46962 (Введение в информатику)

1. Информатика. структура предметной области. Объекты изучения информатики

Информатика - это наука об общих свойствах информации, закономерностях и методах ее поиска и получения, записи, хранения, преобразования, передачи, переработки, распространения и использования в различных сферах человеческой деятельности. В качестве объектов изучения информатики выступают: информация, данные, информационные технологии и информационные процессы.

Термин информатика возник в 60-х годах во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (науки о компьютерной технике).

В России термин информатика получил распространение в начале 80-х годов. До этого совокупность направлений, называемых теперь информатикой, именовалась по-разному. Поэтому история информатики в России - это, по сути, и история отечественной кибернетики и частично прикладной математики и вычислительной техники

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации главным образом с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи во всех сферах человеческой деятельности. В узком смысле информатика состоит из трех взаимосвязанных частей: технических средств (hardware), программных средств (software), интеллектуальных средств (brainware). В свою очередь, информатику как в целом, так и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций: как отрасль народного хозяйства; как прикладную дисциплину; как фундаментальную науку.

Информатика как отрасль народного хозяйства включает в себя предприятия разных форм хозяйствования, где занимаются производством технических средств обработки и передачи информации, программных продуктов и разработкой современных технологий переработки информации.

Информатика как прикладная дисциплина занимается изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение); созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности; разработкой информационных систем и технологий в конкретных областях и выработкой рекомендаций относительно их жизненного цикла: для этапов проектирования и разработки систем, их производства, функционирования и т.д.

Информатика как фундаментальная наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. Одна из главных задач этой науки - выяснение, что такое информационные системы, какое место они занимают, какую должны иметь структуру, как функционируют, какие общие закономерности им свойственны.

2. Основные области исследований информатики

Отмечено, что история информатики связана с постепенным расширением области ее интересов. Возможность расширения диктовалась развитием компьютеров и накоплением моделей и методов их применения при решении задач различного типа. На протяжении полувековой истории информатики в ней неоднократно возникали и исчезали те или иные направления. В настоящее время в нее входят следующие основные области исследования:

1. теория алгоритмов (формальные модели алгоритмов, проблемы вычислимости, сложность вычислений и т.п.);

2. логические модели (дедуктивные системы, сложность вывода, нетрадиционные исчисления: индуктивный и абдуктивный вывод, вывод по аналогии, правдоподобный вывод, немонотонные рассуждения и т.п.);

3. базы данных (структуры данных, поиск ответов на запросы, логический вывод в базах данных, активные базы и т.п.);

4. искусственный интеллект (представление знаний, вывод на знаниях, обучение, экспертные системы и т.п.);

5. бионика (математические модели в биологии, модели поведения, генетические системы и алгоритмы и т.п.);

6. распознавание образов и обработка зрительных сцен (статистические методы распознавания, использование признаковых пространств, теория распознающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.п.);

7. теория роботов (автономные роботы, представление знаний о мире, децентрализованное управление, планирование целесообразного поведения и т.п.);

8. инженерия математического обеспечения (языки программирования, технологии создания программных систем, инструментальные системы и т.п.);

9. теория компьютеров и вычислительных сетей (архитектурные решения, многоагентные системы, новые принципы переработки информации и т.п.);

10. компьютерная лингвистика (модели языка, анализ и синтез текстов, машинный перевод и т.п.);

11. числовые и символьные вычисления (компьютерно-ориентированные методы вычислений, модели переработки информации в различных прикладных областях, работа с естественно-языковыми текстами и т.п.);

12. системы человеко-машинного взаимодействия (модели дискурса, распределение работ в смешанных системах, организация коллективных процедур, деятельность в телекоммуникационных системах и т.п.);

13. нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных сетей, использование нейронных сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

14. использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

3. Формулировка предметной задачи. Задачная ситуация

Одним из важнейших стратегических факторов развития современного общества является использование новых информационных технологий. Умение их применять в значительной степени определяет, наряду со знанием предметной области, эффективность решения научных и производственных задач. Информатика предоставляет методы и средства для решения задач другим областям. Отсюда - актуальность «правильного» взаимодействия специалистов разных профилей, участвующих в постановке и решении задачи при помощи ЭВМ.

Общая формальная схема процесса постановки и решения задачи состоит из:

1) формулирования предметной задачи;

2) формализации задачи;

3) выбора способа решения;

4) решения задачи на ЭВМ;

5) формального анализа результатов;

6) содержательной интерпретации результатов.

Предметную задачу формулирует специалист-предметник. Формализацией задачи занимаются системный аналитик и предметник. Выбор способа решения - за прикладным математиком. Решает задачу на ЭВМ технолог. Формальный анализ результатов производит системный аналитик. Интерпретацию - специалист-предметник.

Формулирование предметной задачи включает указание:

1) цели;

2) представлений о модели объекта исследования (поиска);

3) исходных данных;

4) ожидаемого результата (что он должен из себя представлять);

5) критериев оценки ожидаемого результата.

На практике часто возникают ситуации, когда задача не содержит тех или иных необходимых атрибутов. Случай, при котором известны цель, исходные данные и ожидаемый результат, называют задачной ситуацией.

Задачи, сформулированные на языке предметной области знаний (экологии, биологии, медицины, экономики) называются предметными задачами. Они отличаются степенью формализации: хорошо формализованные, слабо формализованные и неформализованные.

