Глава 1. Информатика – наука и вид практической деятельности

Информатика и ее структура

Информатика – это наука и вид практической деятельности, связанные с процессами обработки информации с помощью вычислительной техники.

Термин информатика произошел от слияния двух французских слов Informacion (информация) и Automatique (автоматика) и дословно определял новую науку об «автоматической обработке информации». В англоязычных странах информатика называется Computer Science (наука о компьютерной технике).

Информатика представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации с помощью вычислительной техники и телекоммуникационных средств связи в различных сферах человеческой деятельности.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей процессов обработки информации: создания, передачи, хранения и использования в различных сферах человеческой деятельности. Прикладные задачи заключаются в разработке методов, необходимых для реализации информационных процессов с использованием технических средств.

Информатика включает следующие разделы.

I. Теоретическая информатика – это часть информатики, включающая ряд подразделов, тесно связанных с другой наукой – математикой. В теории информации и кодирования изучается информация как таковая, ее свойства, способы измерения количества информации. Областью исследования теории алгоритмов и автоматов являются методы переработки информации с помощью вычислительных систем. Теория формальных языков и грамматик рассматривает правила построения простейших языков с небольшим числом синтаксических конструкций, называемых языками программирования. Теория принятия решений и исследования операций связана с использование информации для принятия решений и оценки их оптимальности. Теоретическая информатика использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.

II. Вычислительная техника – это раздел, включающий общие принципы построения вычислительных систем. Примером вычислительной системы является персональный компьютер или ЭВМ. Этот раздел не связан с вопросами физической разработки, реализации и производства элементов вычислительных систем. Здесь рассматривается архитектура вычислительных систем – соглашение о составе, назначении, функциональных возможностях и принципах взаимодействия элементов внутри вычислительных систем и вычислительной системы с другими устройствами. Примерами принципиальных, ставших классическими решений в этой области являются архитектура фон Неймана компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ, архитектура параллельной или многопроцессорной обработки информации.

III. Программирование – это деятельность, направленная на разработку программного обеспечения вычислительной техники. Программирование делится на разделы, связанные с разработкой соответствующих типов программного обеспечения. Программное обеспечение, непосредственно управляющее составными частями вычислительной техники, называется системным. К системному программному обеспечению относят операционные системы и драйвера устройств. Служебное программное обеспечение – это архиваторы, антивирусы, программы управления файлами и папками. Служебное программное обеспечение предназначено для выполнения некоторых вспомогательных функций. Прикладное программное обеспечение – это программы для решения большинства задач пользователя. Прикладное программное обеспечение включает офисные, графические, справочные программы, среды разработки программ и др.

IV. Информационные системы – это раздел информатики, связанный с решением проблем анализа потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации по запросу пользователя. Примерами информационных систем являются информационно-справочные, информационно-поисковые, глобальные системы или сети хранения и поиска информации.

V. Искусственный интеллект – это область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, языкознанием и другими науками. Исторически сложились три основных направления развития систем искусственного интеллекта. Целью работ первого направления является создание алгоритмического и программного обеспечения вычислительных машин, позволяющего решать интеллектуальные задачи не хуже человека. В рамках второго подхода объектом исследований являются структура и механизмы работы мозга человека, а конечная цель заключается в моделировании функционирования человеческого мозга. Третий подход ориентирован на создание смешанных человеко-машинных или интерактивных интеллектуальных систем, на симбиоз возможностей человеческого и искусственного интеллектов. В данном разделе информатики решаются задачи машинного перевода, распознавания речи и рукописного текста, экспертные системы, некоторые игровые программы и др.

Информатика в обществе

Наше общество стремительно стало информационным. В нем огромную роль играют системы распространения, хранения и обработки информации. Подобно мировой системе связи, возникает единая информационная среда, которая обеспечивает любому человеку доступ ко всей необходимой для него информации. Широкое внедрение компьютеров во все среды человеческой деятельности, наряду с использованием интеллектуальных роботов, коренным образом изменили традиционную среду обитания людей. Растет количество людей, профессионально занятых сбором, накоплением, распространением и хранением информации. Информация стала товаром, имеющим большую ценность.

