Введение 1 страница

Считается, что понятие «информатика» было введено на немецком языке в 1957 году (в настоящее время принято считать, что оно введено, по одним сведениям[1], – в 1960 году, по другим по сведениями[2] – в 1962 году) теоретиком программирования, «отцом» теории нейронных сетей Карлом Штайнбухом. При этом термин «информатика» К. Штайнбух образовал от таковых automatische Informations verarbeitung, где automatsche – автоматическая и Iformations verarbeitung – обработка информации. То есть, по К. Штайнбуху, дословно термин «информатика» – это автоматическая обработка информации, или же автоматизация информации.

Аналогичная трактовка термина «информатика» была предложена в 1962 году во Франции Ф. Дрейфусом. Французский термин informatique – информатика – образован путем слияния слов information – информация – и automatique – автоматика – и означает дословно «информационная автоматика или автоматизированная обработка информации».

Другая трактовка этимологии термина «информатика» исходит из того, что термин состоит из корня inform – информация – и суффикса matics – наука о … , т.е. информатика – это наука об информации.

Кроме Германии и Франции термин используется в ряде других стран Восточной Европы и в России. В то же время, в большинстве стран Западной Европы и США используется другой термин – computer science – наука о средствах вычислительной техники.

В качестве источников информатики обычно называют две науки – документалистику и кибернетику. Документалистика сформировалась в конце XIX века в связи с бурным развитием производственных отношений. Ее расцвет пришелся на 20-30-е годы XX века, а основным предметом стало изучение рациональных средств и методов повышения эффективности документооборота. Основы близкой к информатике науки кибернетики были заложены трудами по математической логике американского математика Норберта Винера (1894 – 1964 гг.), опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова kyberneticos – искусный в управлении.

Выделение информатики в самостоятельный вид деятельности связано в первую очередь с развитием вычислительной техники. Хотя вычислительные машины существовали и до 70-80-х годов XX века, их относительно массовое распространение пришлось именно на эти годы. Именно в это время заговорили и об информатике как о научной дисциплине.

Изначально компьютер был инструментом для автоматизации трудоемких вычислений. Однако постепенно эволюционировал в инструмент для работы фактически с любой информацией, а не только числовой. Получая исходную информацию в виде чисел, таблиц, изображений, текстов программное обеспечение вычислительных машин способно преобразовывать ее в другую информацию, а также сохранять и передавать в той или иной форме.

В свое время Е.П. Ершов определил информатику следующим образом: Информатика – это находящаяся в процессе становления наука, изучающая законы и методы накопления, передачи и обработки информации с помощью ЭВМ, а также область человеческой деятельности, связанная с применением ЭВМ.

Информатика – молодая, быстро развивающаяся наука, поэтому строгого и точного определения ее предмета на сегодняшний день не сформулировано. Наиболее устоявшимися посылками в определении предмета информатики в настоящее время являются указания на изучение информационных процессов с применением компьютерных технологий. При таком подходе наиболее точным является следующее определение:

Информатика – это наука, изучающая

· методы реализации информационных процессов средствами вычислительной техники (далее – СВТ);

· состав, структуру и общие принципы функционирования СВТ;

· принципы управления СВТ.

Из определения следует, что информатика – прикладная наука, использующая научные достижения разных наук. Кроме того, информатика – практическая наука, которая не только занимается описательным изучением вопросов, но и во многих случаях предлагает способы их решения.

Так, методы реализации информационных процессов находятся на стыке информатики с теорией информации, теорией кодирования, документоведением, математической логикой и т.д. В этом разделе изучаются:

· вопросы представления различных типов данных (числа, текст, графика, звук, видео и др.) в виде, удобном для обработки СВТ;

· форматы представления данных;

· теоретические проблемы сжатия данных;

· структуры данных, т.е. способы хранения с целью удобного доступа к данным.

При изучении состава, структуры и общих принципов функционирования СВТ используются научные положения электроники, автоматики, кибернетики. В этом разделе изучаются:

· основы построения элементов цифровых устройств;

· основные принципы функционирования ЦВУ;

· архитектура ЭВМ;

· аппаратные средства вычислительных систем;

· аппаратные средства компьютерных сетей.

