Естественно-научный эксперимент

Пусть проводится эксперимент: последовательно бросают тяжелый шарик с 1, 2, 3,..., 10 этажа, замеряют высоту на­чального положения шарика и фиксируют время падения. По результатам эксперимента составляют таблицу. В нее до­бавляют расчетные значения времени, вычисленные по из­вестной формуле:

Н(м)	t (с) из опыта	t (с) расчетное	Среднее абсолютных значении отклонений точек данных от среднего — по функции СРОТКЛ
	0,8	0,78	0,01
	1,1	1,11	0,005
	1,3	1,35	0,025
	1,5	1,56	0,03
	1,7	1,75	0,025
	1,9	1,92	0,01
	2,0	2,07	0,035
	2,2	2,21	0,005
	2,3	2,35	0,025
	2,4	2,47	0,035

 

где tрасчетное =

- зависимость времени падения тела на землю от первоначальной высоты Н без учета сопротивле­ния воздуха, g - ускорение свободного падения.

Для вычисления t_{расчетное} в MS Excel была использована функция извлечения квадратного корня из числа — КОРЕНЬ(Х):

=КОРЕНЬ((2*А2/9,81)), где А2 — адрес ячейки, содержащей значение высоты.

Сравнение опытных и расчетных данных таблицы позво­ляет сделать вывод об адекватности использованной модели зависимости времени падения тела на землю от первонача­льной высоты Н без учета сопротивления воздуха. Этот вы­вод можно сделать, проанализировав отклонение опытных данных от расчетных значений, полученных с помощью встроенной функции «Среднее отклонение» СРОТКЛ, кото­рая возвращает среднее абсолютных значений отклонений точек данных от среднего. СРОТКЛ является мерой разброса множества данных.

Понятие базы данных. Системы управления базами дан­ных. Создание, ведение и использование баз данных при решении учебных и практических задач.

 

Любой из нас, начиная с раннего детства, многократно сталкивался с бытовыми аналогами баз данных. Это — все­возможные справочники, энциклопедии и т. п., и самый по­пулярный из всех — телефонный. Записная книжка — тоже «база данных», которая есть у каждого из нас. Большая или маленькая, простая или многофункциональная, она — обя­зательный элемент деловой жизни любого человека. Где бы мы хранили имена, телефоны, адреса, даты рождения и пр. своих многочисленных друзей, знакомых, деловых партне­ров, непосредственных начальников, коллег и т. д., если бы не было записных книжек? В необходимых случаях мы об­ращаемся к ней, чтобы получить нужные сведения.

Потребность структурировать накопленную или накапли­вающуюся информацию (организовывать массивы данных в определенном порядке и последовательности, с определен­ной обработкой этих данных), содержащую совокупность сведений в какой-либо предметной области, возникла у че­ловечества давно. Всевозможные справочники и энциклопе­дии уже в прошлом веке были широко распространены. По­добные «базы данных» и базы данных настоящего време­ни — это принципиально разные вещи, но их объединяет одна главная идея — структурирование данных по како­му-либо основанию.

Другими словами, база данных (БД) — это организован­ная совокупность структурированных данных в какой-либо предметной области.

Развитие технологии «баз данных» привело к созданию компьютерных баз данных, которые являются основой упо­рядочивания, сортировки, хранения, математической и гра­фической обработки данных. Самый простой способ созда­ния баз данных для большинства пользователей — с помо­щью специальных программных сред, которые называются системами управления базами данных (СУБД). Все совре­менные компьютерные базы данных можно разделить на иерархические, реляционные и сетевые, т. е. в основе любой СУБД лежит один из трех указанных типов моделей дан­ных. Дадим краткую характеристику этим моделям.

Иерархическая модель графически представляет собой перевернутое дерево. Основные параметры этой модели - это уровни, узлы, связи. Первый уровень занимает централь­ный узел, второй — узлы второго уровня и т. д. Между узла­ми установлены связи, причем эти связи фиксированы, т. е. каждый узел связан со своим подмножеством узлов следую­щего уровня, и эти подмножества не пересекаются. Данная модель может быть представлена на примере школы: парал­лели, классы, учащиеся.

Сетевая модель подобна иерархической модели. Она представлена теми же компонентами: уровнями, узлами, связями, но характер их взаимодействия другой. В этой мо­дели все связи между элементами различных уровней явля­ются свободными, т. е. каждый элемент вышестоящего уровня может быть связан одновременно с любыми элемен­тами следующего уровня. Пример — Всемирная паутина (WWW).

