Глава 1. Основные понятия информатики

Информатизация общества

Современное общество характеризуется резким ростом объемов информации, циркулирующей во всех сферах человеческой деятельности. Это привело к информатизации общества.

Под информатизацией общества понимают организованный социально-экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав физических и юридических лиц на основе формирования и использования информационных ресурсов – документов в различной форме представления.

Целью информатизации является создание информационного общества, когда большинство людей занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации. Для решения этой задачи возникают новые направления в научной и практической деятельности членов общества. Так возникла информатика и информационные технологии.

Характерные черты ИО:

-       решена проблема информационного кризиса, то есть устранено противоречие между информационной лавиной и информационным голодом;

-       обеспечен приоритет информации перед другими ресурсами;

-       в основу общества закладывается автоматизированная генерация, хранение, обработка и использование знаний с помощью новейшей информационной техники и технологии;

-       информационные технологии приобретают глобальный характер, охватывая все сферы социальной деятельности человека;

-       с помощью средств информатики реализован свободный доступ каждого человека к информационным ресурсам всей цивилизации.

Информационная деятельность  общества:

-       В информационной сфере (то есть сфере производства информации и информационных услуг) занято около 80% людей.

-       Обеспечена возможность доступа любому члену общества практически в любой точке территории в приемлемое время к нужной ему информации.

-       В информационном обществе информация – важнейший стратегический ресурс общества и занимает ключевое место в экономике, образовании, культуре.

Негативные черты информационного общества:

-       все большее влияние приобретают средства массовой информации;

-       информационные технологии могут разрушить частную жизнь человека;

-       существенное значение приобретает проблема качественного отбора достоверной информации;

-       некоторые люди испытывают сложности адаптации к информационному обществу.

Для характеристики информационного обеспечения исторических эпох выделяют параметры:

-       Организация передачи информации в пространстве (то есть распространение информации между удаленными людьми в относительно небольшой временной интервал).

-       Организация передачи информации во времени (то есть накопление и хранение информации)

-       Организация обработки информации, то есть преобразование ее с целью использования в практических целях – управление, образование, создание новой информации (наука).

Роль и значение информационных революций

В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций – преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.

Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.

Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.

Четвертая (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

-       переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;

-       миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;

-       создание программно-управляемых устройств и процессов.

Понятие информатики

Понятие информатики является относительно новым в лексиконе современного человека. Интуитивно ясно, что оно связано с информацией, а также с ее обработкой на компьютерах. Это подтверждается существующей теорией о происхождении данного слова: считается, что оно составлено из двух слов – ИНФОРМАция и автомаТИКА (как средство преобразования информации).

Одно из наиболее полных определений информатики выглядит следующим образом. Информатика – это комплексная, техническая наука, которая систематизирует приемы создания, сохранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ними

Предмет информатики как науки:

-       аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

-        программное обеспечение средств вычислительной техники;

-        средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

-        средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Основная задача информатики как науки – это систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники.

Её приоритетные направления:

-       pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;

-       теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;

-       математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в различных областях знаний;

-       методы искусственного интеллекта, моделирующие методы логического и аналитического мышления в интеллектуальной деятельности человека (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

-       системный анализ, изучающий методологические средства, используемые для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам различного характера;

-       биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах;

-       социальная информатика, изучающая процессы информатизации общества;

-       методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;

-       телекоммуникационные системы и сети, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;

-       разнообразные пpиложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Рассмотрим место науки информатики в традиционно сложившейся системе наук (технических, естественных, гуманитарных и т.д.). В частности, это позволило бы найти место общеобразовательного курса информатики в ряду других учебных предметов.

По определению А.П. Ершова информатика – «фундаментальная естественная наука». Академик Б.Н. Наумов определял информатику «как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)».

Уточним, что такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь разных наук как математика и философия. В этом же ряду и информатика, так как понятия «информация», «процессы обработки информации» несомненно имеют общенаучную значимость.

Естественные науки – физика, химия, биология и другие – имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы – искусственных, биологических, общественных.

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». Первоначальное наименовании школьного предмета «Основы информатики и вычислительной техники» в настоящее время изменено на «Информатика» (включающее в себя разделы, связанные с изучением технических. программных и алгоритмических средств). 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.

Рисунок  1 - Место информатики в сложившейся системе наук

Ключевые понятия информатики

Понятие информация является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем.

Информация (лат. informatio разъяснение, пояснение) – совокупность сведений (данных), которая воспринимается из окружающей среды  (входная информация), выдается в окружающую среду (исходная  информация) или сохраняется внутри определенной системы.

Свойства информации:

-       Объективность и субъективность.

-       Полнота. Информация полна, если её достаточно для понимания и принятия решений. Как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки.

-       Достоверность. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений. Достоверная информация со временем может стать недостоверной, так как она обладает свойством устаревать, то есть перестаёт отражать истинное положение дел.

