшать как производительные силы и производственные отношения, так и человеческую личность, общество.

Появление информатики как науки базируется на индустрии сбора, обработки, передачи, использования информации, на продуктах развития математики, физики, управления, техники, лингвистики, военной науки и других наук.

Информатика - фундаментальная научная и образовательная область, которая не может ограничиться рамками инженерных, пользовательских трактовок, рамками процедурного программирования, имея мощный формальный аппарат для глубокого изучения явлений и систем, их практической интерпретации, усиления междисциплинарных связей.

Информатика уже прошла этап “интуитивного (в своих понятиях, определениях, целях) развития”, достаточно “теоретизировалась” и превратилась в полноценную фундаментальную естественнонаучную дисциплину, как, скажем, математика или физика.

Пример. В эпоху введения информатики в число образовательных дисциплин использовался больше программистский и пользовательский подход. Информатика, как правило, отождествлялась с процедурным программированием и решением задач на ЭВМ. Преподавалась информатика в школах и вузах - соответственно.

Если информатика рассматривается с узких позиций ее применения, применимости, то она выступает как техническая, технологическая среда общества, как средство обеспечения, например, коммуникационных потребностей общества.


6

Если информатика рассматривается с позиции передачи знаний, то она выступает как общекультурная среда и средство познания природы и общества.

Оба подхода должны быть взаимосвязаны.

Абсолютизация первого подхода приводит к различным технократическим перекосам, утопиям.

Абсолютизация второго подхода может привести к излишнему формализму и идеализации.

Дадим теперь рабочее (в данном курсе) определение информатики. Это определение не является ни полным, ни точным, ни формальным (дать такое определение -невозможно), но для вводного курса, как кажется автору, - вполне приемлемое.

Информатика - это междисциплинарная, методологическая наука об информационных процессах, о моделях, об алгоритмах и алгоритмизации, о программах и программировании, об исполнителях алгоритмов и различных исполняющих системах об их использовании в обществе, в природе, в познании.

Термин ” информатика ” (l’informatique) был введен французскими учеными и означает науку обработки информации (первоначально это была информация научнотехнического, библиотечного характера) с помощью различных автоматических средств.

Во многих странах больше используется термин “computer science” (компьютерная наука, наука о компьютерах, точнее, наука о преобразовании информации с помощью компьютеров).

Предмет информатики точно невозможно определить - он сложный, многосторонний, динамичный.

Можно отметить три основные ветви информатики: теоретическую, практическую и техническую. Отметим, что деление информатики как науки и человеческой деятельности на те или иные части зависит от целей, задач, ресурсов рассматриваемой проблемы и часто оно бывает условным.

Теоретическая информатика ( brainware, “мозговое” обеспечение) изучает теоретические проблемы информационных сред.

Практическая, прикладная информатика ( software, “гибкое”, программное обеспечение) изучает практические проблемы информационных сред.

Техническая информатика ( hardware, “тяжелое”, аппаратное обеспечение) изучает технические проблемы информационных сред.

Пример. Задача построения математической модели прогноза кредитного риска банка -это задача теоретической информатики и экономики (естественно). Построение алгоритма прогноза по этой модели - задача теоретической информатики. Разработка


7

компьютерной программы (комплекса программ) для прогноза риска - задача практической информатики.

Часто (особенно, в области практической информатики) говорят о предметной информатике, например, о медицинской информатике, физической информатике, компьютерной физике и т.д.

Пример. Определим предметы химической, медицинской, физической информатики. Химическая информатика изучает информационные процессы и системы в химических средах, проблемы управления в химических информационных структурах. Медицинская информатика изучает проблемы информационных процессов, а также управления в медицинских информационных системах. Физическая информатика (иногда интерпретируемая как компьютерная физика) изучает проблемы информационных процессов, управления, вопросы самоорганизации, хаоса и порядка в открытых физических системах.

В любую предметную информатику, помимо предметных аспектов самой области, входят социально-правовые, эколого-экономические, гуманитарно-образовательные и философские аспекты.

Предметная область науки ” информатика ” - информационные системы, модели, языки их описания, технологии их актуализации.

Эти информационные процессы происходят как в живых организмах, так и в технических устройствах, в различных институтах общества, в индивидуальном и общественном сознании.

Информатика, как и математика, является наукой для описания и исследования проблем других наук. Она помогает прокладывать и усиливать междисциплинарные связи, исследовать проблемы различных наук с помощью своих идей, методов, технологий.