Что же такое реляционная база данных? Прежде, чем от­ветить на этот вопрос, сделаем краткий исторический экскурс по наиболее ярким представителям реляционных баз данных разных поколений. Первые компьютерные базы данных появились в 80-х годах XX века. Это были «непово­ротливые» среды, с достаточно примитивным инструментом обработки данных, который создавал множество файлов, не­обходимых для полноценного функционирования базы дан­ных в целом. Для создания более гибких структур в подоб­ных БД необходимо было использовать их внутренний язык. Интерфейс таких сред напоминал экран MS DOS. Все команды БД вводились в командной строке, точно так же, как и в MS DOS. Подобными особенностями обладали базы данных семейств dBase II, dBase III (например, база данных «Карат»). Базы данных FoxPro и Paradox различных версий были представлены улучшенным (более удобным и много­функциональным) интерфейсом, а также имели усовершен­ствованные Мастера для создания отчетов и среды для напи­сания процедур.

Обычно базу данных, состоящую из двумерных таблиц, принято называть реляционной. Тогда все базы данных се­мейства dBase II, dBase III, FoxPro и т.п. — реляционные, так как данные в них представляются в виде таблиц.

Понятно, что с усовершенствованием и развитием БД но­вого поколения, сам термин «реляционная база данных» расширился, т. е. говоря о реляционных БД недостаточно упоминать только о представлении в ней данных в виде дву­мерных таблиц.

 

Характерные особенности реляционных баз данных:

• табличное представление данных;
• все реляционные СУБД обрабатывают большие объемы информации, намного больше, чем те, с которыми справляются электронные таблицы;
• реляционная СУБД может легко связывать таблицы так, что для пользователя они будут представляться од­ной таблицей (создание сложных информационных мо­делей);
• реляционная СУБД минимизирует общий объем базы данных. Для этого таблицы, содержащие повторяющи­еся данные, разбиваются на несколько связанных таб­лиц;
• реляционная СУБД отличается от традиционных СУБД тем, что в единственном файле базы данных находятся не только таблица с данными, но и различные другие объекты (пример — файл базы данных Access). Хотя идеальный вариант в реляционной СУБД — два файла базы Данных. В одном находятся данные, в другом -объекты, модули. Такое разбиение позволяет сделать защиту базы данных более эффективной: защита ин­формации (файл с таблицами) и защита объектов и про­грамм (файл с объектами и модулями).

Объекты БД

Таблица. В СУБД вся информация хранится в таблицах. Это базовый объект БД, все остальные объекты создаются на основе существующих таблиц (производные объекты). Каж­дая строка в таблице — запись БД, а столбец — поле. Запись содержит набор данных об одном объекте, а поле — однород­ные данные обо всех объектах.

Запросы. В СУБД запросы являются важнейшим инстру­ментом. Они служат для выборки записей, обновления таб­лиц и включения в них новых записей. С помощью запросом можно просматривать и изменять данные из нескольких таблиц. Они также используются в качестве источника дан­ных для форм и отчетов. Но главное предназначение запро­сов — это отбор данных на основании критериев и математи­ческая обработка данных (вычисляемые поля). В любой мо­мент можно выбрать из БД необходимую информацию и создать вычисляемое поле. Запрос — производный объект БД.

Формы. Они предназначены для ввода данных в таблицу, для открытия других форм и отчетов (кнопочные формы), а также с их помощью можно ограничить объем информации, доступной пользователям, обращающимся к БД (маска). Другими словами, форма представляет собой бланк, подле­жащий заполнению, или маску, накладываемую на набор данных. Большая часть данных, представленных в форме, берется из таблицы или запроса. Другая информация, не связанная ни с таблицей, ни с запросом, хранится в макете формы (например, кнопки, вычисляемые поля и т. п.). Фор­ма также является производным объектом БД.

Отчеты. Они служат для отображения итоговых данных из таблиц и запросов в удобном для просмотра виде. В отче­тах, так же, как и в формах, часть данных берется из табли­цы и запроса, другая часть информации хранится в макете отчета. Отчет — производный объект БД.

Разработчик — это человек (опытный пользователь или программист), которой самостоятельно создает новую БД. Прежде, чем приступить к созданию БД, необходимо проду­мать ее проект.

Проект — это абстрактная (теоретическая) модель буду­щей БД, состоящая из объектов и их связей, необходимых для выполнения поставленных задач.

Процесс проектирования включает, прежде всего, созда­ние структуры таблиц, установку связей между этими таб­лицами, создание производных объектов (запросы, формы, отчеты, макросы, модули).

 

Компьютерные телекоммуникации: назначение, структу­ра. Информационные ресурсы в телекоммуникационных сетях. Комплексы аппаратных и программных средств организации компьютерных сетей. Представления о те­лекоммуникационных службах: электронная почта, чат, телеконференции, форумы, Интернет-телефония. Инфор­мационно-поисковые системы. Организация поиска ин­формации в сетях.