-       Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п.

-       Ценность информации зависит от того, насколько она важна для решения задачи, а также от того, насколько в дальнейшем она найдёт применение в каких-либо видах деятельности человека.

-       Своевременность. Только своевременно полученная информация может принести ожидаемую пользу. Одинаково нежелательны как преждевременная подача информации (когда она ещё не может быть усвоена), так и её задержка.

-       Понятность. Если ценная и своевременная информация выражена непонятным образом, она может стать бесполезной. Информация становится понятной, если она выражена языком, на котором говорят те, кому предназначена эта информация.

-       Доступность. Информация должна преподноситься в доступной (по уровню восприятия) форме. Поэтому одни и те же вопросы по-разному излагаются в школьных учебниках и научных изданиях.

-       Краткость и пространность. Информацию по одному и тому же вопросу можно изложить кратко (сжато, без несущественных деталей) или пространно (подробно, многословно). Краткость информации необходима в справочниках, энциклопедиях, учебниках, всевозможных инструкциях.

-       Актуальность.

Будучи объектом преобразования и использования, информация характеризуется следующими свойствами:

-       Синтаксис – свойство, определяющее способ представления информации на носителе (в сигнале). Так, данная информация представлена в электронном виде с помощью определенного шрифта. Здесь же можно рассматривать такие параметры представления информации, как стиль и цвет шрифта, его размеры, тип носителя и т.д. Выделение нужных параметров как синтаксических свойств, очевидно, определяется предполагаемым способом преобразования. Например, для плохо видящего человека существенным является размер и цвет шрифта.

-       Семантика – свойство, определяющее смысл информации как соответствие сигнала реальному миру. Так, семантика сигнала «информатика» заключается в данном ранее определении. Семантика может рассматриваться как некоторое соглашение, известное потребителю информации, о том, что означает каждый сигнал (так называемое правило интерпретации). Например, именно семантику сигналов изучает начинающий автомобилист, штудирующий правила дорожного движения, познавая дорожные знаки (в этом случае сигналами выступают сами знаки). Семантику слов (сигналов) познаёт обучаемый какому-либо иностранному языку. Можно сказать, что смысл настоящего обучения информатике заключается в изучении семантики различных сигналов – суть ключевых понятий этой дисциплины.

-       Прагматика – свойство, определяющее влияние информации на поведение потребителя. Так прагматика информации, получаемой читателем настоящего учебного пособия, заключается, по меньшей мере, в успешной сдаче экзамена по информатике. Хочется верить, что этим прагматика данного труда не ограничится, и он послужит для дальнейшего обучения и профессиональной деятельности читателя.

Информационный процесс – изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения.

Основные операции:

-         сбор данных

-         формализация данных

-         фильтрация данных

-         сортировка данных

-         архивация данных

-         защита данных

-         транспортирование данных

-         преобразование данных

Объекты:

-       Источник информации – это субъект или объект, порождающий информацию и представляющий ее в виде сообщения.

-       Получатель информации – это субъект или объект, принимающий сообщение и способный правильно его интерпретировать.

-       Сигнал (сообщение) – материальный носитель, который фиксирует информацию для переноса ее от источника к потребителю.

Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т.д. При этом предполагается, что имеются «источник информации» и «получатель информации».

Сообщение от источника к получателю передается посредством какой-нибудь среды, являющейся в таком случае “каналом связи” (рис. 2). Так, при передаче речевого сообщения в качестве такого канала связи можно рассматривать воздух, в котором распространяются звуковые волны, а в случае передачи письменного сообщения (например, текста, распечатанного на принтере) каналом сообщения можно считать лист бумаги, на котором напечатан текст.

Рисунок 2 - Передача сообщения

В качестве примера передачи информации можно привести следующий. Источником информации, которую получает читатель учебника по информатике, является информатика как сфера человеческой деятельности; потребителем – сам читатель, а сигналом – бумага с текстом (в этом случае говорят, что информация имеет бумажный носитель). Будучи прочитанной и запомненной студентом, данная информация приобретет еще один носитель – биологический, когда она «записывается» в память обучаемого. Очевидно, что источник и потребитель в этом случае не меняются.

Классификацию информации выполняют по нескольким основаниям (эта классификация не является строгой и может меняться):

По времени возникновения:

-       априорная – известна потребителю заранее, до получения сигнала;

-       апостериорная – становится известной потребителю после получения сигнала.

Так, получаемая сейчас читателем информация является априорной, если он освоил азы информатики в школе, и апостериорной в противном случае.

По стабильности:

-       Переменная – отражает фактические характеристики источника информации. Может меняться.

-       Постоянная – неизменная и многократно используемая в течение длительного периода времени. Строго говоря, и эта информация может меняться, но с гораздо меньшей частотой, которой можно пренебречь.

