Семихин Дмитрий Витальевич ИНФОРМАТИКА Лекция 1 Теоретические основы

Семихин Дмитрий Витальевич ИНФОРМАТИКА Лекция 1: Теоретические основы информатики

Информационные революции За свою историю человечество пережило пять информационных революций: 1) Изобретение речи 2) Изобретение письменности 3) Изобретение книгопечатания 4) Изобретение телеграфа и телефона 5) Изобретение компьютеров

Что такое информатика Информатика — наука о способах получения, накопления, хранения, преобразования, передачи, защиты и использования информации. Включает дисциплины, относящиеся к обработке информации в вычислительных машинах и вычислительных сетях: как абстрактные, вроде анализа алгоритмов, так и довольно конкретные, например, разработка языков программирования. Термин информатика возник в 60 -х годах во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной переработкой информации, как слияние французских слов information и automatique. Отдельной наукой информатика была признана лишь в 1970 -х. До настоящего времени толкование термина “информатика” (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым.

Computer Science Эдсгер Вибе Дейкстра (нидерландский учёный, идеи которого оказали влияние на развитие компьютерной индустрии): Computer Science is no more about computers than astronomy is about telescopes (Информатика не больше о компьютерах, чем астрономия о телескопах).

Информационные технологии (ИТ, от англ. information technology, IT) — это класс областей деятельности, относящихся к технологиям управления и обработкой огромного потока информации с применением вычислительной техники. Информационные технологии — это комплекс взаимосвязанных научных, технологических и инженерных наук, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации с помощью вычислительной техники и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические применение, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы.

Разделы информатики Теоретическая информатика (раздел прикладной математики) Практическая информатика (создание прикладных программ) относится к инженерным специальностям Прикладная информатика (разделы прикладной математики, физики, психологии, биологии и пр. ) разрабатывает математический аппарат исследования процессов хранения, обработки и передачи информации использует математический аппарат информатики, а также достижения и методы других наук для изучения процессов хранения, обработки и передачи информации Техническая информатика (раздел техники и технологии, инженерные задачи) решает вопросы реализации материальной базы (hardware) процессов хранения, обработки и передачи информации

ВОЗДЕЙСТВИЕ Передача энергии тепло работа Обмен веществом Передача информации

Информация Любое взаимодействие между объектами, в процессе которого один приобретает некоторую субстанцию, а другой ее не теряет называется информационным взаимодействием. При этом передаваемая субстанция называется информацией Информация — это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств. (Норберт Винер)

Свойства информации информация приносит сведения, об окружающем мире которых в рассматриваемой точке не было до ее получения; информация не материальна, но она проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналах; знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя способного распознать

Объективность информации. Объективный – существующий вне и независимо от человеческого сознания. Информация – это отражение внешнего объективного мира. Информация объективна, если она не зависит от методов ее фиксации, чьего-либо мнения, суждения. Достоверность информации. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной. Достоверная информация помогает принять нам правильное решение. Недостоверной информация может быть по следующим причинам: преднамеренное искажение (дезинформация) или непреднамеренное искажение субъективного свойства; искажение в результате воздействия помех и недостаточно точных средств ее фиксации.

Полнота информации. Информацию можно назвать полной, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Неполная информация может привести к ошибочному выводу или решению. Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п. Актуальность информации – важность для настоящего времени, злободневность, насущность. Только вовремя полученная информация может быть полезна. Полезность (ценность) информации. Полезность может быть оценена применительно к нуждам конкретных ее потребителей и оценивается по тем задачам, которые можно решить с ее помощью.

Классификация информации Информация – это некоторая упорядоченная последовательность сообщений, отражающих, передающих и увеличивающих наши знания. Информация актуализируется с помощью различной формы сообщений – определенного вида сигналов, символов. Информация по отношению к источнику или приемнику бывает трех типов: входная, выходная и внутренняя. Информация по отношению к конечному результату бывает исходная, промежуточная и результирующая.

Информация по ее изменчивости бывает постоянная, переменная и смешанная. Информация по стадии ее использования бывает первичная и вторичная. Информация по ее полноте бывает избыточная, достаточная и недостаточная. Информация по доступу к ней бывает открытая и закрытая. Есть и другие типы классификации информации. Пример. В философском аспекте информация делится на мировоззренческую, эстетическую, религиозную, научную, бытовую, техническую, экономическую, технологическую.

Сообщение - совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию Сигнал - изменяющийся во времени физический процесс, который отражает передаваемое сообщение

Виды сигналов Непрерывный или аналоговый Дискретные по уровню или квантованные Дискретизированный или дискретно непрерывные Дискретные по уровню и по времени

Передача информации Канал связи — это среда передачи информации, которая характеризуется в первую очередь максимально возможной для нее скоростью передачи данных (емкостью канала связи). Шум — это помехи в канале связи при передаче информации. Кодирование — преобразование дискретной информации одним из следующих способов: шифрование, сжатие, защита от шума

Пример каналов связи телеграф — 140 Гц, телефон — до 3. 1 КГц, короткие волны (10 -100 м) — 3 -30 МГц, УКВ (1 -10 м) — 30 -300 МГц, спутник (сантиметровые волны) — до 30 ГГц, оптический (инфракрасный диапазон) — 0. 15— 400 ТГц, оптический (видимый свет) — 400 -700 ТГц, оптический (ультрафиолетовый диапазон) — 0. 71. 75 ПГц. (пета)