 

Одной из наиболее полезных возможностей, предоставля­емых современным компьютером, является возможность ис­пользования его для автоматизированного обмена информа­цией с другими компьютерами по линиям связи. Реализует­ся эта возможность с помощью компьютерных сетей — объединений компьютеров.

Под компьютерной телекоммуникационной (вычисли­тельной) сетью понимается программно-аппаратный комп­лекс, обеспечивающий автоматизированный обмен данными между компьютерами по линиям связи. Любые информаци­онные ресурсы в том или ином виде можно передавать по сети. Современная сеть, состоящая из компьютеров (воз­можно специализированных), представляет собой некий комплекс узлов и каналов связи — аппаратуры и программ, обеспечивающих прием и передачу данных.

Большая часть возможностей, обеспечиваемых современ­ными телекоммуникационными сетями, опирается на то, что эти сети могут обмениваться данными между собой, со­здавая межсетевую среду. Самое крупное такое объединение общедоступных сетей — это межсетевая среда Интернет (Internet).

Огромная распространенность сетей, их многофункцио­нальность, в первую очередь, опираются на ряд принципов, соблюдение которых обеспечивает:

• открытость, т. е. возможность разработки различных сетевых приложений, в том числе не предусмотренных ранее;
• использование для обмена данными сетей на базе раз­личных технологий, с самыми разними каналами связи;
• возможность подключения новых абонентов и новых сетей, а также расширения существующих без принци­пиальной перестройки;
• возможность обеспечения автоматического перепланирования схемы обмена (изменение маршрутизации) при возникновении технической необходимости (например, отказе канала связи);
• контроль обмена данными и минимизацию потерь в случае возникновения ошибок.

Основным принципом, лежащим в основе современных телекоммуникационных сетей, является принцип пакетной коммутации.

Этот принцип состоит в том, что для доставки данные разбиваются на независимые фрагменты (пакеты), каждый пакет снабжается служебной информацией и передается от­дельно от других пакетов. Итоговое сообщение (последовате­льность пакетов) восстанавливается при необходимости к конечной точке.

Основой конструирования и функционирования совре­менных сетей являются их модели. Модель сети — это схе­ма разделения функций между компонентами сети, опреде­ляющая основы их взаимодействия.

В основе Интернета лежит сетевая модель DOD (Department of Defence, министерство обороны США). Эта модель подразумевает, что все функции делятся на четыре уров­ня — от непосредственных клиентских программ до средств обмена сигналами. За каждым уровнем закреплены опре­деленные задачи, выполняя их, уровень обменивается дан­ными только с выше- и нижележащими уровнями.

С логической точки зрения каждый уровень одного узла посылает данные такому же уровню другого узла.

 

За каждым уровнем закреплены следующие функции:

1. За уровнем доступа к среде — функции приема и пере­дачи сигналов, преобразования их в цифровую форму и/или перекодирование. Этот уровень характеризует каждую сетевую технологию, применяемую для создания отдельной сети. Именно здесь осуществляется фактические прием и передача сигнала.
   
   
2. За сетевым уровнем закреплены функции организа­ции межсетевого взаимодействия, он связывает отде­льные сети. Протоколы этого уровня определяют мар­шруты следования пакетов (т. е. выполняют операцию перенаправления пакетов из одной сети в другую) и об­мениваются необходимой технической информацией о пересылке. Узлы, выполняющие пересылку, называ­ются шлюзами; выполняющие обработку пакетов и маршрутизацию, — маршрутизаторами. У таких спе­циализированных узлов могут не задействоваться дру­гие уровни, кроме первых двух.
3. За транспортным уровнем — задачи транспорта дан­ных. Этот уровень связывает между собой программы, запущенные на конкретных узлах, т. е. позволяет определить, какая конкретно программа должна обра­ботать полученный поток данных или обеспечить про­грамме возможность отправки данных. Некоторые протоколы этого уровня позволяют также опреде­лять, получены ли отправленные данные.
4. К прикладному уровню отнесены все программы, взаи­модействующие с пользователем и формирующие по­ток данных для обмена.

Основным набором протоколов, реализующих эту модель и обеспечивающим работу среды Интернет, является стек протоколов TCP/IP. Этот набор протоколов не предусматри­вает никаких стандартов на уровень доступа к среде, что позволяет использовать любые каналы передачи данных. Стек протоколов предусматривает механизм, позволяющий раз­рабатывать различные сетевые приложения и использовать для их работы существующую инфраструктуру без модерни­зации. На основе этого стека протоколов уже разработано большое количество программ, реализующих разнообразные сервисы (службы, программы для предоставления специали­зированных услуг).

Большинство телекоммуникационных служб предполага­ют обмен данными между двумя основными типами про­грамм: клиентом (программа, взаимодействующая с пользо­вателем) и сервером (программа, обслуживающая запросы).

