1 Учебный курс: «Информатика» и «Компьютерные науки» (1 курс) Доцент кафедры информационных систем ИМЭИ ИГУ, Кандидат физико-математических наук Потороченко. - презентация

1 1 Учебный курс: «Информатика» и «Компьютерные науки» (1 курс) Доцент кафедры информационных систем ИМЭИ ИГУ, Кандидат физико-математических наук Потороченко Николай Анатольевич, М.т Сайт с информационными материалами для самостоятельного изучения:

2 2 Введение в информатику «Многие вещи нам не понятны не потому, что наши понятия слабы: но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий» Козьма Прутков «Окружающий нас мир непознаваем, ввиду того, что мы изучаем не его, а лишь наше представление о нем» Эммануил Кант

3 3 Введение в информатику ЗНАНИЯ ??? ИНФОРМАЦИЯ ??? ДАННЫЕ ??? ИНФОРМАТИКА ??? АЛГОРИТМ ??? ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ??? КОМПЬЮТЕР ??? ПРОГРАММИРОВАНИЕ ???

4 4 Введение в информатику Область профессионально-человеческой деятельности, которая поддается в настоящее время формализации, алгоритмизации (следовательно, и автоматизации с помощью ЭВМ), составляет только небольшую часть формализованных знаний, большая часть айсберга знаний пока плохо формализована и плохо структурирована. Знания, в данный момент практически недосягаемые, в частности, неотделимые от их авторов (существующие, например, на уровне подсознания) и не формализуемые. Простые (ремесленнические) знания, которые могут быть переданы по принципу делай как я. Знания, доступные для объяснения, но не всегда формально описываемые. Формально описываемые знания Аксиоматически построенные теории

5 5 Введение в информатику Все знания, сведения о реальном мире можно разделить на две категории: - знание фактов («Я знаю, что...» ), декларативные* знания; - знание правил («Я знаю, как...»), процедурные** знания. Для того чтобы правильно определить свои действия в конкретной ситуации, т.е. воспользоваться знаниями, равно необходимы и те, и другие. * - от Declaratio (лат.) - объявление ** - от Procedere (лат.) - продвигаться. Последовательность действий для совершения какого-либо дела

6 6 Введение в информатику Понятие информации. Информация* наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как: 1) информация приносит сведения об окружающем мире, которых в рассматриваемой точке не было до ее получения; 2) информация не материальна, но она проявляется в форме материальных носителей, дискретных знаков или первичных сигналах; 3) знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя, способного их распознать. * - от Informatio (лат.) - ознакомление, разъяснение

7 7 Введение в информатику Язык как средство представления и передачи информации Все живые существа могут воспринимать образную информацию (запахи, вкусы, шумы и многое другое). Человек же еще умеет представлять свои знания в знаковом (символьном) виде. Из различных символов (букв, цифр, знаков препинания) состоит текст; из символов - только уже звуковых (фонем) - состоит устная речь. Можно передать информацию с помощью жестов. И это тоже - символы. Знаковую систему для представления информации называют языком, а полный набор символов языка - его алфавитом. Языки делятся на разговорные (естественные) и формальные. Формальные языки специально создаются, чаще всего для определенной области человеческой деятельности (например, язык математики). В вычислительной технике тоже используются особые формальные языки – языки программирования.

8 8 Введение в информатику Действия человека с информацией: - обмен (передача и прием); - хранение; - обработка. Обмен информацией необходим для предания ей свойства «полезности». Хранение информации: - в собственной памяти человека - и тогда ей можно воспользоваться сразу; -"на внешних носителях" (в книге, блокноте, на магнитной ленте и т. п.), откуда ее сперва нужно прочитать. Обработка информации: - получение новых знаний на основе уже известных фактов и правил; - изменение формы представления (например, перевод на другой язык); - упорядочивание (сортировка); - поиск в большом массиве (словаре, справочнике, картотеке и т.п.)... При этом, так же как при обмене и хранении, человек зачастую использует различные технические средства, наиболее универсальным из которых является компьютер.

9 9 Введение в информатику Свойства информации: · Понятность; · Полезность; · Достоверность; · Актуальность; · Полнота; · Точность. Когда информация представлена в виде, пригодном для последующей (ручной или автоматической) обработки, ее называют словом «данные». Данные – это зарегистрированные сигналы. Методы – способы переработки данных. Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов.