Количество информации Математическое понятие информации связано с ее измерением. В теории информации принят энтропийный подход, который учитывает ценность информации, содержащейся в сообщении для его получателя, и исходит из следующей модели: Получатель сообщения имеет определенные представления о возможных наступлениях некоторых событий. Эти представления в общем случае недостоверны и выражаются вероятностями, с которыми он ожидает то или иное событие. Общая мера неопределенности (энтропия) характеризуется некоторой математической зависимостью от совокупности этих вероятностей. Количество информации в сообщении определяется тем, насколько уменьшается эта мера после получения сообщения. Например, тривиальное сообщение, т. е. сообщение о том, что получателю и без того известно, не изменяет ожидаемых вероятностей и не несет для него никакой информации. Количество информации это числовая характеристика сигнала, которая не зависит от его формы и содержания и характеризует степень неопределенности, которая исчезает после выбора (получения) сообщения в виде данного сигнала.

Измерение и представление информации Рассмотрим понятие информации на основе понятия "алфавит". Алфавит – конечное множество различных знаков, символов, для которых определена операция конкатенации (приписывания, присоединения символа к символу или цепочке символов); с ее помощью по определенным правилам соединения символов и слов можно получать слова (цепочки знаков) и словосочетания (цепочки слов) в этом алфавите (над этим алфавитом).

Вычисление количества информации Американский инженер Р. Хартли в 1928 году предложил в качестве меры неопределенности логарифм от числа возможностей: H = k × logа m Здесь H – количество информации, k - коэффициент пропорциональности, m – число возможных выборов, a – основание логарифма. Чаще всего принимают k = 1 и a = 2. В этом случае единицей количества информации будет выбор из двух возможностей. Такая единица носит наименование бита и представляется одним символом двоичного алфавита.

Техническое понятие количества информации Основано на подсчете числа символов в сообщении, т. е. связано с его длиной и не учитывает содержания. Длина сообщения зависит от числа различных символов, употребляемых для записи сообщения, т. е. от мощности алфавита. Например, одно и то же число "девятнадцать" в десятичном алфавите записывается двумя символами - 19, а в двоичном алфавите - пятью символами - 10111. В вычислительной технике применяются две стандартные единицы измерения: бит и байт. Бит - это один символ двоичного алфавита. Байт - это один символ, который можно представить восьмиразрядным двоичным кодом; мощность алфавита этого представления равна числу различных восьмиразрядных двоичных кодов, т. е. 28 = 256, и может включать, например, все символы клавиатуры компьютера.

Соотношения между единицами 1 бит (binary digit – двоичное число) = 0 или 1, 1 байт = 8 бит, 1 килобайт (1 Кб) = 213 бит, 1 мегабайт (1 Мб) = 223 бит = 1024 килобайт, 1 гигабайт (1 Гб) = 233 бит = 1024 мегабайт, 1 терабайт (1 Тб) = 243 бит = 1024 гигабайт , 1 петабайт (1 Пб) = 253 бит = 1024 терабайт, 1 эксабайт (1 Эб) = 263 бит = 1024 петабайт.

Буквой или знаком называется любой элемент x алфавита X, где x Є X. Понятие знака неразрывно связано с тем, что им обозначается ("со смыслом"), они вместе могут рассматриваться как пара элементов (x, y), где x – сам знак, а y – обозначаемое этим знаком. Примеры алфавитов: множество из десяти цифр, множество из знаков русского языка, точка и тире в азбуке Морзе и др. В алфавите цифр знак 5 связан с понятием "быть в количестве пяти элементов". Конечная последовательность букв алфавита называется словом в алфавите (или над алфавитом). Длиной |p| некоторого слова p над алфавитом Х называется число составляющих его букв.

Множество различных слов над алфавитом X обозначим через S(X) и назовем словарным запасом (словарем) алфавита (над алфавитом) X. В отличие от конечного алфавита, словарный запас может быть и бесконечным. Слова над некоторым заданным алфавитом и определяют так называемые сообщения. В алфавите должен быть определен порядок следования букв (порядок типа "предыдущий элемент – последующий элемент"), то есть любой алфавит имеет упорядоченный вид X = {x 1, x 2, …, xn}. Таким образом, алфавит должен позволять решать задачу лексикографического (алфавитного) упорядочивания, или задачу расположения слов над этим алфавитом, в соответствии с порядком, определенным в алфавите (то есть по символам алфавита).

10 2 8 16 0 0 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 десятичная (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9); 6 110 6 6 7 111 7 7 двоичная (0, 1); 8 1000 10 8 восьмеричная (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7); 9 1001 11 9 10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F 16 10000 20 10 Система счисления — это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр). Системы счисления: шестнадцатеричная (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F).

Двоичную система имеет ряд преимуществ перед другими системами: для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями, есть сигнал — нет сигнала; представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво; возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации; двоичная арифметика намного проще десятичной. Недостаток двоичной системы — быстрый рост числа разрядов, который компенсирован введением восьмеричной, а затем и шестнадцатеричной системой при отображении на компьютере.

При переводе целого десятичного числа в систему с основанием q его необходимо последовательно делить на q до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q– 1. Число в системе с основанием q записывается как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего. Пример: перевести число 75 из В десятичной системы двоичную в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную 7510 = 1 001 0112 7510 = 1138 7510 = 4 B 16 В восьмеричную В шестнадцатеричную

При переводе числа из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы в десятичную надо это число представить в виде суммы степеней основания его системы счисления. Разряды Число