Так, в настоящем учебном пособии используются оба вида информации. Упомянутые фирмы-производители технических и программных средств относятся к первому виду. В самом деле, может статься, что к моменту прочтения данного текста эти фирмы перестанут существовать на рынке производителей. В то же время весь понятийный аппарат, излагаемый по тексту, относится к постоянной информации и является тем понятийным базисом, который позволяет специалистам-информатикам говорить на одном профессиональном языке.

По способу использования:

-       вспомогательная – необязательные данные;

-       закрытая – ее использование возможно с согласия определенных физических или юридических лиц;

-       избыточная – дублирует данные;

-       коммерческая – является объектом купли-продажи.

Информационная система – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для сохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи.

В работе информационной системы выделяются этапы:

-       Анализ данных – формирование первичных сообщений, которые фиксируют результаты определенных операций, свойства объектов и субъектов и т.п.

-       Накопление и систематизация данных – организация данных, которая обеспечивала бы быстрый поиск нужных сведений, обновление данных и  сохранение  целостности.

-       Обработка данных – процессы, вследствие которых на основании прежде накопленных данных формируются новые виды данных.

-       Отображение данных – представление их в форме, пригодной для восприятия человеком.

Технология – это способ освоения человеком материального мира с помощью социально организованной деятельности, которая включает три компоненты:

1.     информационную (научные принципы и обоснование),

2.     материальную (орудие работы),

3.     социальную (специалисты, имеющие профессиональные навыки).

Эта триада составляет сущность современного понимания понятия технологии.

Передача информации

Канал связи – совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу от передатчика к приемнику.

Кодирующее устройство предназначено для кодирования информации.

Декодирующее устройство предназначено для преобразования полученного сообщения в исходное.

Рисунок 3 - Передача информации

Виды сигналов

-       Сигнал называется непрерывным (или аналоговым), если его параметр может принимать любое значение в пределах некоторого интервала (речь, музыка).

-       Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать конечное число значений в пределах некоторого интервала.

Следует различать непрерывность или дискретность сигнала по уровню и во времени.

Сигнал называется непрерывным (или аналоговым), если его параметр может принимать любое значение в пределах некоторого интервала (речь, музыка). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха. Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке.

Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать конечное число значений в пределах некоторого интервала. Информация, передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной. Пример дискретного сообщения – процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв).

Следует различать непрерывность или дискретность сигнала по уровню и во времени

Виды преобразования сигналов:

1.     Непрерывный в непрерывный. При таком преобразовании из-за помех, образуемых самим техническим устройством, всегда происходит потеря информации.

2.     Дискретный в дискретный. Переход при представлении сигналов к другому алфавиту.

3.     Дискретный в непрерывный. Теорема отсчетов дает  ответ на вопрос о возможности  преобразования без потерь

4.     Непрерывный в дискретный – такая процедура называется дискретизацией (квантованием). Для этого из бесконечного множества значений этой функции (параметра сигнала) выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Выделяют два способа квантования: по времени и по уровню.

Квантование по времени – замена непрерывной (по времени и по уровню) функции x(t) некоторым множеством непрерывных (по уровню) функций x(t_i). Дискретизация связана с потерей информации.

Погрешность дискретизации e(t) = x(t) – v(t), где v(t) – функция восстановления, которая по дискретным значениям восстанавливает x(t).

Виды дискретизации различаются по регулярности отсчетов:

1.     равномерная дискретизация – Dt постоянно;

2.     неравномерная дискретизация – Dt переменно:

-       адаптивная – Dt меняется автоматически в зависимости от текущего изменения сигнала. Это позволяет увеличивать шаг дискретизации, когда изменения сигнала x(t) незначительны, и уменьшать – в противном случае;

-       программируемая – Dt изменяется оператором или в соответствии с заранее выставленными условиями, например, в фиксированные моменты времени.

Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер – цифровая машина, т. е. – внутреннее представление информации в нем дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки.

Квантование по уровню – преобразование непрерывных (по уровню) сигналов x(t_i) в диапазоне от x_min до x_max в моменты отсчета t_i в дискретное множество значений x_k – уровней квантования. Шаг квантования Dx = x_j – x_j-1.

При квантовании по уровню не всегда сигнал x(t_i) совпадает с уровнем квантования. В таком случае:

1.     либо x(t_i) отождествляют с ближайшим значением;

2.     либо x(t_i) отождествляют с ближайшим меньшим (или большим) значением.

Погрешность квантования по уровню e(x_k) = x(t_i) - x_k. Погрешность квантования по уровню тем меньше, чем меньше шаг квантования. Виды квантования по уровню:

1.     Равномерное, когда диапазон изменения сигнала разбивается на m одинаковых частей. Тогда, зная размер шага квантования, для представления x_k достаточно знать число k.

2.     Неравномерное, когда диапазон изменения сигнала разбивается на m различных частей.