Теоретические основы информатики

Г. В. Зыкова

В. В. Пергунов

А. С. Попов 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ИНФОРМАТИКИ

Учебное пособие

2-е издание, стереотипное

Москва

Издательство «ФЛИНТА»

2017

УДК 004 
ББК  32.81 
        З 96 

НАУЧНЫЙ РЕДАКТОР: 
д-р пед. наук, профессор, зав. кафедрой математики, информатики, 
теории и методики обучения математике и информатике  
ОГТИ (филиала) ОГУ Т.И. Уткина 

РЕЦЕНЗЕНТЫ: 
канд. экон. наук, доцент, зав. кафедрой прикладной информатики в экономике 
Орского филиала МФЮА Е.Е. Сурина; 

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры общих профессиональных дисциплин 
Орского филиала СамГУПС В.Б. Чурсин 

Зыкова Г.В. 
З 96 
    Теоретические основы информатики [Электронный ресурс] : учеб. 
пособие / Г.В. Зыкова, В.В. Пергунов, А.С. Попов. — 2-е изд., стер. — М. : 
ФЛИНТА, 2017. — 115 с. 

ISBN 978-5-9765-3416-2 

Учебное пособие может быть использовано при изучении дисциплины 
«Теоретические основы информатики» для бакалавров направления «Педагогическое образование», профиль «Информатика и ИКТ»; студентов среднего 
профессионального образования, обучающихся по специальности 09.02.03 
«Программирование в компьютерных системах»; а также в системе дополнительной профессиональной переподготовки учителей информатики и ИКТ.  

УДК 004 
ББК  32.81 

ISBN 978-5-9765-3416-2  
  © Зыкова Г.В., Пергунов В.В., Попов А.С., 2017 
     © Издательство «ФЛИНТА», 2017 

Содержание 

Предисловие…………………………………………………………
4

Раздел I. Информатика, еѐ аспекты и место в системе наук …
5

1.1 Информатика как наука ………………………………........
5

1.2 Социальные аспекты информатики ……………………….
10

1.3 Информационная безопасность ……………………………
17

1.4 Этические аспекты информатики ……………………........
31

1.5 Философские аспекты информатики ……………………..
32

Раздел II. Общие сведения об информации ……………………
36

2.1 Информация, еѐ свойства ………………………………….
36

2.2 Формы представления информации ………………………
42

2.3 Преобразование сообщений ……………………………….
45

Контрольные вопросы и задания …………………………………..
52

2.4 Энтропия как мера неопределенности ……………………
53

2.5 Понятие условной энтропии ………………………………
60

2.6 Информация и алфавит …………………………………….
65

Контрольные вопросы и задания …………………………………..
71

Раздел III. Кодирование информации в теории Шеннона …..
72

3.1 Математическая постановка задачи кодирования ………
73

3.2 Алфавитное неравномерное двоичное кодирование. Код 

Хаффмана ……………………………………………………………
78

3.3 Равномерное алфавитное двоичное кодирование. 

Байтовый код ………………………………………………………...
85

3.4 Кодирование с неравной длительностью элементарных 

сигналов. Код Морзе ………………………………………………..
88

3.5 Блочное двоичное кодирование …………………………...
90

3.6 Бинарные коды ……………………………………………..
92

Контрольные вопросы и задания …………………………………..
96

Раздел IV. Представление и обработка чисел в компьютере ...
98

4.1. Системы счисления ………………………………………..
98

4.2. Перевод чисел из одной системы счисления в другую …
104

4.3. Арифметические операции в системах счисления ………
106

Контрольные вопросы и задания …………………………………..
108

Библиографический список ………………………………………
110

Приложение. Краткие биографические сведения ………………..
111

Предисловие

Данное учебное пособие содержит теоретический материал по 

дисциплине «Теоретические основы информатики». Оно включает в 
себя четыре раздела. 

Первый раздел раскрывает место информатики в сложившейся 

системе наук, структуру современной информатики. Рассматривается 
влияние процесса информатизации на социальную сферу жизнедеятельности человека. Отражены этические аспекты пользования компьютерными технологиями и сетями. 

Второй раздел посвящен основным вопросам теории информа
ции. Раскрываются понятие информации и еѐ важнейшие свойства. 
Рассматриваются дискретная и аналоговая формы представления информации, проблемы преобразования сообщений из одной формы в 
другую. Значительное внимание уделено понятиям энтропии и 
условной энтропии, связи энтропии с информацией, информации и 
алфавита.

В третьем разделе представлены элементы теории кодирования. 

Рассматривается математическая постановка задачи кодирования информации.

В четвертом разделе описываются системы счисления, арифме
тические операции в системах счисления.

В приложении представлены краткие биографии ученых, работы 

которых положены в основу современной науки информатики и имена которых упоминаются в данном пособии.