 

Наиболее популярны следующие сетевые службы:

1. Служба электронной п очты. Этот сервис позволяет об­мениваться сообщениями в асинхронном режиме, т. е. отправить сообщение можно даже если адресат не рабо­тает с сетью в момент отправки и получит его только через некоторое время. Основу инфраструктуры элект­ронной почты составляют почтовые отделения — серве­ры, принимающие почту и обрабатывающие ее (либо пересылая, либо помещая в хранилище до обращения пользователя). Индивидуальный «раздел» пользователя в такой системе называется почтовым ящиком. Для об­ращения к содержимому своего почтового ящика или при отправке новой почты пользователь должен исполь­зовать специальную программу - клиент. Во многих слу­чаях этот клиент реализован как web-приложение.
2. Служба World Wide Web (Всемирная паутина). В этой службе информация представляется в виде отдельных объектов, связанных между собой. Структура такого рода называется гипертекстом. Для описания отдель­ных объектов и связей между ними применяется спе­циальный язык разметки гипертекста — HTML. Осно­ву функционирования этой службы составляют про­граммы, выдающие объекты-страницы (и/или их составляющие) по запросу клиента (web-серверы), и программы, демонстрирующие полученные страницы (браузеры). Содержимое такой страницы может быть подготовлено заранее, а может быть создано WEB-сервером по запросу, с помощью специальных программ. Это позволяет применять эту службу как универсаль­ное средство создания интерфейсов к большинству дру­гих служб, а также как средство создания специализи­рованных приложений.
   В качестве примера таких приложений можно привес­ти форумы (приложения, в которых посетители обмениваются мнениями по различным вопросам, оставляя в выделенных разделах, хранящихся в БД на серверах, свои комментарии), чаты (приложения, по­зволяющие организовать беседу в режиме реального времени, непосредственно передавая всем пользовате­лям отправляемые каждым сообщения).
3. Телеконференции и Интернет-телефония. Эти серви­сы опираются на возможность передавать по сети пото­ки (т. е. не сообщения фиксированной длины, а неко­торое количество данных за определенное время) аудио- и видеоинформации. С помощью телеконферен­ций организуется обсуждение в режиме реального вре­мени (это проще и эффективнее во многих случаях ча­тов и пр.), а с помощью Интернет-телефонии — переда­ча звуковой информации телефонной сети между узлами Интернет в виде потока IP-пакетов. Такими уз­лами могут быть специальные телефонные станции или просто компьютеры. Передача такого потока обхо­дится значительно дешевле междугородного канала связи.

Служба WWW, выполняя роль универсального интерфейса к большей части современных сетевых служб, позво­ляет добиться сходства в представлении информации из самых разных источников.

Тем не менее, поскольку сам язык подготовки страниц ориентирован на оформление текста (а не на отражение его логической структуры), и в каждом конкретном случае ав­торы отдельных наборов страниц сами принимают решение о том, что и как отображать на своих страницах, не уведомляя об этом никого, то возникает проблема поиска информа­ции в среде Интернет. С ростом общего количества страниц и объема представленной в такой форме информации, эта проблема становится все острее.

 

Для поиска нужной информации в среде Интернет приме­няют несколько способов:

1. Применение классификации и каталогизации. В соот­ветствии с этим подходом создаются специальные ресур­сы-рубрикаторы, на которых аннотированные ссылки разносят по некоторым категориям. Поиск информации в этом случае осуществляется постепенным уточнением области до тех пор, пока набор страниц не будет сокра­щен до обозримого минимума. К сожалению, сам поис­ковый рубрикатор должен пополняться с помощью лю­дей. В результате, в таких рубрикаторах просто не упо­мянуто подавляющее большинство страниц.
2. Применение методов полнотекстового поиска и поиска по ключевым словам. В этом случае автоматизиро­ванными средствами готовится поисковый индекс — фактически, база данных, содержащая информацию о наполнении страниц. Пользователь, обращаясь к это­му индексу, просит найти страницу, на которой содер­жатся определенные слова. Постепенно уточняя об­ласть поиска, снова получаем обозримый набор доку­ментов. Поисковый индекс формируется, в основном, автоматически, что резко увеличивает количество уча­ствующей в поиске информации. К сожалению, это также увеличивает и количество «мусора», попадаю­щего в результаты обработки запросов. Для борьбы с этим применяют систему ранжирования результатов на основе релевантности — некоторого вычисленного коэффициента «соответствия» найденной страницы за­просу.
3. Поиск информации в специализированных источни­ках. Если точно известна область поиска, то вполне возможно, что существуют специализированные хра­нилища информации, имеющие специально разрабо­танные поисковые системы. Такая система позволит найти нужное существенно быстрее, чем использова­ние поисковых систем общего назначения.