В разработке принципов управления СВТ используются научные положения из теории алгоритмов, логики, теории графов, теории игр и др. В этом разделе изучаются:

· программное обеспечение СВТ;

· средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

· пользовательский интерфейс.

Обобщая вышесказанное, можно предложить следующую структурную схему информатики (рис. 1).

Рис. 1 Структура информатики как науки

Дисциплина «Информатика» входит в вариативную часть информационно-правового цикла дисциплин ФГОС ВПО по направлению 030900.62 «Юриспруденция».

Дисциплина изучается в первом семестре первого курса. Освоение дисциплины базируется на знаниях основ информатики, полученных в школьном курсе обучения. Знания, умения и навыки, полученные в ходе изучения дисциплины, должны использоваться студентами при освоении программ дисциплин «Информационные технологии в юридической деятельности» и «Интернет-технологии» («Информационно-вычислительные сети»), а также:

· на всех этапах обучения в вузе при освоении различных дисциплин учебного плана, подготовке рефератов, контрольных, курсовых и выпускных квалификационных работ;

· в процессе последующей профессиональной деятельности при решении прикладных задач, требующих получения, передачи и обработки информации.

Раздел 1. Основные понятия теории информатики

Термин «информация» используется во многих науках и сферах человеческой деятельности. Происходит он от латинского informatio – сведения, разъяснения, изложение.

Несмотря на привычность данного термина, строгого и общепринятого определения не существует. Проблема определения термина информация осложняется тем, что он является общенаучным. В литературе можно найти достаточно много определений термина информация, отражающих различные подходы к толкованию этого термина.

В ФЗ № 149-ФЗ дается следующее определение: информация – сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления[3].

Толковый словарь русского языка Ожегова приводит два определения слова информация:

· сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством;

· сообщения, осведомляющие о положении дел, о состоянии чего-нибудь.

В технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов.

В информатике наиболее часто используется определение, где под информацией понимаются осознанные сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования.

Как известно, в материальном мире все физические объекты, окружающие нас, являются либо телами, либо полями. Физические объекты, взаимодействуя друг с другом, порождают сигналы различных типов[4]. Характеристика, которая используется для представления данных, называется параметром сигнала. Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их конечное число, то сигнал называется дискретным (например, текст, напечатанный на бумаге). Если параметр сигнала – непрерывная во времени функция, то сигнал называется аналоговым (например, скорость автомобиля или человеческая речь).

В свою очередь, сигналы могут порождать в физических телах изменение свойств. Это явление называется регистрацией сигналов. Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе[5], называются данными. Существует большое количество физических методов регистрации сигналов на материальных носителях. Это могут быть механические воздействия, перемещения, изменения формы или магнитных, электрических, оптических параметров, химического состава, кристаллической структуры. В соответствии с методами регистрации, данные могут храниться и транспортироваться на различных носителях. Наиболее часто используемый и привычный носитель – бумага; сигналы регистрируются путем изменения ее оптических свойств. Сигналы могут быть зарегистрированы и путем изменения магнитных свойств полимерной ленты с нанесенным ферромагнитным покрытием, как это делается в магнитофонных записях, и путем изменения химических свойств в фотографии.

Данные несут информацию о событии, но не являются самой информацией, так как одни и те же данные могут восприниматься (отображаться или еще говорят интерпретироваться) в сознании разных людей совершенно по-разному. Например, текст, написанный на русском языке (т.е. данные), даст различную информацию человеку, знающему алфавит и язык, и человеку, не знающему их.

Чтобы получить информацию, имея данные, необходимо к ним применить методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы, в свою очередь, тоже различны. Например, человек, знающий русский язык, применяет адекватный метод, читая русский текст. Соответственно, человек, не знающий русского языка и алфавита, применяет неадекватный метод, пытаясь понять русский текст. Таком образом, можно считать, что информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных методов.

Из вышесказанного следует, что информация не является статическим объектом, она появляется и существует в момент слияния методов и данных, все прочее время она находится в форме данных.

Момент слияния данных и методов называется информационным процессом.