Материалы пособия могут быть полностью или частично ис
пользованы при подготовке бакалавров Педагогического направления 
профиля «Информатика и ИКТ», студентов среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 09.02.03 «Программирование в компьютерных системах»; а также в системе дополнительного образования при реализации программ переподготовки и 
повышения квалификации учителей информатики.

РАЗДЕЛ I. ИНФОРМАТИКА, ЕЁ АСПЕКТЫ 

И МЕСТО В СИСТЕМЕ НАУК

1.1 Информатика как наука

Информатика - молодая научная дисциплина, изучающая вопро
сы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой 
деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной 
техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и 
возможным. До настоящего времени толкование термина «информатика» (в том смысле, как он используется в современной научной и 
методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.

Для обозначения совокупности научных направлений, тесно свя
занных с появлением компьютеров и их стремительным вхождением в 
жизнедеятельность человека, термин «информатика» относительно 
новый. Впервые он был официально определѐн в начале 80-х гг. XX
столетия в «Большой советской энциклопедии» как «…дисциплина, 
изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности еѐ создания, преобразования и использования в 
различных сферах человеческой деятельности» [1]. Подобное определение связывало информатику с библиотечным делом, методами поиска информации в массивах документов. Но то, что стало называться 
информатикой в начале 80-х гг. в нашей стране было совершенно 
иным. Ближе всего содержание этого понятия подходит к тому, что в 
США и большинстве других стран мира называется «Computer
Science», то есть «компьютерные науки». Это понятие концентрируется 

на различных аспектах, связанных с протеканием и использованием 
информационных процессов. В «Американской энциклопедии компьютерных наук» для термина «информатика» нет отдельной статьи, а есть 
ссылки на термины «компьютерные науки», «компьютерное обучение», 
«информационные науки». Содержание понятия «информационные 
науки» здесь полностью совпадает с толкованием термина «информатика» в «Большой советской энциклопедии».

До начала 80-х гг. совокупность научных направлений, называ
емых теперь «информатика», именовалась по-разному. Сначала объединяющим термином был термин «кибернетика», затем на роль общего названия той же области исследований стала претендовать 
«прикладная математика». Следы этой разноголосицы хорошо видны 
в наименованиях высших учебных заведений и научных институтов. 
Например, факультет в Московском государственном университете 
имени М. В. Ломоносова, ведущий подготовку специалистов в области информатики, носит название «Вычислительная математика и кибернетика», а институты, ведущие исследования в данной области,
называются «Институт прикладной информатики РАН», «Институт 
прикладной математики РАН» и т. д.

Как отмечал академик Андрей Павлович Ершов, в современных 

условиях термин «информатика» «…вводится в русский язык в новом 
и куда более широком значении - как название фундаментальной 
естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании «информатика» оказывается более 
непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу «традиционных» академических научных дисциплин…» [2].

Попытка определить, что же такое современная информатика, 

была сделана в 1978 г. на Международном конгрессе по информатике. Там отмечалось, что понятие информатики охватывает области, 
связанные с разработкой, созданием, использованием и материальнотехническим обслуживанием систем обработки информации, включая 

машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия.

Информатика как наука имеет научное ядро и широчайшие при
ложения, охватывающие почти все виды человеческой деятельности: 
производство, управление, науку, образование, проектные разработки, торговлю, финансовую сферу, медицину, криминалистику и др.

Предметом изучения информатики как науки является изучение 

общих закономерностей, свойственных информационным процессам.

Оставляя в стороне прикладные информационные технологии, 

выделяют основные составные части «ядра» современной информатики. Каждая из этих частей может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между 
ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике - все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки.

Теоретическая информатика - часть информатики, включаю
щая ряд математических разделов. Она опирается на математическую 
логику и включает такие разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных 
языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел 
информатики использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации. 

Вычислительная техника - раздел, в котором разрабатываются 

общие принципы построения вычислительных систем. Здесь речь 
идет не о технических деталях и электронных схемах (это лежит за 
пределами информатики как таковой), а о принципиальных решениях 
на уровне, так называемой, архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные 
возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решениями в этой области неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная 

архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной 
(многопроцессорной) обработки информации.

Программирование - деятельность, связанная с разработкой си
стем программного обеспечения. Основными разделами современного программирования являются: создание системного программного 
обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. 
Среди системного - разработка новых языков программирования и 
компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (например,
общеизвестная операционная оболочка и система Windows). Среди 
прикладного программного обеспечения общего назначения самые 
популярные - системы обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. В каждой 
области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы - раздел информатики, связанный с 

решением вопросов по анализу потоков информации в различных 
сложных системах, их оптимизации, структурированию, принципах 
хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские современные 
глобальные системы хранения и поиска информации (включая 
Internet) привлекают внимание всѐ большего круга пользователей. Без 
теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая 
поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 09. 

