Основные составляющие информатики

В информатике выделяют следующие основные направления:

· Теоретическая информатика

· Семиотика

· Кибернетика

· Программирование

· Искусственный интеллект

· Информационные системы

· Вычислительная техника

· Информатика в обществе

· Информатика в природе

Составляющие данной науки являются: теоретическая информатика, семиотика, кибернетика. Практически информатика реализуется в программировании и вычислительной технике.

Теоретическая информатика является фундаментом для построения общей информатики. Данная дисциплина занимается изучением и построением моделей, дискретных множеств, которые описывают эти модели. Неотъемлемой частью теоретической информатики является логика. Логика – совокупность правил, которым подчиняется процесс мышления. Математическая логика изучает логические связи и отношения, лежащие в основе дедуктивного (логического) вывода.

Множество информационных сообщений, как правило, можно описывать в виде дискретного множества. А значит, по своему характеру теоретическая информатика близка к дискретной математике, изучающей объекты именно такого типа. Поэтому многие модели теоретической информатики заимствованы из дискретной математики. Но, как правило, эти модели наполнены конкретным содержанием, связанным со спецификой информации — того объекта, который нас интересует.

В рамках этого направления развивается такая дисциплина, как теория информации. Теория информации рассматривает информацию как некий абстрактный объект, лишенный какого-то конкретного содержания, и изучает ее общие свойства и законы развития. Теория кодирования занимается вопросами представления содержания информации в той или иной форме, а также теоретическими вопросами передачи информации по зашумленным каналам связи и исправления ошибок, возникающих в этих каналах. Вместо реальных объектов в компьютере рассматриваются упрощенные описания явлений и процессов. Переход от реальных объектов к их моделям рассматривается в такой науке, как системный анализ. Любая построенная модель требует адаптации к современной вычислительной технике, позволяющей воспроизводить реальные объекты в компьютере. Потребность в специальных методах и приемах, позволяющих обсчитывать модели и проводить численные эксперименты, обусловливает развитие таких наук, как вычислительная математика, теория алгоритмов и параллельных вычислений.

Сама теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разделить на пять классов.

A. К первому классу относятся дисциплины, опирающиеся на математическую логику. В них разрабатываются методы, позволяющие использовать достижения логики для анализа процессов переработки информации с помощью компьютеров (теория алгоритмов, теория параллельных вычислений), а также методы, с помощью которых можно на основе моделей логического типа изучать процессы, протекающие в самом компьютере во время вычислений (теория автоматов, теория сетей Петри).

B. Компьютеры, как известно, оперируют с числами, т. е. с информацией, представленной в дискретной форме. А сами процедуры, реализуемые компьютером, есть алгоритмы, описанные в виде программ. Чтобы составить программу, необходимо разработать специальные приемы решения задач. Раньше математики не заботились о возможности перевода своих методов решения задач в такую форму, которая допускает программирование, т. е. перевод в программы, реализуемые на вычислительной машине. В результате развития устройств, автоматизирующих вычисления, появились современные компьютеры, и это стимулировало развитие в математике специальных приемов и методов решения задач. Так возникли дисциплины, лежащие на границе между дискретной математикой и теоретической информатикой. Это вычислительная математика и вычислительная геометрия. Слово "вычислительная" подчеркивает, что эти науки направлены на создание методов, ориентированных на реализацию в компьютерах.

C. Специально изучением информации как таковой (т. е. в виде абстрактного объекта, лишенного конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих ее рождением, развитием и уничтожением, занимается теория информации. К этой науке близко примыкает теория кодирования, в задачу которой входит изучение тех форм, в которые может быть "отлито" содержание любой конкретной информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний и т. п.). В теории информации имеется раздел, специально занимающийся теоретическими вопросами передачи информации по различным каналам связи.

D. Информатика имеет дело с реальными и абстрактными объектами. Информация, циркулируя в реальном виде, овеществляется в различных физических процессах, но в информатике она выступает как некоторая абстракция. Такой переход вызывает необходимость использования в компьютерах специальных абстрактных (формализованных) моделей той физической среды, в которой "живет" информация в реальном мире. Другими словами, вместо реальных объектов в компьютерах надо использовать их модели. Переход от реальных объектов к моделям, которые можно использовать для изучения и реализации в компьютерах, требует развития особых приемов. Их изучением занимается системный анализ — наука, возникшая чуть более трех десятилетий назад. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и дает способы их формализованного описания. Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых позиций. Системный анализ занимает пограничное положение между теоретической информатикой и кибернетикой. Такое же пограничное положение занимают еще две дисциплины. Имитационное моделирование — одна из них. В этой науке создаются и используются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в вычислительных машинах. Вторая наука — теория массового обслуживания изучает специальный, но весьма широкий класс моделей передачи и переработки информации, так называемые системы массового обслуживания.