10 10 Введение в информатику Понятия «информация» и «данные» не тождественны. Данные – диалектическая составная часть информации. Физический метод регистрации может быть любым: механическое перемещение физических тел, изменение электрических, магнитных, оптических характеристик, химического состава и (или) характера химических связей, изменение состояния системы и многое другое. В соответствии с методом регистрации данные могут хранится и транспортироваться на носителях различных видов. Операции с данными В ходе информационного процесса данные преобразуются из одного вида в другой с помощью методов. Трудозатраты на обработку данных неуклонно возрастают, что связано: - с постоянным усложнением условий управления производством и обществом; - с быстрыми темпами появления и внедрения новых носителей данных, средств хранения и доставки данных.

11 11 Введение в информатику 1. Сбор – накопление данных с целью обеспечения достаточной полноты информации для принятия решения; 2. Формализация – приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности; 3. Фильтрация – отсеивание «лишних» данных, в которых нет необходимости для принятия решений; при этом должен уменьшаться уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны возрастать; 4. Сортировка – упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования; повышает доступность информации; 5. Группировка – объединение данных по заданному признаку с целью повышения удобства использования; повышает доступность информации; 6. Архивация – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат на хранение данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом; 7. Защита – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведение и модификации данных; 8. Транспортировка – прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса; при этом источник данных в информатике принято называть сервером, а потребителя – клиентом; 9. Преобразование – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую, что связано как с изменением типа носителя, так и использованием средств, не предназначенными для транспортировки данного вида данных (например, телефонные модемы).

12 12 Введение в информатику Работа с большими наборами данных автоматизируется проще, когда данные упорядочены, то есть образуют заданную структуру. Основные типы структур данных: Линейные структуры – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента однозначно определяется его номером (например, список). Табличные структуры данных (матрицы) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка, содержащая искомый элемент (например, таблица умножения). В иерархической структуре адрес элемента определяется путем доступа (маршрутом), ведущим от вершины структуры к данному элементу (например, система почтовых адресов). 1Иванов И. 2Петров А. 3Сидоров В. 4Федоров С. 5Петров Н. 6Сергеев К. 7Громов П Город А Улица 1Улица 2Улица N Дом 1Дом 2Дом L Кв. 1Кв. 2Кв. R

13 13 Введение в информатику Слово "информатика" происходит от франц. information (информация) и automatique (автоматика). У американских исследователей существует аналог термина «Информатика» - Computer Sciences – «Компьютерные науки». Может показаться, что предметом курса является исключительно проблемы автоматизации обработки информации с помощью компьютеров… Классическое определение: Информатика – наука, изучающая структуру, общие свойства, вопросы сбора, хранения, поиска, переработки, преобразования, использования знаний, научно-технической информации. Расширенное определение: Информатика – наука об информации и информационных процессах, о моделях и моделировании, об алгоритмах и алгоритмизации (о программах и программировании), о различных классах исполнителей алгоритмов (в частности, о компьютерах), о технологиях получения и актуализации информации, об их использовании в общественном развитии.

14 14 Введение в информатику Базовые понятия информатики: информация и сообщение алгоритм и алгоритмизация система и структура, отношение и связь, порядок изменение, изменчивость и выбор - получение, переработка, сжатие, актуализация информации с помощью сообщений различного типа, - происхождение и формы передачи (последовательная, параллельная и смешанная) сообщений. - разработка эффективных алгоритмов для решения различных задач и оценка алгоритмической разрешимости; - создание программ и программных комплексов, программирование. - информационная система и структура представления информации и данных; - отношения между их компонентами. - оценка альтернатив и выбор решений на базе различных информационных систем и процессов.

15 15 Введение в информатику Базовые понятия информатики: модель и моделирование исполнитель и его операционная среда язык и грамматика проектирование систем и технология - описание и исследование систем различной природы с помощью моделей и моделирования. - автомат (компьютер) и комплекс автоматов (компьютерная система); - описание архитектуры и принципов работы технических средств и операционных сред (систем). - формализация информации с помощью алгоритмических языков; - языки программирования и языки общения с пользовательскими средами. - проектирование сложных информационных систем; - информационные и компьютерные технологии.

16 16 Введение в информатику Предметная область науки информатика: информационные процессы и системы, модели, языки их описания и технологии их актуализации, направленные: - на получение знаний (внутренняя сущность информатики), - на применение знаний, принятие на их основе решений в различных проблемных областях (внешняя сущность информатики).