Искусственный интеллект - область информатики, в которой 

решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с 
психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как 
научить компьютер мыслить подобно человеку? Поскольку мы дале

ко не все знаем о том, как мыслит человек, исследования по искусственному интеллекту, несмотря на полувековую историю, все еще не 
привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные 
направления разработок, относящихся к этой области, - моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, 
создание экспертных систем, синтез и анализ сообщений на естественных языках, распознавание образов и другие. От успехов работ 
в области искусственного интеллекта зависит, в частности, решение 
такой важнейшей прикладной проблемы, как создание интеллектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на общение между людьми и станет более эффективным.

Рассмотрим место науки информатики в традиционно сложив
шейся системе наук (технических, естественных, гуманитарных и 
т. д.). В частности, это позволило бы найти место общеобразовательного курса информатики в ряду других учебных предметов. По определению А. П. Ершова, информатика - фундаментальная естественная 
наука. Академик Борис Николаевич Наумов определял информатику 
как естественную науку, изучающую общие свойства информации, 
процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача). Уточним, что же такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фундаментальным 
принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах 
деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь 
разных наук, как математика и философия. В этом же ряду и информатика, так как понятия «информация», «процессы обработки информации», несомненно, имеют общенаучную значимость. 

Естественные науки - физика, химия, биология и другие - имеют 

дело с объективными сущностями мира, существующими независимо 
от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает един

ство законов обработки информации в системах самой разной природы - искусственных, биологических, общественных.

Однако многие ученые подчеркивают, что информатика имеет 

характерные черты и других групп наук - технических и гуманитарных (или общественных).

Черты технической науки придают информатике ее аспекты, 

связанные с созданием и функционированием машинных систем обработки информации. Так, академик Анатолий Алексеевич Дородницын определяет состав информатики как три неразрывно и существенно связанные части: технические средства, программные и алгоритмические.

Первоначальное наименование школьного предмета «Основы 

информатики и вычислительной техники» в настоящее время изменено на «Информатика» (включающее в себя разделы, связанные с изучением технических, программных и алгоритмических средств).

Науке информатике присущи и некоторые черты гуманитарной 

(общественной) науки, что обусловлено ее вкладом в развитие и совершенствование социальной сферы. Таким образом, информатика 
является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания.

1.2 Социальные аспекты информатики

Термин «социальные аспекты» применительно к большей части 

наук, тем более фундаментальных, звучит странно. Вряд ли фраза 
«Социальные аспекты математики» имеет смысл. Однако информатика - не только наука. Вспомним цитированное выше определение: 
«...комплекс промышленного, коммерческого, административного и 
социального воздействия».

Действительно, немногие факторы так влияют на социальную 

сферу общества (конечно, находящегося в состоянии относительно 
спокойного развития, без войн и катаклизмов) как информатизация. 

Информатизация общества - процесс проникновения информационных технологий во все сферы жизни и деятельности общества. Многие социологи и политологи полагают, что мир стоит на пороге информационного общества. Валерий Александрович Извозчиков под 
«информационным» («компьютеризированным») обществом понимал 
такое общество, во все сферы жизни и деятельности членов которого 
включены компьютер, телематика, другие средства информатики в 
качестве орудий интеллектуального труда, открывающих широкий 
доступ к сокровищам библиотек, позволяющих с огромной скоростью проводить вычисления и перерабатывать любую информацию, 
моделировать реальные и прогнозируемые события, процессы, явления, управлять производством, автоматизировать обучение и т. д. Под 
«телематикой» он понимает службы обработки информации на расстоянии (кроме традиционных телефона и телеграфа).

Уже более полувека информатизация является спутницей пере
тока людей из сферы прямого материального производства в так 
называемую информационную сферу. Промышленные рабочие и крестьяне, составлявшие в середине XX века более 2/3 населения, сегодня в развитых странах составляют менее 1/3. Все больше тех, кого 
называют «белые воротнички», - людей, не создающих материальные 
ценности непосредственно, а занятых обработкой информации (в самом широком смысле): это и учителя, и банковские служащие, и программисты, и многие другие категории работников. Появились и новые пограничные специальности. Можно ли назвать рабочим программиста, разрабатывающего программы для станков с числовым 
программным управлением? По ряду параметров можно, однако его 
труд не физический, а интеллектуальный.

Информатизация сильнейшим образом влияет на структуру эко
номики ведущих в экономическом отношении стран. В числе их лидирующих отраслей промышленности, добывающие и обрабатывающие отрасли оттеснены максимально наукоемкими производствами 
электроники, средств связи и вычислительной техники - так называе