Теоретические основы информатики

ИНФОРМАТИКА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Разработано Воробьевым А.В., Воробьевой Т.В.

Рецензент Костин Г.А., канд. техн. наук

Ведущий рецензент Суханов А.А., канд. техн. наук

 

Рекомендовано Министерством образова­ния Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

 

КУРС: ИНФОРМАТИКА

 

 

В данном учебном пособии вводится понятие информатики и рассматриваются некоторые теоретические аспекты информатики: информация и ее измерение, представление чисел в различных системах счисления, устройства обработки информации, теория алгоритмов и абстрактные автоматы. Кроме того, описываются этапы информационного процесса в автоматизированных системах.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН.. 2

ЛИТЕРАТУРА.. 2

ПЕРЕЧЕНЬ УМЕНИЙ.. 2

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. 3

1. ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА И КАК ВИД ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.. 3

1.1. Основные понятия информатики. Информационный ресурс. 3

1.1.1. Объект и предмет информатики. 3

1.1.2. Структура современной информатики. 4

1.1.3. Информационные ресурсы.. 5

1.2. История развития информатики. 5

1.3. Место информатики в ряду других фундаментальных наук. 6

1.4. Информационные технологии. 6

1.5. Социально-экономические аспекты информационных технологий. 7

1.6. Правовые и этические аспекты информационных технологий. 8

2. ИНФОРМАЦИЯ.. 9

2.1. Понятие информации. Носители информации. Сигналы.. 9

2.2. Измерение информации. Энтропия. Количество информации. 10

2.2.1. Структурная мера информации. 10

2.2.2. Статистическая мера информации. 11

2.2.3. Семантическая мера информации. 12

2.3. Свойства информации. 12

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.. 13

3.1. Абстрактные автоматы и понятие алгоритма. Программное управление. 13

3.1.1. Понятие алгоритма. 13

3.1.2. Формализация алгоритма. Абстрактные автоматы.. 14

3.2. Обработка аналоговой и цифровой информации. Кодирование информации. 19

3.3. Системы счисления. Методы перевода чисел из одной системы счисления в другую.. 21

3.3.1. Основные понятия. 21

3.3.2. Двоичная система счисления. 22

3.3.3. Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. 23

3.4. Устройства обработки информации и их характеристики. 24

3.4.1. Краткая история развития устройств обработки информации. 24

3.4.2. Классическая архитектура ЭВМ... 25

3.4.3. Характеристика основных блоков ЭВМ... 26

3.4.4. Основной цикл работы ЭВМ... 28

3.4.5. Накопители информации. 29

3.4.6. Внешние устройства ЭВМ... 30

4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (АИС) 32

4.1. Классификация АИС.. 32

4.2. Информационный процесс в автоматизированных системах. Фазы информационного цикла и их модели. 35

4.2.1. Этапы информационного процесса в АИС.. 35

4.2.2. Сбор и преобразование информации. 37

4.2.3. Передача информации. 37

4.2.4. Обработка информации. 38

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ... 39

ТРЕНИНГ УМЕНИЙ.. 41

ГЛОССАРИЙ.. 46

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Основные понятия информатики. Информационный ресурс. История развития информатики. Место информатики в ряду других фундаментальных наук. Информационные технологии. Социально-экономические аспекты информационных технологий. Правовые и этические аспекты информационных технологий. Понятие информации. Носители информации. Сигналы. Измерение информации. Количество информации. Энтропия. Свойства информации. Абстрактные автоматы и понятие алгоритма. Программное управление (теория алгоритмов, формализация). Обработка аналоговой и цифровой информации. Кодирование информации. Системы счисления. Методы перевода чисел из одной системы счисления в другую. Устройства обработки данных и их характеристики. Классификация АИС. Информационный процесс в автоматизированных системах. Фазы информационного цикла и их модели.

ЛИТЕРАТУРА

 

Базовая

1. Информатика. Под ред. Н.В.Макаровой. – М., 2000.

 

Дополнительная

2. А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер. Информатика. – М., 2000.

3. Информатика. Базовый курс. Под ред.Симоновича.– С-Пб., 2001.

4. В.А.Острейковский. Информатика. – М., 2001.

5. А.Я.Савельев. Основы информатики. – М., 2001.