4. Формализация предметной задачи. Уровни формализации задач

Формализация задачи состоит в переводе на формальный (математический) язык описания цели, определении объектов и свойств, способов вычисления свойств, формализации требований к результату, проверке согласованности требуемого результата с целью.

Процесс выбора способа решения задачи включает все этапы анализа данных и корректировки информации, а также определение алгоритма решения задачи, обеспечивающего получение требуемого результата.

На этапе решения задачи осуществляется в автоматизированном режиме преобразование схемы в технологическую (машинную) схему решения задачи и прохождение этой схемы на ЭВМ. Затем проводится формальный анализ полученных результатов, т.е. проверка соответствия результата критериям оценки результата.

Содержательная интерпретация результатов состоит в согласовании результатов с целью исследования, сформулированными требованиями к результату и принятии решения об использовании результатов либо об уточнении модельных представлений и формулировки задачи.

5. Общая схема постановки и решения предметных задач

1) Цель

2) Представления о модели

3) Исходные данные

4) Результат

5) Критерий оценки

8. Понятие о модели.

Всякое представление информации о внешнем мире связано с построением некоторой модели.

Модель - материальный или идеальный аналог оригинала (объекта, явления или процесса), создаваемый для хранения и расширения знания о нем; совокупность свойств и отношений между ними, выражающих существенные стороны изучаемого объекта, явления или процесса.

Существует множество типов моделей и способов их классификации: по цели использования, областям применения, по сложности, целям моделирования и т.д. Модели внешнего подобия, такие как модели самолетов, машин, манекены и т.п., - используются для предварительных испытаний. Учебные схемы (глобус как модель планеты, модель кристаллической решетки и т.п.), тренажеры, имитирующие поведение реальных объектов в сложных ситуациях, служат для обучения. Функциональные модели или модели-эрзацы заменяют объекты при выполнении определенных функций (протезы, искусственный сердечный клапан и т.п.). Исследовательские модели - математические и имитационные - заменяют реальные объекты в ходе научных исследований. В зависимости от области применения модели могут быть естественнонаучными (например, = _* a), космогоническими (модель мира, времена года), общественного устройства (школа, общинно-родовые отношения, Римская республика, семья, мафия), литературными, компьютерными.

Информационные модели - модели, в которых изучаемое явление или процесс представлены в виде процессов передачи и обработки информации.

Среди информационных моделей наибольшее распространение получили языковые модели. Устройство языковой модели определяется устройством языка. Для ее построения нужно выделить существенные отношения в изучаемом явлении (объекте, процессе) и описать их средствами языка. По сути дела, каждый объект заменяется его именем, а связи между объектами обозначаются именами отношений.

Таким образом, при описании модели наше внимание сосредоточено не на отдельных элементах, а на системе - совокупности частей, элементов объекта (процесса) и отношениях между ними, придающих объекту (процессу) целостность. Такой перенос центра внимания называется системным подходом. Этот подход был впервые явно сформулирован в 1937 г. американским биологом Людвигом фон Берталанфи (Ludwig von Bertalanffy (1901-1972)).

В 1937 г. на философском семинаре Л. фон Берталанфи - американец немецкого происхождения, биолог Чикагского университета - выступил с докладом о системном подходе для определения понятия вид. Доклад был совершенно не понят, и автор «сложил все свои бумаги в ящик стола» Позднее, после войны, он достал свои старые записки, повторил свой доклад и обнаружил совершенно новый интеллектуальный климат. Что же он предложил? Никто из биологов не знает, что такое вид. Каждый знает, что есть собака, и есть ворона, и есть лещ, фламинго, жук, клоп... Все это знают, но определить, что это такое, никто не может, кроме узких специалистов-ученых. И почему животные одного вида и растения одного вида связаны каким-то образом между собой? Берталанфи предложил определение вида как открытой системы.

6. Представление о системном подходе

Системный анализ - это такой метод анализа, когда внимание обращается не на персоны, особи, которые составляют вид, а на отношения между особями.

Модель позволяет многое узнать об изученных явлениях и процессах. Но всякая модель кое-что «урезает». Важно научиться строить модель таким образом, чтобы в них отражались самые существенные стороны изучаемого явления.

Модель важна не сама по себе, а как способ познания. Поэтому кроме модели необходим также инструмент для ее изучения. В последнее десятилетие таким инструментом все чаще выступает компьютер. Строгих правил построения модели сформулировать невозможно. Но человечество накопило богатый опыт в этой сфере деятельности.

Использование компьютера для изучения модели имеет свою специфику, обусловленную возможностью компьютера. Любая модель для компьютерного анализа должна быть формализована.

Совершенно неважно, какие свойства выбираются в качестве моделирующих. Важно, что с их помощью отражают наиболее существенные черты изучаемого объекта или процесса.

Никакая модель не может заменить сам объект, но при решении задачи, когда нас интересуют сравнительно немногие свойства изучаемого объекта, модель может оказаться очень полезным или нередко даже единственным инструментом исследования

7. Схема коммуникаций

При работе с информацией всегда имеется ее источник и потребитель (получатель). Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее потребителю, называются информационными коммуникациями.

Всякий процесс коммуникации - это, как правило, передача информации о модели, т.е., цель коммуникации состоит в том, чтобы приемник стал обладателем той же модели, которая имеется у источника информации. Ниже представлена схема коммуникации.

Чтобы передаваемое сообщение было понятно должны выполняться следующие условия:

1. предметная область А должна содержаться в предметной области В приемника информации;

2. кодирование и декодирование должны быть взаимно обратными операциями.