Задачи учебной дисциплины

Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей сведения о технических, программных и алгоритмических средствах организации современных информационных систем и формирующей у обучаемого определенный кругозор, объем знаний, уровень алгоритмического мышления, а также практические навыки работы с конкретными программными системами.

Информатика – это наука и вид практической деятельности, связанные с процессами обработки информации с помощью вычислительной техники.

Термин информатика произошел от слияния двух французских слов Informacion (информация) и Automatique (автоматика) и дословно определял новую науку об «автоматичес,ой обработке информации». В англоязычных странах информатика называется Computer Science (наука о компьютерной технике).

Информатика представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации с помощью вычислительной техники и телекоммуникационных средств связи в различных сферах человеческой деятельности.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей процессов обработки информации: создания, передачи, хранения и использования в различных сферах человеческой деятельности. Прикладные задачи связаны с разработкой методов, необходимых для реализации информационных процессов с использованием технических средств.

Основные понятия

Обычно под информацией понимается совокупность сведений, расширяющая представление об объектах и явлениях окружающей среды, их свойствах, состоянии и взаимосвязях. Обмен информацией непрерывно происходит между людьми, между людьми и окружающим миром. Обмен информацией осуществляется посредством сообщений.

Сообщение – это форма представления информации для ее последующей передачи в одном из следующих видов:

- числовая форма, представленная цифрами;

- текстовая форма, представленная текстами, составленными из символов того или иного языка;

- кодовая форма, представленная кодами; например, кодами в двоичной системе счисления, кодами для сжатия или шифрования, кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых и т. п.;

- графическая форма, представляющая изображения объектов;

- акустическая форма, представленная звуковыми сигналами;

- видео форма, представляющая телепередачи, видео- и кинофильмы в специальном формате.

При работе с информацией всегда имеются источник и потребитель информации. При этом необходимо различать термины «информация» и «данные».

Данные – это информация, представленная в некоторой форме (формализованном виде), что обеспечивает ее хранение, обработку и передачу.

Информации обладает следующими свойствами:

- запоминаемость, то есть способность воспринять информацию и хранить ее продолжительное время;

- передаваемость, то есть способность информации к копированию – восприятием ее другой системой без искажения;

- воспроизводимость характеризует неиссякаемость и неистощимость информации, то есть при копировании информация остается тождественной себе; свойство воспроизводимости не является базовым и тесно связано с передаваемостью;

- преобразуемость – это способность информации менять способ и форму своего существования.

Можно выделить три концепции информации, объясняющие ее сущность.

Первая концепция предложена американским ученым Клодом Шенноном и отражает количественно-информационный подход. Информация определяется как мера неопределенности события. Количество информации зависит от вероятности ее получения. Чем меньше вероятность получения сообщения, тем больше информации в нем содержится. Эта концепция получила широкое распространение в теории передачи и кодировании данных.

Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Информация создает представление о природе, структуре, упорядоченности и разнообразии материи. В рамках этой концепции информация не может существовать вне материи, а значит она существовала и будет существовать вечно, ее можно накапливать, хранить и перерабатывать.

Третья концепция основана на логико-семантическом подходе, при котором информация рассматривается как знание, которое используется для ориентировки, активного действия, управления или самоуправления.

Чтобы сообщение было передано от источника к потребителю, необходима некоторая среда – носитель информации. Примерами носителей информации являются воздух для передачи речи, лист бумаги и конверт – для отсылки текста письма. Сообщение передается с помощью сигналов. В общем случае, сигнал – это физический динамический процесс, так как его параметры изменяются во времени.

В случае, когда параметр сигнала принимает конечное число значений, и при этом все они могут быть пронумерованы, сигнал называется дискретным. Сообщение и информация, передаваемое с помощью таких сигналов, также называются дискретными. Примером дискретной информации являются текстовая информация, так как количество символов (букв) конечно и их можно рассматривать как уровни сигнала передачи сообщения.