6. И.П.Норенков, В.А.Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. – М., 2000.

7. В.Н.Петров. Информационные системы. – С-Пб., 2002.

 

ПЕРЕЧЕНЬ УМЕНИЙ

№ п/п	Умение	Алгоритм
	Определить энтропию системы при условии, что ее состояния имеют равные вероятности.	1. Определить число возможных состояний системы. 2. Записать формулу Хартли для подсчета энтропии. 3. Вычислить значение энтропии.
	Определить энтропию системы при условии, что ее состояния имеют разные вероятности.	1. Определить вероятности состояний системы. 2. Записать формулу Шеннона для подсчета энтропии. 3. Вычислить значение энтропии.
	Перевести целое десятичное число в другую систему счисления.	1. Разделить исходное число на основание системы счисления, в которую нужно перевести это число. 2. Повторять деление целого частного на основание системы, пока частное не станет меньше основания системы. 3. Составить из остатков, расположенных в обратном порядке, новое число.
	Перевести дробное двоичное число в десятичную систему счисления.	1. Запишем представление числа в двоичной системе счисления. 2. Умножим весовые коэффициенты, соответствующие разрядам числа, на двоичную цифру разряда. 3. Подсчитаем сумму.
	Перевести правильную десятичную дробь в двоичную систему счисления.	1. Умножаем дробь на 2. Целая часть произведения будет первой цифрой числа в двоичной системе. 2. Отбрасывая у результата целую часть, умножаем оставшуюся дробную часть на 2 и т.д. до получения заданной точности. 3. Составим из целых частей новое число.
	Перевести двоичное число в восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления.	1. Разбиваем число на триады. 2. Находим по табл.3.3 (в тексте юниты) восьмеричное число, соответствующее каждой триаде, и составляем восьмеричное число. 3. Разбиваем число на тетрады. 4. Находим по табл.3.3 (в тексте юниты) шестнадцатеричное число, соответствующее каждой тетраде, и составляем шестнадцатеричное число.
	Перевести восьмеричное и шестнадцатеричное числа в двоичную систему счисления.	1. Для каждой цифры восьмеричного числа находим по табл.3.3 (в тексте юниты) двоичный эквивалент. 2. Составляем двоичное число путем замены соответствующих восьмеричных цифр их двоичным эквивалентом. 3. Для каждой цифры шестнадцатеричного числа находим по табл.3.3 (в тексте юниты) двоичный эквивалент 4. Составляем двоичное число путем замены соответствующих шестнадцатеричных цифр их двоичным эквивалентом.
	Перевести целое десятичное число в двоичную систему счисления методом вычитания степеней.	1. Вычитаем из заданного числа максимально допустимую степень числа 2. 2. Повторяем п.1, пока в результате вычитаний не получим 0. 3. Составляем число, проставляя 1 в позициях, соответствующих степеням 2, входящим в заданное число.
	Составить программу для решения задач на машине Поста.	1. Описать алгоритм. 2. Для каждого шага алгоритма составить элементы программы.

 

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

(Жирным шрифтом выделены новые понятия, которые необходимо усвоить. Знание этих понятий будет проверяться при тестировании).

ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА И КАК ВИД ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Основные понятия информатики. Информационный ресурс

Информационные ресурсы

Ресурс – запасы, источники чего-нибудь. Такая трактовка приведена в “Словаре русского языка” С.И. Ожегова.

В индустриальном обществе, где большая часть усилий направлена на материальное производство, известно несколько основных видов ресурсов, ставших уже классическими экономическими категориями:

· материальные ресурсы – совокупность предметов труда, предназначенных для использования в процессе производства общественного продукта, например сырье, мате­риалы, топливо, энергия, полуфабрикаты, детали и т.д.;

· природные ресурсы – объекты, процессы, условия природы, используемые обще­ством для удовлетворения материальных и духовных потребностей людей;

· трудовые ресурсы – люди, обладающие общеобразовательными и профессио­нальными знаниями для работы в обществе;

· финансовые ресурсы – денежные средства, находящиеся в распоряжении госу­дарственной или коммерческой структуры;

· энергетические ресурсы – носители энергии, например уголь, нефть, нефте­продукты, газ, гидроэнергия, электроэнергия и т.д.