Другой подход к определению информации отталкивается от представления процесса ее передачи. В этом случае можно выделить три элемента:

· источник информации;

· среда передачи;

· приемник (потребитель) информации.

При взаимодействии источника и потребителя, собственно говоря, и возникает информация – некоторое сообщение, которое тем или иным способом уменьшает незнание потребителя о некотором объекте, факте или явлении. Основываясь на данном подходе, Клод Шеннон[6] определил информацию как снятую неопределенность.

Все разнообразие окружающей информации можно сгруппировать по различным признакам.

По способу передачи и восприятия различают информацию:

· визуальную – передается видимыми образами и символами;

· аудиальную – передается звуками;

· тактильную – передается ощущениями;

· органно-лептическую – передается запахами и вкусом;

· машинную – выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники.

По направлению информационных потоков можно выделить информацию:

· входящую;

· внутреннюю;

· исходящую.

Информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению делят на:

· массовую (общественно-политическая и научно-популярная);

· специальную (научная, техническая, экономическая и т.д.);

· личную.

По форме представления, способам кодирования и хранения информацию делят на:

· числовую;

· текстовую;

· графическую или изобразительную;

· звуковую;

· видеоинформацию.

В зависимости от того, с каких позиций оценивается информация, различают такие ее аспекты, как синтаксический, семантический и прагматический.

Синтаксический аспект связан со способом представления информации вне зависимости от ее смысловых и потребительских качеств. На синтаксическом уровне рассматриваются формы представления информации для ее передачи и хранения. Обычно информация, предназначенная для передачи, называется сообщением. Сообщение может быть представлено в виде знаков и символов, преобразовано в электрическую форму, закодировано, т.е. представлено в виде определенной последовательности электрических сигналов, однозначно отображающих передаваемое сообщение, и промодулировано для того, чтобы имелась возможность его передачи по выбранному каналу связи. При хранении синтаксический аспект определяется другими формами представления информации, которые позволяют наилучшим образом осуществить поиск, запись, обновление, изменение информации в информационной базе. Информацию, рассмотренную только относительно синтаксического аспекта, часто называют данными.

Семантический аспект отражает смысловое содержание информации и соотносит ее с ранее имевшейся информацией. Смысловые связи между словами или другими элементами языка отражает тезаурус, который состоит из двух частей: списка слов и устойчивых словосочетаний, сгруппированных по смыслу, и некоторого ключа, позволяющего расположить слова в определенном порядке. При получении информации тезаурус может изменяться, и степень этого изменения характеризует воспринятое количество информации.

Прагматический аспект определяет возможность достижения поставленной цели с учетом полученной информации. Этот аспект отражает потребительские свойства информации. Если информация оказалась ценной, поведение ее потребителя меняется в нужном направлении. Проявляется прагматический аспект информации только при наличии единства информации, потребителя и поставленной цели.

Понятие «информация», как уже было сказано ранее, используется многими научными дисциплинами, имеет большое количество разнообразных свойств, но каждая дисциплина обращает внимание на те свойства информации, которые ей наиболее важны. В рамках нашего рассмотрения наиболее важными являются такие свойства, как дуализм, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность. Рассмотрим их подробнее.

Дуализм информации характеризует ее двойственность. С одной стороны, информация объективна в силу объективности данных, с другой – субъективна, в силу субъективности применяемых методов. Иными словами, методы могут вносить в большей или меньшей степени субъективный фактор и таким образом влиять на информацию в целом. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают подчас весьма разную информацию, хотя прочитанный текст, т.е. данные, были одинаковы. Более объективная информация применяет методы с меньшим субъективным элементом.

Полнота информации характеризует степень достаточности данных для принятия решения или создания новых данных на основе имеющихся. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределенности, т.е. большое число вариантов выбора, а это потребует применения дополнительных методов, например, экспертных оценок, бросание жребия и т.п. Избыточный набор данных затрудняет доступ к нужным данным, создает повышенный информационный шум, что также вызывает необходимость дополнительных методов, например, фильтрацию, сортировку. И неполный и избыточный наборы затрудняют получение информации и принятие адекватного решения.