Фундаментальность информатике придает не только широкое и глубокое использование математики и других естественных наук, формальных методов и средств, но и общность, и фундаментальность ее результатов, их универсальная методологическая направленность в производстве знаний общества.

Мировоззренческая роль информатики состоит, в частности, в том, что она помогает вникать (особенно, в информационную) суть явлений, происходящих в окружающем нас мире, например, скрытых, не лежащих на поверхности, выявлять, описывать и исследовать как внешние, так и внутренние связи системы.

Воспитательная роль информатики состоит, в частности, в выработке исследовательского, творческого, алгоритмического подхода к делу, настойчивости, терпения и трудолюбия, аккуратности, логичности и строгости суждений, развитии умений выделять главное и игнорировать второстепенное, не влияющее на суть проблемы, ставить и исследовать новые задачи, использовать информационные технологии при решении разнообразных задач и др.


8

Культурная роль информатики состоит в частности в том, что повышение информационной и компьютерной культуры естественным образом, в соответствии с функциями информатики содействует повышению и профессиональной, и общей культуры (мышления, поведения, выбора). Информатика - это своего рода особая культура и искусство информационно-логического представления знаний.

Эстетическая роль информатики эстетика (наука о прекрасном) состоит, в частности, в сведении разрозненных элементов и связей исследуемой проблемы в целостную композицию, обладающую эстетическими качествами (красота, обаяние, цвет, форма, пропорция, симметрия, гармония, единство частей целого, удовольствие и др.), в сведении целого к ее частям с целью повышения эстетических качеств восприятия (в том числе и виртуального) процесса, явления.

Благодаря информатике развиваются языки наук, происходит их взаимообогащение, следовательно, и сами науки развиваются.

Информатика также обогащается новыми идеями и приложениями вследствие этого процесса, развивает и индустриализирует процесс получения, хранения и использования знаний.

Информатика широко используется как в традиционных, естественнонаучных областях (физика, биология, экономика и др.), так и в гуманитарных - истории, лингвистике, психологии, социологии и др.


9

                Информация, ее представление и измерение




Рассматриваются основные понятия информатики - алфавит, слово, информация, сообщение, измерение сообщений и информации, виды и свойства информации, меры количества информации (по Хартли и Шеннону), их свойства и значение, вопросы связанные с информационными системами и управлением в системе.

Понятие информации является наиболее сложным для понимания и обычно во вводных курсах информатики не определяется, принимается как исходное базовое понятие, понимается интуитивно. Часто это понятие отождествляется неправильным образом с понятием “сообщение”.

Понятие “информация” имеет различные трактовки в разных предметных областях. Например, информация может пониматься как:

  • абстракция, абстрактная модель рассматриваемой системы (в математике);
  • сигналы для управления, приспособления рассматриваемой системы (в кибернетике);
  • мера хаоса в рассматриваемой системе (в термодинамике);
  • вероятность выбора в рассматриваемой системе (в теории вероятностей);
  • мера разнообразия в рассматриваемой системе (в биологии) и др.

Рассмотрим это фундаментальное понятие информатики на основе понятия “алфавит” (“алфавитный”, формальный подход). Дадим формальное определение алфавита.

Алфавит - конечное множество различных знаков, символов, для которых определена операция конкатенации (приписывания, присоединения символа к символу или цепочке символов); с ее помощью по определенным правилам соединения символов и слов можно получать слова (цепочки знаков) и словосочетания (цепочки слов ) в этом алфавите (над этим алфавитом ).

Буквой или знаком называется любой элемент x алфавита X, где >= . Понятие знака
неразрывно связано с тем, что им обозначается (“со смыслом”), они вместе могут рассматриваться как пара элементов (x, y), где x - сам знак, а y - обозначаемое этим знаком.

Пример. Примеры алфавитов: множество из десяти цифр, множество из знаков русского языка, точка и тире в азбуке Морзе и др. В алфавите цифр знак 5 связан с понятием “быть в количестве пяти элементов”.

Конечная последовательность букв алфавита называется словом в алфавите (или над алфавитом ).

Длиной |p| некоторого слова p над алфавитом Х называется число составляющих его букв.

Слово (обозначаемое символом  ) имеющее нулевую длину, называется пустым
словом: | | = 0.


10