Одним из ключевых понятий при информатизации общества стало понятие «информа­ционные ресурсы», толкование и обсуждение которого велось с того момента, когда начали говорить о переходе к информационному обществу. Этому вопросу посвящено довольно много публикаций, в которых отразились и разные мнения и определения, и разные науч­ные школы, рассматривающие эти понятия.

Информационные ресурсы – отдельные документы и отдельные масси­вы документов, документы и массивы документов в информационных сис­темах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах).

Надо понимать, что документы и массивы информации не существуют сами по себе. В них в разных формах представлены знания, которы­ми обладали люди, создававшие их. Таким образом, информационные ресурсы – это зна­ния, подготовленные людьми для социального использования в обществе и зафиксированные на материальном носителе.

Информационные ресурсы общества, если их понимать как знания, отчуждены от тех людей, которые их накапливали, обобщали, анализировали, создавали и т.п. Эти знания ма­териализовались в виде документов, баз данных, баз знаний, алгоритмов, компьютерных программ, а также произведений искусства, литературы, науки.

В настоящее время не разработана методология количественной и качественной оцен­ки информационных ресурсов, а также прогнозирования потребностей общества в них. Это снижает эффективность информации, накапливаемой в виде информационных ресурсов, и увеличивает продолжительность переходного периода от индустриального общества к информацион­ному. Кроме того, неизвестно, какой объем трудовых ресурсов должен быть за­действован в сфере производства и распространения информационных ресурсов в информационном обществе. Несомненно, в будущем эти проблемы будут решены.

Информационные ресурсы страны, региона, организации должны рассматриваться как стратегические ресурсы, аналогичные по значимости запасам сырья, энергии, ископаемых и прочим ресурсам.

Рис. 1.2. К вопросу о месте информатики в системе наук

Однако многие ученые 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 средства, программные и алгорит­мические”. Науке информатике присущи и неко­торые черты гуманитарной (общественной) науки, что обусловлено ее вкладом в развитие и совершенствование социальной сферы. Таким образом, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания, как это изображено на рис. 1.2.

Информационные технологии

Информационная технология – процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной инфор­мации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).

Цель информационной технологии – производство информации для ее анализа чело­веком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия.

Информационная технология является наиболее важной составляющей процесса использо­вания информационных ресурсов общества. К настоящему времени она прошла несколько эволюционных этапов, смена которых определялась главным образом развитием научно-технического прогресса, появлением новых технических средств переработки информации. В современном обществе основным техническим средством технологии переработки ин­формации служит персональный компьютер, который существенно повлиял как на концеп­цию построения и использования технологических процессов, так и на качество результатной информации.

Внедрение персонального компьютера в информационную сферу и применение телекоммуникационных средств связи определили новый этап разви­тия информационной технологии и, как следствие, изменение ее названия за счет присоеди­нения одного из синонимов: «новая», «компьютерная» или «современная».

Инструментарий информационной технологии – один или несколько взаимосвязанных программных продуктов для определенного типа ком­пьютера, технология работы в котором позволяет достичь поставленную пользователем цель.

В качестве инструментария можно использовать следующие распространенные виды программных продуктов для персонального компьютера: текстовый процессор (редактор), настольные издательские системы, электронные таблицы, системы управления базами дан­ных, электронные записные книжки, электронные календари, информационные системы функционального назначения (финансовые, бухгалтерские, для маркетинга и пр.), экспертные системы и т.д.

Информационная технология является процессом, состоящим из четко регламентиро­ванных правил выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над дан­ными, хранящимися в компьютерах. Основная цель информационной технологии – в результате целенаправленных действий по переработке первичной информации получить необходимую для пользователя информацию.

Информационная технология тесно связана с информационными системами, которые явля­ются для нее основной средой.

Информационная система является средой, составляющими элементами которой явля­ются компьютеры, компьютерные сети, программные продукты, базы данных, люди, раз­личного рода технические и программные средства связи и т.д. Основная цель информационной системы – организация хранения и передачи информации. Информа­ционная система представляет собой человеко-компьютерную систему обработки инфор­мации.

На рис. 1.3 технологический процесс переработки информации представлен в виде иерархической структуры по уровням.