Пример:

Свидетель сообщил, что видел гражданина Н вблизи места преступления – информация неполная (недостаточно для ареста). Экспертиза обнаружила отпечатки пальцев гр-на Н на орудии преступления. Под давлением улик гр-н Н сознался – информация полная.

Достоверность информации – это свойство, характеризующее степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью. При работе с неполным набором данных достоверность информации может характеризоваться вероятностью, например, можно сказать, что при бросании монеты с вероятностью 50 % выпадет герб.

Недостоверность информации может быть связана с тем, что данные изначально были подготовлены как ложные (например, оставление на месте преступления объектов с отпечатками пальцев посторонних лиц), в результате модификации данных (удаление отпечатков пальцев с объекта) или в результате того, что данные трудно выделить на фоне регистрации посторонних сигналов (объект с отпечатками пальцев преступника несет многочисленные отпечатки пальцев посторонних лиц).

Пример:

В записной книжке обнаружен номер телефона, в котором неразборчиво написана несколько цифра (1 или 4). Интерпретация неразборчивой цифры как 1 представляется недостоверной.

Адекватность информации выражает степень соответствия создаваемого с помощью информации образа реальному объекту, процессу, явлению. Полная адекватность достигается редко, так как обычно приходится работать с не самым полным набором данных, т.е. присутствует неопределенность, затрудняющая принятие адекватного решения. Получение адекватной информации также затрудняется при недоступности адекватных методов.

Пример:

Закон различает права свидетелей и подозреваемых. В то время как сообщение заведомо ложных данных подозреваемым считается адекватным поведением, те же действия со стороны свидетелей адекватными не являются и рассматриваются как правонарушение.

Доступность информации – это возможность получения информации при необходимости. Доступность складывается из двух составляющих: из доступности данных и доступности методов. Отсутствие хотя бы одного дает неадекватную информацию.

Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. Нередко с актуальностью, как и с полнотой, связывают коммерческую ценность информации. Информация существует во времени, так как существуют во времени все информационные процессы. Информация, актуальная сегодня, может стать совершенно ненужной по истечении некоторого времени.

Пример:

Программа телепередач на нынешнюю неделю будет неактуальна для многих телезрителей на следующей неделе.

Вся информация, которая хранится, обрабатывается и передается по сетям с помощью средств вычислительной техники, представлена в компьютере в виде двоичных чисел. Существуют международные стандарты и методы кодирования числовой, текстовой, графической, звуковой и видеоинформации.

Можно сказать, что любое число имеет значение (содержание) и форму представления. Значение числа задает его отношение к значениям других чисел (больше, меньше или равно) и, следовательно, порядок расположения чисел на числовой оси. Форма представления определяет порядок записи числа с помощью предназначенных для этого знаков. При этом значение числа является инвариантом, т.е. не зависит от способа его представления. Это означает также, что число с одним и тем же значением может быть записано по-разному, т.е. отсутствует взаимно однозначное соответствие между представлением числа и его значением. В связи с этим возникают вопросы:

· о формах представления чисел;

· о возможностях и способах перехода от одной формы к другой.

Способ представления числа определяется системой счисления.

Система счисления – это правило записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков – цифр.

Существуют различные системы счисления. От их особенностей зависят наглядность представления числа при помощи цифр и сложность выполнения арифметических операций. Различают позиционные и непозиционные системы счисления.

В непозиционных системах счисления, которые появились значительно раньше позиционных, смысл каждого символа не зависит от того места, на котором он стоит. Примером такой системы счисления является римская, в которой для записи чисел используются буквы латинского алфавита. При этом буква I всегда означает единицу, буква – V пять, X – десять, L – пятьдесят, C – сто, D – пятьсот, M – тысячу и т.д. Например, число 264 записывается в виде CCLXIV. Недостатком непозиционных систем является отсутствие формальных правил записи чисел и, соответственно, арифметических действий с многозначными числами.

В вычислительной технике применяются позиционные системы счисления.

Позиционными называются системы счисления, в которых значение каждой цифры в изображении числа определяется ее положением (позицией) в ряду других цифр.