17 17 Введение в информатику История развития информатики, как науки о знаниях и технологиях I. Период добумажной информатики Развитие средств формализации знанийРазвитие средств сохранения и передачи знаний Каменный век Речь, простейшие изобразительные формыЧеловеческая память: сказания, былины, обряды, приметы. Природные краски, каменные стены: пиктографические изображения (наскальные рисунки) Бронзовый век – IХ-I века до н.э. Изображения повторяющихся систем понятий – идеограмм, которые с конца IV века до н.э. превратились в рисуночное иероглифическое письмо. Развитие систем счета: критская (10 пальцев), римская (иероглифы сочетаний пальцев рук), арабская (VII-VIII в. до н.э. ) В Средиземноморье и Европе – переход от иероглифов к абстрактному алфавитному письму (финикийский, греческий алфавиты, пунктуация) к III – I вв. до н.э. Первые карты (Птолемей – II в. до н.э.), техническая графика (строительство пирамид, зданий, систем водоснабжения и т.д. – III-II в. до н.э. ) Первые системы и устройства автоматизации расчетов (Вавилон, Египет). Клинопись, преимущественно на камне. Клинопись на сырых глиняных табличках и деревянных дощечках. Папирус (III тыс.до н.э.). Пергамент и первые книги (IV в. до н.э.) Первые централизованные хранилища информации с ограниченным доступом (Хеттское царство – 20 тыс. глиняных клинописей). Почтовая связь (Греция, Персия, Египет). Первые публичные библиотеки (г. Александрия).

18 18 Введение в информатику История развития информатики, как науки о знаниях и технологиях II. Период бумажной информатики Развитие средств формализации знанийРазвитие средств сохранения и передачи знаний Начало н.э. – до X века Совершенствование письменной символики, формирование на базе греческого алфавита европейских языков. Древнегреческая научная терминология, благодаря которой началось устранение излишней информационной избыточности. Разработка понятия «алгоритм» (Аль Хорезми -IX век). Изобретение бумаги, начало массового производства в Европе (к X веку). Рукописные книги и их ручное размножение, карты, чертежи. Развитие курьерской и почтовой связи. Формирование хранилищ информации в городах и религиозных центрах с возможностью широкого доступа к ним. Возникновение первых общеобразовательных школ (гражданских и ЦПШ). Создание служб оповещения населения (придворные глашатые, курьеры). Позднее Средневековье – Эпоха Возрождения (XI – XVII века) Развитие письменной символики завершается в Европе в XV в. созданием пунктуации современного вида. Создание на основе древнегреческого и латинского языков терминологических систем в различных областях знаний. Виртуализация связей и отношений, например, архитектурные чертежи и др. Развитие математической символики: алгебраическая символика (XIV-XVII в.), знаки операций (XV в.), равенства, бесконечности (XVII в.), степени, дифференциала, интеграла, производной (XVII в.) и др. Начало перевода (в основном ручного) информации на бумажные носители. Книгопечатание XV в. Германия (станок Гуттенберга, ). Появились журналы, газеты, энциклопедии, географические карты. Массовое тиражирование по пространству информации на материальных носителях. Первые университеты в Европе (Италия, Франция), как центры образования, сохранения и передачи знаний.

19 19 Введение в информатику История развития информатики, как науки о знаниях и технологиях II. Период бумажной информатики Развитие средств формализации знанийРазвитие средств сохранения и передачи знаний Позднее Средневековье – Эпоха Возрождения (XI – XVII века) Дальнейшее развитие технической графики. Попытки аудирования, искусственного создания звуков (озвучивания информации). В 1770 г. Краценштейн в Санкт-Петербургском университете смоделировал акустические резонаторы, имитирующие голос человека. Эпоха индустриальной революции (XVIII – XX века) Расширение доступности знаний за счет массового книгопечатания и развития образования. Математизация и формализация знаний в различных областях: создание системы аксиом и правил вывода, формирование специализированных формализмов (языков). Информатизация и информационно-логическое представление знаний: запись и долговременное хранение профессиональных знаний, ранее формализованных математическими методами (алгоритмов, программ, баз данных, эвристик и т.д.). Возникновение – программирования как подготовки информации, готовой для использования механизмами (автоматами). Автоформализация знаний: создание «виртуальной реальности» - искусственного трехмерного пространства и визуальных сред взаимодействия человека с компьютером. Развитие систем массовых коммуникаций: регулярная почтовой связи; фотография (1839 г.), телеграф (1832 г.), телефон (1876 г.), радио (1895 г.), кинематограф (1905 г.), беспроволочная передача изображения (1911 г.), промышленное телевидение (1920 г.), цифровые фотография и телевидение, сотовая связь, IP-телефония (конец XX-го века). Исследование физико-химических свойств различных веществ и материалов для разработки многообразных форм (механические, магнитные, оптические и др.) носителей информации. Развитие средств вычислительной техники, появление современных ЭВМ.