 

Рис.1.3. Представление информационной технологии в виде иерархической структуры, состоящей из этапов, действий, операций

Необходимо понимать, что освоение информационной технологии и дальнейшее ее использование должны свестись к тому, что вы должны сначала хорошо овладеть набором элементарных операций, число которых ограничено. Из этого ограниченного числа элемен­тарных операций в разных комбинациях составляется действие, а из действий, также в раз­ных комбинациях, составляются операции, которые определяют тот или иной технологический этап. Совокупность технологических этапов образует технологический процесс (технологию).

Информационная технология, как и любая другая, должна отвечать следующим требо­ваниям:

· обеспечивать высокую степень расчленения всего процесса обработки информации на этапы (фазы), операции, действия;

· включать весь набор элементов, необходимых для достижения поставленной цели;

· иметь регулярный характер. Этапы, действия, операции технологического процесса могут быть стандартизированы и унифицированы, что позволит более эффективно осуществлять целенаправленное управление информационными процессами.

ИНФОРМАЦИЯ

Структурная мера информации

Информация всегда представляется в виде сообщения. Элементарная единица сообщений – символ. Символы, собранные в группы, – слова. Сообщение, оформленное в виде слов или отдельных символов, всегда пе­редается в материально-энергетической форме (электрический, световой, звуковой сигналы и т. д.).

Различают информацию непрерывную и дискретную.

Рис. 2.1. Способы представления информации

 

Функция x(t), изображенная на рис. 2.1, а, может быть представлена в непрерывном (рис. 2.1, б) и дискретном (рис. 2.1, в) видах. В непрерывном виде эта функция может принимать любые вещественные значения в дан­ном диапазоне изменения аргумента t, т. е. множество значений непрерыв­ной функции бесконечно. В дискретном виде функция x(t) может прини­мать вещественные значения только при определенных значениях аргумента. Какой бы малый интервал дискретности (т. е. расстояние между соседними значениями аргумента) ни выбирался, множество значений дис­кретной функции для заданного диапазона изменений аргумента (если он не бесконечный) будет конечно (ограничено).

При использовании структурных мер информации учитывается толь­ко дискретное строение сообщения, количество содержащихся в нем ин­формационных элементов, связей между ними. При структурном подходе различаются геометрическая, комбинаторная и аддитивная меры инфор­мации.

Геометрическая мера предполагает измерение параметра геометриче­ской модели информационного сообщения (длины, площади, объема и т. п.) в дискретных единицах. Например, геометрической моделью информации может быть линия единичной длины (рис 2.2,а – одноразрядное слово, принимающее значение 0 или 1), квадрат (рис. 2.2,б– двухразрядное сло­во) или куб (рис 2.2,в – трехразрядное слово). Максимально возможное количество информации в заданных структурах определяет информацион­ную емкость модели (системы), которая определяется как сумма дискрет­ных значений по всем измерениям (координатам).

В комбинаторной мере количе­ство информации определяется как число комбинаций элементов (симво­лов). Возможное количество инфор­мации совпадает с числом возмож­ных сочетаний, перестановок и размещений элементов. Комбиниро­вание символов в словах, состоящих только из 0 и 1, меняет значения слов. Рассмотрим две пары слов 100110 и 001101, 011101 и 111010. В них проведена перестановка крайних разрядов (изменено местоположение знакового разряда в числе – перене­сен слева направо).

Аддитивная мера (мера Хартли), в соответствии с которой количество информации измеряется в двоичных единицах (битах), наиболее рас­пространена. Вводятся понятия глубины q и длины n числа.

Глубина числа q – количество символов (элементов), принятых для представления информации. В каждый момент времени реализуется только один какой-либо символ. Глубина числа соответствует основанию системы счисления.

Длина числа n – количество позиций, необходимых и достаточных для представления чисел заданной величины. Длина числа соответствует разрядности системы счисления.

 

Рис. 2.2. Геометрическая модель информации

При заданных глубине и длине числа коли­чество чисел, которое можно представить, N = qn. Величина N неудобна для оценки информационной емкости. Хартли ввел аддитивную двоичную логарифмическую меру, по­зволяющую вычислять количество информации в двоичных единицах – битах:

I = log2N = n log2 q (2.1)

При n = 1, q = 2 I = log2 2 = 1 бит. Это и есть единица информации по Хартли.