Позиционных систем счисления существует множество, и отличаются они друг от друга алфавитом – множеством используемых цифр. Размер алфавита (число цифр в нем) называется основанием системы счисления. Последовательная запись символов алфавита (цифр) изображает число. Позиция символа в изображении числа называется разрядом. Разряду с номером 0 соответствует младший разряд целой части числа. Каждому символу соответствует определенное число, которое меньше основания системы счисления. В зависимости от позиции (разряда) числа значение символа умножается на степень основания, показатель которой равен номеру разряда.

Таким образом, любое число А в позиционной системе счисления можно представить в виде полинома:

, (1)

где q – основание системы счисления;

m – номер разряда целой части, отсчитываемый от нуля;

k – количество цифр в дробной части числа;

- коэффициент i-го разряда.

Например, .

Из коэффициентов при степенях основания строится сокращенная запись числа:

(2)

Наиболее распространенной и привычной системой счисления является всем нам хорошо известная десятичная система счисления. Любое число в ней записывается с помощью цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

В ЭВМ для представления информации используются также двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления.

Теоретически наиболее экономичной системой счисления является система с основанием . Использование же двоичной системы счисления обусловлено:

· более простой реализацией алгоритмов выполнения арифметических и логических операций;

· более надежной физической реализацией основных функций, так как они имеют два состояния (0 и 1);

· экономичностью аппаратной реализации всех схем ЭВМ.

Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления являются производными от двоичной. Они используются в основном для более компактного изображения двоичной информации, так как запись значения числа производится существенно меньшим числом знаков.

Для удобства сопоставления рассмотренных систем счисления приведем таблицу первых 16 чисел натурального ряда.

Таблица 1

Натуральный ряд чисел в различных системах счисления

В цифровых вычислительных системах используют также комбинированную, двоично-десятичную систему счисления, облегчающую запись больших чисел с применением двоичного кода. В этом случае каждый разряд десятичного числа записывают двоичным кодом, используя для этого соответствующие тетрады (четырехзначные двоичные элементы). Недостатком такой системы является ее избыточность для чисел меньших восьми (недоиспользуются многие двоичные разряды).

Поскольку одно и то же число может быть записано в различных системах счисления (например, ), то встает вопрос о переводе представления числа из одной системы в другую. Правила перевода для целых и дробных чисел отличаются.

Для перевода чисел из любой системы счисления в десятичную можно воспользоваться формулой (1).

Пример. Перевести в десятичную систему счисления числа

Решение:

Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую

1. Делить заданное число на новое основание, записанное в виде числа со старым основанием до получения остатка.

2. Полученное частное следует вновь делить на новое основание, и этот процесс надо повторять до тех пор, пока частное не станет меньше делителя.

3. Полученные остатки от деления и последнее частное записываются в порядке обратном полученному при делении.

Пример. Перевести число в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления.

Решение:

Перевод дробных чисел из одной системы счисления в другую

Умножить заданное число на новое основание, записанное в виде числа со старым основанием. При каждом умножении целая часть произведения берется в виде очередной цифры соответствующего разряда, а оставшаяся дробная часть принимается за новое множимое. Число умножений определяет разрядность полученного результата.

Пример. Перевести число в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления.

Решение:

Пример. Перевести число в двоичную систему счисления.

Решение: Переведем отдельно целую и дробную части числа в двоичную систему счисления.

.

Соединяя целую и дробную части, получим

Так как двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления связаны друг с другом через степени 2, то преобразования между ними можно выполнять более простым способом.

1. Для перевода из шестнадцатеричной (восьмеричной) системы счисления в двоичную достаточно двоичным кодом записать шестнадцатеричные (восьмеричные) коды цифр тетрадами (триадами).

2. Обратный перевод из двоичного кода производится в обратном порядке: двоичное число разбивается влево и вправо от запятой на тетрады для последующей записи цифр в шестнадцатеричном представлении и на триады – для записи их значений восьмеричными цифрами.

3. При переходе из восьмеричной системы счисления в шестнадцатеричную и обратно используется вспомогательный, двоичный код числа.

Пример. Перевести число в восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления.

Решение:

Пример. Перевести число в двоичную систему счисления.

Решение:

Существует два вида чисел и два способа их представления: форма с фиксированной точкой (применяется для целых чисел) и форма с плавающей точкой (применяется для вещественных чисел).