E. Последний класс дисциплин, входящих в теоретическую информатику, ориентирован на использование информации для принятия решений в самых различных ситуациях, встречающихся в окружающем нас мире. Сюда, прежде всего, входит теория принятия решений, изучающая общие схемы, используемые людьми при выборе нужного им решения из множества альтернативных возможностей. Такой выбор часто происходит в условиях конфликта или противоборства. Модели такого типа изучаются в теории игр. Всегда хочется среди всех возможных решений выбрать наилучшее или близкое к такому. Проблемы, возникающие при решении этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование (не путать с программированием для компьютеров, слово "программирование" здесь употребляется в ином смысле). При организации поведения, ведущего к нужной цели, принимать решения приходится многократно. Поэтому выбор отдельных решений должен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их использованием для достижения поставленных целей занимается еще одна научная дисциплина — исследование операций. В этой же науке изучаются и способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то возникает немало специфических ситуаций: образование партий, коалиций, появление соглашений и компромиссов. Эти проблемы частично изучаются в уже упомянутой теории игр, но в последнее время активно развивается новая дисциплина — теория коллективного поведения, для которой задачи коллективного принятия решений — предмет специального изучения.

Семиотика исследует знаковые системы, составляющие которых – знаки – могут иметь самую разнообразную природу, лишь бы в них можно было выделить три составляющие, связанные между собой договорными отношениями: синтаксис (или план выражения), семантику (или план значения) и прагматику (или план использования). Семиотика позволяет установить аналогии в функционировании различных систем как естественного, так и искусственного происхождения. Ее результаты используются в компьютерной лингвистике, искусственном интеллекте, психологии и других науках.

Кибернетика возникла в конце 40-х годов, когда Н. Винер выдвинул идею, что правила управления живыми, неживыми и искусственными системами имеют много общих черт. Актуальность выводов Н. Винера была подкреплена появлением первых компьютеров. Кибернетика сегодня может рассматриваться как направление информатики, рассматривающее создание и использование автоматизированных систем управления разной степени сложности.

Кибернетика больше всего интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких системах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчивость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность — характерное свойство не только живых, но и целесообразных искусственных систем.

Программирование своим появлением полностью обязано ВМ. Этот термин встречается и в другом смысле, когда говорится о математическом программировании, линейном программировании и т.п., т.е. о программировании как специальной вычислительной процедуре. Встречаются и иные случаи использования термина "программирование". Например, одно время весьма популярным методом обучения было программированное обучение.

В начальный период своего развития программирование не имело под собой прочной теоретической базы, но с накоплением опыта программирования нащупывались общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компьютеров и в самих процедурах программирования. Это повлекло за собой постепенное создание теоретического программирования, в котором сейчас можно выделить несколько направлений.

Одно из них связано с созданием разнообразных языков программирования, предназначенных для облегчения взаимодействия человека с вычислительных машин (ВМ) и информационных систем (ИС). Кроме разработки языка, на котором пользователь записывает программы, необходимы еще специальные средства, обеспечивающие автоматический перевод записи программы на некотором языке программирования в форму, воспринимаемую устройствами компьютера. Этот перевод осуществляется специальными программными системами — трансляторами, разработка которых, как и создание языков программирования и решение еще целого ряда задач, связанных с обеспечением взаимодействия пользователя и машины, есть поле деятельности системных программистов. Системное программирование— особая отрасль, в которой трудятся профессионалы высокого уровня, создающие программный продукт, тиражируемый вместе с математическим обеспечением.

Другая область деятельности системных программистов — создание операционных систем (ОС), без которых не может функционировать никакая ВМ. Программисты такого профиля работают, как правило, на тех фирмах и в тех организациях, где производятся или разрабатываются компьютеры.

Тенденцией последних десятилетий стал переход от отдельных ВМ к объединениям многих разнотипных машин в единую сеть сбора, обработки и передачи данных. Чтобы различные компьютеры "понимали" сообщения друг друга, нужны специальные языки, записи на которых одинаково понятны всем абонентам сети. Такие языки называются протоколами связи. Разработкой протоколов также занимаются системные программисты.

Кроме системного выделяют проблемно-ориентированное программирование. Специалисты, работающие в этой сфере, создают пользовательские программы, нацеленные на решение задач в той или иной области человеческой деятельности, например для решения задач из области аэромеханики, банковских задач, задач медицинской диагностики и т. п. Эти же программисты создают специальные пакеты прикладных программ — удобное средство для пользователя, работающего в фиксированной проблемной области.

Следует упомянуть о создании программ для различных ИС, например для банков данных.