Следовательно, 1 бит информации соответствует одному элементарно­му событию, которое может произойти или не произойти. Такая мера коли­чества информации удобна тем, что она обеспечивает возможность опери­ровать мерой как числом. Количество информации при этом эквивалентно количеству двоичных символов 0 или 1. При наличии нескольких источников информации общее количество информации:

(2.2)

где I(qk) – количество информации от источника k.

Логарифмическая мера информации позволяет измерять количество информации и используется на практике.

Свойства информации

Информация является динамическим объектом, образующимся в момент вза­имодействия объективных данных и субъективных методов. Как и всякий объект, она обладает свойствами (объекты различимы по своим свойствам). Характерной особенностью информации, отличающей ее от других объектов природы и обще­ства, является отмеченный выше дуализм: на свойства информации влияют как свойства данных, составляющих ее содержательную часть, так и свойства методов, взаимодействующих с данными в ходе информационного процесса. По окончании информационного процесса свойства информации переносятся на свойства новых данных, то есть свойства методов могут переходить на свойства данных.

Можно привести немало разнообразных свойств информации. Каждая научная дисциплина рассматривает те свойства информации, которые ей наиболее важны. Рассмотрим наиболее важные свойства информации с позиций изучаемой дисциплины.

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. Это свойство учитывают, например, в правовых дисциплинах, где по-разному обрабатываются показания лиц, непосред­ственно наблюдавших события или получивших информацию косвенным путем (посредством умозаключений или со слов третьих лиц). В не меньшей степени объективность информации учитывают в исторических дисциплинах. Одни и те же события, зафиксированные в исторических документах разных стран и народов, выглядят совершенно по-разному. У историков имеются свои методы для тестирования объективности исторических данных и создания новых, более достоверных данных путем сопоставления, фильтрации и селекции исходных данных. Обратим внимание на то, что здесь речь идет не о повышении объективности данных, а о повышении их достоверности (это совсем другое свойство).

Полнота информации во многом характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся. Чем полнее данные, тем шире диапа­зон методов, которые можно использовать, тем проще подобрать метод, вносящий минимум погрешностей в ход информационного процесса.

Адекватность информации – это степень соответствия информации, полученной в информационном процессе, 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.

Доступность информации – мера возможности получить ту или иную информа­цию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным при наличии адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату: информация оказывается недоступной. Отсутствие адекват­ных методов для работы с данными во многих случаях приводит к применению неадекватных методов, в результате чего образуется неполная, неадекватная или недостоверная информация.

Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. Нередко с актуальностью, как и с полнотой, связывают коммер­ческую ценность информации. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приво­дить к ошибочным решениям. Необходимость поиска (или разработки) адекватного метода для работы с данными может приводить к такой задержке в получении инфор­мации, что она становится неактуальной и ненужной. На этом, в частности, осно­ваны многие современные системы шифрования данных с открытым ключом. Лица, не владеющие ключом (методом) для чтения данных, могут заняться поиском ключа, поскольку алгоритм его работы доступен, но продолжительность этого поиска столь велика, что за время работы информация теряет актуальность и, соответственно, связанную с ней практическую ценность.

Точность информации определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п. Для информации, отображаемой цифровым кодом, известны четыре классификационных понятия точности:

· формальная точность, измеряемая значением единицы младшего разряда числа;

· реальная точность, определяемая значением единицы последнего разряда числа, вер­ность которого гарантируется;

· максимальная точность, которую можно получить в конкретных условиях функциони­рования системы;

· необходимая точность, определяемая функциональным назначением показателя.

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.

Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации, как и репрезентативность, обусловлена выбранной методикой ее отбора и формирования.

Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее на­значенного момента времени, согласованного со временем решения поставленной задачи.

Понятие алгоритма

Су­ществует много определений термина “алгоритм”. Например, по определе­нию академика А. Н. Колмогорова, алгоритм или алгорифм – это всякая система вычислений, выполняемых по строго определенным правилам, кото­рая после какого-либо числа шагов заведомо приводит к решению поставленной задачи.

В инженерной практике часто используется следующее определение: алгоритм – конечная совокупность точно сформулированных правил ре­шения какой-то задачи.

