С.Д. ШАПОРЕВ

ИНФОРМАТИКА

Учебник

Санкт-Петербург

2007

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»

С.Д. ШАПОРЕВ

ИНФОРМАТИКА

Учебник

Допущено научно-методическим советом по математике вузов Северо-Запада в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по направлениям 230100 «Инфор-

матика и вычислительная техника», 230200 «Информационные системы»

Санкт-Петербург

2007

1. ИНФОРМАЦИЯ, ЕЁ СВОЙСТВА, ИЗМЕРЕНИЕ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ

1.1. Информатика – предмет и задачи

Термин “информатика” возник в 60-х годах ХХ века во Франции для названия облас- ти человеческой деятельности, посвященной автоматизированной обработке информации с помощью электронных вычислительных машин. Слово информатика (informatique) образо- вано слиянием слов информация (information) и автоматика (automatique) и означает “авто- матизированная переработка информации”. В англоязычных странах этому выражению со- ответствует термин computer science (наука о компьютерной технике).

Ясно, что не создание компьютера следует считать отправной точкой в возникнове- нии информатики, а решение общих методологических принципов построения и развития информационных моделей, изучение структуры и общих свойств информации, закономерно- стей информационных процессов.

Информатика – молодая наука, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах че- ловеческой деятельности, преимущественно с использованием компьютеров.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отрас- лей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации. Объектом при- ложения информатики также являются самые различные науки и области практической дея- тельности. Опишем составные части “ядра” современной информатики.

Фундаментальной основой информатики является математика. Ее раздел – математи- ческая логика – основа многих построений в информатике. Из других разделов математики используются: теория алгоритмов и теория автоматов, теория кодирования, теория формаль- ных языков и грамматик, исследование операций.

В ряде случаев информатика опирается на лингвистику, например, при создании язы- ков программирования высокого уровня; взаимодействует с философией в проблемах, свя- занных с фундаментальными свойствами информации, и с социологией в проблемах соци- альной информатики.

К настоящему времени информатика еще “не состоялась” как фундаментальная наука, ибо еще не открыты научные законы, связанные с информацией, нет общепринятого опреде- ления базовых понятий информации и информационного процесса. Даже из определения информатики следует, что это область технологическая, инженерная. Ей присущи черты и других групп наук – технических и гуманитарных.

С техническими науками ее роднят аспекты, связанные с созданием и функциониро- ванием машинных систем обработки информации. Именно, в состав информатики входят три взаимосвязанные части – технические средства (hardware), программные средства (software) и алгоритмические средства (brainware). Черты гуманитарной науки придает информа- тике ее участие в развитии и совершенствовании социальной среды, информационного об- щества и влияние на образ жизни людей в информационном обществе.

Итак, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного

Информатика

Рис. 1.1. Роль и место информатики в системе наук

знания (см. рис. 1.1).

1.2. Информация, ее виды и свойства

Все данные материального мира несут в себе информацию о происходящих событиях, являясь по сути регистрацией сигналов, возникающих в результате этих событий. Но данные не тождественны информации. Во многих случаях для того, чтобы получить информацию об объекте, данные надо преобразовать. Это обработка данных. Для обработки данных обяза- тельно применяется какой-нибудь метод.

Представление об информации различается в разных науках. В информатике это пер- вичное понятие. Такие понятия вводятся аксиоматически, т. е. не определяются, а лишь по- ясняются. В простейшем бытовом понимании с термином “информация” обычно ассоции- руются некоторые сведения, данные, знания и т. п.

Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов обра- ботки. Для передачи информации необходима какая-нибудь среда, которая называется кана- лом связи. Информация имеет некоторый набор свойств. Кроме того, она подразумевает не- кую возможность ее измерения в количественном или качественном плане.

Информация обладает рядом свойств, отличающих ее от других объектов природы. Дуализм информации характеризует ее двойственность. С одной стороны информа-

ция объективна в силу объективности данных, с другой – субъективна, в силу субъективно- сти применяемых методов. Понятие объективности и субъективности информации является относительным. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают подчас весьма разную информацию, хотя прочитанный текст, т. е. данные были одинаковы.

Полнота информации. Это свойство характеризует качество информации, т. е. сте- пень достаточности данных для принятия решения. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределенности, в то же время избыточный набор создает повышенный информационный шум и вызывает необходимость применения дополнительных методов, например, фильтрации, сортировки и т. п.

Достоверность информации – это степень соответствия информации реальному объ- екту с необходимой точностью, т. е. проблема разделения полезного сигнала и шумов. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается.

Адекватность информации есть степень соответствия реальному объективному со- стоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой инфор- мации на основе неполных или недостоверных данных. Получение адекватной информации также затрудняется при недоступности адекватных методов.

Доступность информации – это возможность получения информации при необходи- мости. Доступность складывается из двух составляющих: из доступности данных и доступ- ности методов.

Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему момен- ту времени. Информация может устаревать. Поскольку информационные процессы растяну- ты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям.

Информация в виде сообщения передается с помощью носителя информации в виде сигналов. Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Он может быть дис- кретным или непрерывным (см. рис. 1.2 а, б). Пример дискретного сообщения – процесс чте- ния книги, информация в которой представлена дискретной последовательностью букв. Пример непрерывного сообщения – человеческая речь, передаваемая модулированной зву- ковой волной. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Возможность дискредитации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер – циф- ровая машина, т. е. внутреннее представление информации в нем дискретно. Теоретическая база возможности дискретизации непрерывного сигнала заложена следующей теоремой.

Рис. 1.2. Непрерывный и дискретный сигнал

Теорема 1.1 (теорема Котельникова ). Если непрерывный сигнал имеет спектр, ограниченный сверху частотой fmax , то этот сигнал полностью определяется последо-

вательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал t =12 fmax .

Из этой теоремы следует, что, во-первых, непрерывная информация может быть дис- кретизирована, во-вторых, что после дискретизации непрерывный сигнал может быть вос- становлен точно.

Информация передается в виде сообщений, т. е. данных. Данные – это зарегистриро- ванные сигналы – объективная часть информации. Метод регистрации данных может быть любым: механическим, физическим, химическим и т. д. В соответствии с методом регистра- ции данные могут храниться и транспортироваться на носителях разных видов. Распростра- ненными носителями являются бумага, магнитные ленты и диски, оптические диски (CDROM), фотографии. Любой носитель характеризуется разрешающей способностью (количе- ство данных, записанных в принятой для носителя единице измерения) и динамическим диа- пазоном (логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и мини- мального регистрируемого сигнала).

Различают следующие основные операции с данными:

§сбор данных – это накопление информации;

§формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источни- ков, к одинаковой форме;

§фильтрация данных – уменьшение уровня шума, повышение уровня достовер- ности и адекватности;

§сортировка данных – упорядочение по заданному признаку с целью удобства;

§архивация данных – организация хранения в удобной и легкодоступной форме;

§защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;

§транспортировка данных – прием и передача данных между участниками ин- формационного процесса;

§преобразование данных – перевод их из одной формы в другую в связи с изме- нением, например, вида носителя.

1.3.Представление об информационном обществе

Вистории развития цивилизации произошло несколько информационных револю- ций – преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере об- работки информации.

Первая революция связана с изобретением письменности. Появилась возможность пе- редачи знаний от поколения к поколению.

Владимир Александрович Котельников (1908 - 1997) – советский физик (радиотехник).