Переход к информационному обществу вызывают много проблем социального, правового, технического характера. Например, применение роботов на производстве приведет к полному изменению технологии, которая в наши дни ориентирована на участие в ней человека. Резко меняется подготовка членов нового общества к самостоятельной жизни. Уже ведутся поисковые работы в области создания новых форм обучения, которые заменят существующие традиционные формы. Полностью меняется номенклатура профессий, специальностей и способов организации труда.

Все эти проблемы составляют объект исследования тех психологов, социологов, философов и юристов, которые работают в области информатики. Создаются автоматизированные обучающие системы (АОС), автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного профиля, распределяемые банковские системы и многие другие, чье функционирование опирается на использование всего арсенала информатики.

Информатика в природе

Информатика в природе характеризуется изучением информационных процессов, протекающих в биологических системах, использование накопленных знаний при организации и управлении природными системами и создание на их основе технических систем.

Здесь информатика основывается на трех самостоятельных науках.

Биокибернетика решает проблемы, связанные с анализом информационно-управляющих процессов, протекающих в живых организмах, с диагностикой заболеваний и поиском путей их лечения и созданием соответствующих систем.

Бионика – наука об использовании принципы работы живых организмов в искусственных объектах.

Биогеоценология нацелена на решение проблем, относящихся к системно-информационным моделям поддержания и сохранения равновесия природных систем и поиска таких воздействий на них, которые стабилизируют разрушающие воздействия человеческой цивилизации на биомассу Земли.

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ

Понятие информации

Обычно под информацией понимается совокупность сведений, расширяющая представление об объектах и явлениях окружающей среды, их свойствах, состоянии и взаимосвязях. При этом непрерывно происходит обмен информацией между людьми, между людьми и окружающим миром. Обмен информацией происходит посредством сообщений.

Сообщение – это форма представления информации для ее последующей передачи в одном из следующих видов:

- числовая форма, представленная цифрами;

- текстовая форма, представленная текстами, составленными из символов того или иного языка;

- кодовая форма, представленная кодами; например, кодами в двоичной системе счисления, кодами для сжатия или шифрования, кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых;

- графическая форма, представляющая изображения объектов;

- акустическая форма, представленная звуковыми сигналами;

- видеоформа, представляющая телепередачи, видео- и кинофильмы в специальном формате.

При работе с информацией всегда имеются источник и потребитель информации. При этом необходимо различать термины «информация» и «данные».

Данные – это информация, представленная в некоторой форме (формализованном виде), что обеспечивает ее хранение, обработку и передачу. Данные, используемые для уменьшения неопределенности, становятся информацией.

Пример 2.1. Конспект лектора – это данные. Читая лекцию студентам, лектор передает содержание конспекта в виде сообщения. Студенты получают сообщение и, таким образом, принимают информацию, записывают ее в виде конспекта, представляя информацию в виде данных. Здесь лектор является источником информации, а студенты – потребителями информации. □

Информации обладает следующими свойствами:

- запоминаемость, то есть способность воспринять информацию и хранить ее продолжительное время;

- передаваемость, то есть способность информации к копированию – восприятием ее другой системой без искажения;

- воспроизводимость характеризует неиссякаемость и неистощимость информации, то есть при копировании информация остается тождественной себе; свойство воспроизводимости не является базовым и тесно связано с передаваемостью;

- преобразуемость – это способность информации менять способ и форму своего существования.

Можно выделить три концепции информации, объясняющие ее сущность.

Первая концепция предложена американским ученым Клодом Шенноном и отражает количественно-информационный подход. Информация определяется как мера неопределенности события. Количество информации зависит от вероятности ее получения. Чем меньше вероятность получения сообщения, тем больше информации в нем содержится. Эта концепция получила широкое распространение в теории передачи и кодировании данных.

Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Информация создает представление о природе, структуре, упорядоченности и разнообразии материи. В рамках этой концепции информация не может существовать вне материи, а значит она существовала и будет существовать вечно, ее можно накапливать, хранить и перерабатывать.

Третья концепция основана на логико-семантическом подходе, при котором информация рассматривается как знание, которое используется для ориентировки, активного действия, управления или самоуправления.