Само слово “алгоритм” происходит от algorithmi – латинской формы написания имени великого математика IX века аль-Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий. Первоначально под алгоритмами и понима­ли только правила выполнения четырех арифметических действий над многознач­ными числами.

По форме задания алгоритмы могут быть словесными и математиче­скими. Пример словесной формы алгоритма – алгоритм Евклида для на­хождения наибольшего общего делителя двух чисел а и b приводится ниже.

1. Обозревая два числа а и b, переходи к следующему пункту.

2. Сравни обозреваемые числа (а равно b, а меньше, больше b) и пере­ходи к следующему пункту.

3. Если а и b равны, то прекрати вычисление: каждое из чисел дает ис­комый результат. Если числа не равны, то переходи к следующему пункту.

4. Если первое число меньше второго, то переставь их местами и пере­ходи к следующему пункту.

5. Вычти второе число из первого и сделай обозрение двух чисел: вы­читаемого и остатка; переходи к п. 2.

По указаниям этого алгоритма можно найти наибольший общий дели­тель для любой пары целых чисел.

Характеристиками алгоритма являются:

· детерминированность, определяющая однозначность результата решения задачи при заданных исходных данных;

· дискретность определяемого алгоритмом процесса, означающая расчлененность его на отдельные элементарные шаги;

· массовость, позволяющая применять один и тот же алгоритм для некоторого множества однотипных задач.

Эти характеристики не дают точного описания алгоритма, а лишь объ­ясняют смысл этого термина в математике.

Пример алгебраической формы алгоритма – любая математическая формула для нахождения какой-то величины. Однако для того, чтобы реализовать математическую форму алгоритма, требуется дать еще ряд словесных указаний, показать область применения алгоритма.

Детерминированный алгоритм – алгоритм, имеющий место при чет­кой и ясной системе правил и указаний и однозначных действиях.

Случайный алгоритм – алгоритм, предусматривающий возможность случайного выбора тех или иных правил.

Алгоритм должен обеспечивать получение результата через конечное число шагов для любой задачи определенного класса. В противном случае задача неразрешима. Нахождение алгоритма решения задачи называется ал­горитмизацией.

Процесс выполнения алгоритма называется алгоритмическим процес­сом. Для некоторых исходных данных он заканчивается получением иско­мого результата после конечного числа шагов. Однако возможны случаи, когда искомый результат не достигается или безрезультатно обрывается. Тогда говорят, что к таким исходным данным алгоритм неприменим.

Таким образом, алгоритм дает возможность ответить на вопрос “что делать?” в каждый момент времени, однако создать алгоритм не всегда возможно.

Численный алгоритм – алгоритм, соответствующий решению постав­ленной задачи с помощью арифметических действий.

Логический алгоритм – алгоритм, используемый в случае, если при решении задачи приходится применять некоторые логические действия.

Процесс решения задачи на ЭВМ прежде всего должен быть выражен каким-то алгоритмом. Разработка алгоритмов решения задач – задача про­граммиста, а разработка алгоритмов функционирования цифрового автома­та для решения поставленных задач – задача инженера-разработчика.

Основные понятия

Система счисления – совокупность приемов и правил для записи чи­сел цифровыми знаками или символами.

Все системы счисления можно разделить на два класса: позиционные и непозиционные. В классе позиционных систем для записи чисел в различных системах счисления используется некоторое количество отличных друг от друга знаков. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления. Ниже приведена табл. 3.1, содержащая наименования некоторых позиционных систем счисления и перечень знаков (цифр), из которых образуются в них числа.

Таблица 3.1

Некоторые системы счисления

Основание	Система счисления	Знаки
	Двоичная троичная Четверичная Пятиричная Восьмеричная Десятичная Двенадцатеричная Шестнадцатеричная	0, 1 0, 1, 2 0, 1, 2, 3 0, 1, 2, 3, 4 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, D, E, F

В позиционной системе счисления относительной позиции цифры в числе ставится в соответствие весовой множитель, и число может быть представлено в виде суммы произведений коэффициентов на соответствующую степень основания системы счисления (весовой множитель):

AnAn-1An-2...A1A0, A-1A-2...= Аn · Вn + Аn-1 · Вn-1 +…+ А1 · В1 + А0 · В0 + А-1 · В-1+ + А-2 · В-2 +…

(знак “,” отделяет целую часть числа от дробной. Таким образом, значе­ние каждого знака в числе зависит от позиции, которую занимает знак в записи числа. Именно поэтому такие системы счисления называют позиционными).