20 20 Введение в информатику История развития информатики, как науки о знаниях и технологиях III. Период безбумажной информатики Основные атрибуты общества безбумажной информатики (специально не используется термин «информационное общество», так как такое общество полностью ещё нигде не построено, а критерии могут изменяться): безбумажные (электронные) документооборот и делопроизводство, их государственная поддержка и целенаправленное развитие; информационная (компьютерная, сетевая) грамотность населения и её государственная поддержка и развитие; превращение информации в товар (со всеми атрибутами товара); развитая (интеллектуальная) и доступная система баз данных и знаний, доступа к сетям и информации Интернет; информатизация и информационная безопасность основных систем общества; актуализация вещественно-энерго-информационных связей систем и процессов

21 21 Введение в информатику В мировой глобальной информационной системе сетей Интернет каждый месяц число новых пользователей растет в среднем на 15-20%. Первая в истории компьютерная сеть начала разрабатываться в конце 60-ых годов, сегодня уже Интернет насчитывает более 50 тыс. компьютерных сетей, более 400 млн. пользователей и более 30 млн. компьютеров (мест доступа). В мировых базах данных накоплено более 155 млн. документов. Стоимость информационных услуг и количество людей, занятых в сфере информационного обслуживания резко начали расти, например, в США в начале 80-ых годов в сельском хозяйстве было занято около 5%, в промышленности - 20%, в сфере обслуживания - 30%, в сфере информационных услуг - 45% всех работающих в стране. Прогнозируемый аналогичный показатель начала нового тысячелетия - 70%. Вступление государства в информационную цивилизацию прежде всего, подтверждается макроэкономическими показателями, в частности, - увеличением доли информационного сектора в валовом национальном продукте и повышением доли работников информационной сферы в общей численности занятых. Информационный бизнес занимает заметное место в структуре экономики промышленно развитых стран.

22 22 Введение в информатику Д.С. Робертсон (США) выдвинул формулу: цивилизация - это информация. Используя количественные меры математической теории информации, Робертсон ранжирует цивилизации по количеству производимой ими информации на 5 следующих уровней: 0 - информационная емкость мозга отдельного человека - примерно 10 7 бит; 1 - устное общение внутри общины, деревни или племени, количество циркулирующей информации - примерно 10 9 бит; 2 - письменная культура; мерой информированности общества служит Александрийская библиотека, имеющая свитков, в которых содержится примерно бит информации; 3 - книжная культура: имеются сотни библиотек, выпускаются десятки тысяч книг, газет, журналов, совокупная емкость которых оценивается примерно в бит; 4 - информационное общество с электронной обработкой информации объемом примерно бит.

23 23 Введение в информатику Информатика, рассматриваемая с точки зрения хранения и преобразования информации, как правило, сводится, в основном, к компьютерам (служащим определенным человеческим целям). Это – ресурсный или технократический подход к информатике. Если же информатика рассматривается с коммуникационных позиций, например, с позиции передачи знаний, то она выступает неотъемлемым элементом культуры общества. Оба подхода должны быть взаимосвязаны. Абсолютизация первого подхода приводит к заблуждению, что технические возможности предопределяют цели развития общества (возникают технократические утопии). Абсолютизация второго подхода может привести к забвению технических возможностей информатики, недооценке технических нововведений, к излишнему формализму.

24 24 Введение в информатику Три основные ветви информатики: Теоретическая, математическая информатика (brainware) изучает теоретические проблемы информатики (большей частью связанные с формальными системами, моделями, алгоритмами и теорией программирования, кодирования и организации систем). Практическая, прикладная информатика (software) изучает практические, конкретные проблемы информатики (большей частью связанные с программированием и использованием моделей, программными и компьютерными технологиями и системами). Техническая, инженерно-физическая информатика (hardware) изучает инженерно-физические, технические проблемы информатики (большей частью связанные с разработкой и использованием технических средств обработки информации, ЭВМ и систем ЭВМ, сетей).

25 25 Введение в информатику