Если параметр сигнала является непрерывной во времени функции, то сообщение и информация, передаваемая этими сигналами, называются непрерывные. Примером непрерывного сообщения является человеческая речь, передаваемая звуковой волной, с меняющейся частотой, фазой и амплитудой. 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 [а, b]. Дискретизация – это процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный сигнал с некоторой частотой. Для этого диапазон значений функции (ось ординат) разбивается на конечное количество отрезков равной ширины. Тогда дискретное значение определяется отрезком, в который попало значение функции, называемый шагом дискретизации. Чем меньше шаг дискретизации, тем ближе полученный дискретный к исходному непрерывному сигналу, а, следовательно, больше точность дискретизации.

Информация нуждается в измерении. На практике количество информации измеряется с точки зрения синтаксической адекватности. Исторически сложились два подхода к измерению информации: вероятностный и объемный. В 1940-х гг. К. Шеннон предложил вероятностный подход, а работы по созданию ЭВМ способствовали развитию объемного подхода.

Рассмотрим вероятностный подход к измерению количества информации в соответствии с первой концепцией информации.

Пусть система a может принимать одно из N состояний в каждый момент времени, причем каждое из состояний равновероятно. Например, в качестве системы могут выступать опыты с подбрасыванием монеты (N = 2) или бросанием игральной кости (N = 6).

Количество информации системы a вычисляется по формуле, предложенной Р. Хартли:

H = H(a) = log₂ N = .

При N = 2 количество информации минимально и равна H = 1. Поэтому в качестве единицы информации принимается количество информации, связанное с двумя равновероятными состояниями системы, например: «орел» – «решка», «ложь» – «истина». Такая единица количества информации называется бит.

Введем понятие вероятности. Вероятность события A – это отношение числа случаев M, благоприятствующих событию A, к общему количеству случаев N:

P = .

Объем данных V в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В информатике в основном используется двоичная система счисления, то есть все числа представляются двумя цифрами: 0 и 1. Поэтому минимальной единицей измерения данных является бит. Таким образом, 1 бит – это либо 0, либо 1. Элемент, принимающий всего два значения, называется двухпозиционным и просто реализуется аппаратно, например, двумя состояниями «включено» – «выключено», «ток есть» – «ток отсутствует».

Более подробно о системах счисления будет рассказано в следующей главе.

Наряду с битом используется укрупненная единица измерения – байт, равная 8 бит.

Пример. Сообщение в двоичной системе счисления 10010010 имеет объем данных V = 8 бит. Этот объем данных представляется 1 байтом.

Для удобства использования введены и более крупные единицы объема данных:

1024 байт = 1 килобайт (Кбайт);

1024 Кбайт = 1 мегабайт (Мбайт) = 1024² байт = 1048576 байт;

1024 Мбайт = 1 гигабайт (Гбайт) = 1024³ байт;

1024 Гбайт = 1 терабайт (Тбайт) = 1024⁴ байт;

1024 Тбайт = 1 пентабайт (Пбайт) = 1024⁵ байт.

Общий объем информации в книгах, цифровых и аналоговых носителях за всю историю человечества составляет по оценкам 10¹⁸ байт. Зато следующие 10¹⁸ байт будут созданы за следующие 5-7 лет.

Отличие объема данных от количества информации заключается в следующем. Объем данных выражается только целыми значениями, а количество информации – вещественными.

Формулу Хартли можно использовать для определения объема данных. При этом результат округляется в большую сторону, так как минимальной ячейкой памяти в ЭВМ является байт. Поэтому, заняв только часть байта (его несколько бит), оставшаяся часть байта не используется.

Эффективность использования информации для принятия решений определяется показателями ее качества. Рассмотрим основные показатели качества информации, и чем они определяются.

Репрезентативность (объективность) определяется правильностью отбора и формирования информации в целях адекватного отражения свойств объекта.

Содержательность зависит от семантической емкости, равной отношению количества семантической информации в сообщении к объему сообщения.

Достаточность (полнота) – это минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор показателей. Как неполная, то есть недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений. Однако избыточная информация позволяет восстановить частично утраченную информацию. Например, в слове «дост*пнос*ь» потеряно 18% букв, однако можно понять по оставшимся буквам, что это слово «доступность». Русский язык, как и другие естественные языки, обладает большой избыточностью.