Позиционная система счисления – система, в которой величина числа определяется значениями входящих в него цифр и их относительным положением в числе.

Приме­ры (десятичный индекс внизу указывает основание системы счисления):

23,4310 = 2 · 101 + 3 · 100 + 4 · 10-1 + 3 · 10-2

(в данном примере цифра 3 в одном случае означает число единиц, а в другом – число сотых долей единицы);

69210 = 6 · 102 + 9·101 + 2.

(692 с формальной точки зрения представляется в виде “шесть умножить на десять в степени два, плюс девять умножить на десять в степени один, плюс два”).

11012 = 1 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 1·20 = 1310;

1123 = 1 · 32 + 1 · 31 + 2 · 30 = 1410;

341,58 = 3 · 82 + 4 · 81 + 1 · 80 + 5 · 8-1 = 225,12510;

A1F,416 = A · 162 + 1 · 161 + F · 160 + 4 · 16-1 = 2591,62510.

При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления (чаще всего двоичную, десятичную, восьмеричную и шестнадцате­ричную), поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую. Заметим, что во всех приведенных выше приме­рах результат является десятичным числом, и, таким образом, способ перевода чисел из любой позиционной системы счисления в десятичную уже продемонстрирован.

В общем случае, чтобы перевести целую часть числа из десятичной системы в систему с основа­нием В, необходимо разделить ее на В. Остаток даст младший разряд числа. Полученное при этом частное необходимо вновь разделить на В – остаток даст следующий разряд числа и т.д. Для перевода дробной части ее необходимо умножить на В. Целая часть полученного произведения будет первым (после запятой, отделяющей целую часть от дробной) знаком. Дробную же часть произ­ведения необходимо вновь умножить на В. Целая часть полученного числа будет следующим знаком и т.д. Конкретные примеры перевода чисел будут рассмотрены ниже.

Кроме рассмотренных выше позиционных систем счисления сущест­вуют такие, в которых значение знака не зависит от того места, которое он занимает в числе. Такие системы счисления называются непозиционными. Наиболее известным примером непозиционной системы является римская. В этой системе используется 7 знаков (I, V, X, L, С, D, М), которые соответствуют следующим величинам:

I(1) V(5) X(10) L(50) С (100) D(500) М(1000).

Примеры: III (три), LIX (пятьдесят девять), DLV (пятьсот пятьдесят пять). Недостатком непозиционных систем, из-за которых они представляют лишь ис­торический интерес, является отсутствие формальных правил записи чисел и, соответственно, арифметических действий над ними (хотя по традиции римскими числами часто пользуются при нумерации глав в книгах, веков в истории и др.).

Двоичная система счисления

Особая значимость двоичной системы счисления в информатике определяется тем, что внутреннее представление любой информации в компьютере является двоичным, т.е. описываемым наборами только из двух знаков (0 и 1).

Конкретизируем описанный выше способ в случае перевода чисел из десятичной системы в двоичную. Целая и дробная части переводятся порознь. Для перевода целой части (или просто целого) числа необходимо разделить ее на основание системы счисления и продолжать делить частные от деления до тех пор, пока частное не станет равным 0. Значения получившихся остатков, взятые в обратной последовательности, образуют искомое двоичное число. Например:

Остаток

25/2=12 (1),

12/2=6 (0),

6/2=3 (0),

3/2=1 (1),

1/2=0 (1).

Таким образом: 2510=110012.

Для перевода дробной части (или числа, у которого “0” целых) надо умножить ее на 2. Целая часть произведения будет первой цифрой числа в двоичной системе. Затем, отбрасывая у результата целую часть, вновь умножаем на 2 и т.д. Заметим, что конечная десятичная дробь при этом вполне может стать бесконечной (периодической) двоичной. Например:

0,73·2=1,46 (целая часть 1),

0,46·2 = 0,92 (целая часть 0),

0,92·2 = 1,84 (целая часть 1),

0,84·2 = 1,68 (целая часть 1) и т.д.

В итоге: 0,7310=0,10112.