Доступность определяется степенью легкости восприятия и получения информации пользователем.

Актуальность определяется степенью соответствия информации моменту ее использования.

Своевременность определяется поступлением информации не позже заранее назначенного момента времени, зависящего от времени решения поставленной задачи.

Точность – это степень близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п.

Достоверность – это вероятность того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

Устойчивость – это свойство информации реагировать на изменение исходных данных, сохраняя при этом необходимую точность. Устойчивость и репрезентативность обусловлены правильностью выбора метода отбора и формирования информации.

Ценность определяется эффективностью принятых на основе полученной информации решений.

Операции над информацией называются информационными процессами. Люди обмениваются устными сообщениями, записками, посланиями. Они передают друг другу просьбы, приказы, отчеты о проделанной работе, описи имущества, публикуют рекламные объявления и научные статьи, хранят старые письма и документы или долго размышляют над полученными известиями. Все это примеры информационных процессов.

Все информационные процессы можно отнести к одному из следующих классов.

Сбор данных – это деятельность по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. В сочетании с методами анализа данных, они порождают информацию, способную помочь в принятии решений. Например, на основе цены товара и его аналогов, их потребительских качеств, мы принимаем решение: покупать или не покупать этот товар.

Передача данных – это процесс обмена данными. Предполагается, что существует источник информации, канал связи и потребитель информации. Между ними устанавливаются соглашения о порядке обмена данными. Такие соглашения называются протоколами передачи данных. Например, в обычной беседе между двумя людьми негласно принимается соглашение, не перебивать друг друга во время разговора.

Хранение данных – это поддержание данных в форме, постоянно готовой к выдаче их потребителю. Одни и те же данные могут потребоваться потребителю многократно, поэтому существуют способы их хранения на носителях, например, бумаге или запоминающих устройствах, и методы их выдачи по запросу потребителя.

Обработка данных – это процесс преобразования информации из исходной формы до получения определенного результата. Сбор, накопление, хранение информации часто не являются конечной целью информационного процесса. Чаще всего первичные данные используются для решения какой-либо проблемы. Данные преобразуются шаг за шагом в соответствии с алгоритмом обработки до получения выходных данных, которые после анализа пользователем предоставляют необходимую информацию.

Информационные процессы могут осуществляться в рамках информационных систем.

Информационные системы – это организованные человеком системы сбора, хранения, обработки и выдачи информации, необходимой для принятия эффективных решений. Задачей информационных систем является удовлетворение потребностей потребителя в информации. Потребитель должен своевременно получать информацию в требуемой форме, после ее систематизации и необходимой обработки.

Информационная система включает следующие составные части:

- информацию, хранящуюся в информационной системе;

- технические средства хранения и обработки данных;

- методы и процедуры сбора и обработки информации.

Информация является таким же важнейшим ресурсом современного общества, как уголь, нефть, металлы и др., а значит, процесс ее переработки, как и процессы переработки материальных ресурсов, можно назвать технологией.

Информационная технология – это процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных о состоянии объекта, процесса или явления для получения новой информации об их состоянии. Таким образом, информационная технология – это процесс переработки первичной информации в информационный продукт.

Целью информационной технологии является производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения о выполнении соответствующих действий.

Техническими средствами производства информации является его аппаратное, программное и математическое обеспечение. С их помощью производится переработка первичной информации в информацию нового качества.

Программное обеспечение является инструментарием информационных технологий, которое позволяет достичь поставленную пользователем цель. В качестве инструментария можно использовать следующие виды программных продуктов:

- текстовые процессоры и графические редакторы;

- настольные издательские системы;

- электронные таблицы;

- системы управления базами данных (СУБД);

- информационные системы функционального назначения (финансовые, бухгалтерские, для маркетинга и пр.).

Информационная технология тесно связана с информационными системами, которые являются для нее основной средой.

Информационная технология является процессом, состоящим из четко регламентированных правил выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над данными, хранящимися в компьютерах. Основная цель информационной технологии – в результате целенаправленных действий по переработке первичной информации получить необходимую для пользователя информацию.