Информатика. Курс лекций


О. С. Логунова












        ИНФОРМАТИКА. КУРС ЛЕКЦИЙ




З-е издание, исправленное и дополненное




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 004
ББК32.81
    Л69


Рецензент:
кандидат педагогических наук, доцент кафедры физики и математики института механизации и технического сервиса
       Казанского государственного аграрного университета
Королева Валентина Валерьевна








       Логунова, О. С.
Л69 Информатика. Курс лекций / О. С. Логунова. - 3-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -164 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0831-8

      Рассмотрены свойства информации и их классификация, методы и модели оценки количества информации, структура информации и компьютерная семантика. Приведены средства обработки и преобразования информации, даны основные понятия сферы информатизации. Представлены вопросы для самоконтроля, задания для индивидуального выполнения, а также примеры тестовых заданий.
      Для студентов среднего профессионального образования, обучающихся по специальности «Информатика и вычислительная техника» при изучении базового курса «Информатика».



                                             УДК 004
                                             ББК32.81




ISBN 978-5-9729-0831-8

   © Логунова О. С., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Предисловие


      Уважаемые читатели!
      Вашему вниманию предлагается один из вариантов изложения теоретического курса информатики. Опыт преподавания этого курса в течение 20 лет в техническом университете позволил увидеть трансформации, происходящие в понимания и трактовке основных понятий и направлений учитывая, что информационные основы заложены в понимание мира, явлений, процессов, систем и всего того что окружает современного человека, становиться необходимым дать ответы на вопросы, связанные с природой существования и обработки информации.
      В перечне современных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации включены информационно-телекоммуникационные системы, построение которых основано на использовании понятий «информации» и «информационные процессы».
      Автор учебника отошел от одного из распространенного способа построения способа построения курса, в котором переплетаются теоретические основы информатики и практикум по информационным технологиям. Построение таких курсов, как правило, частично дублируют учебный материал школьных учебников.
      Структура учебника ориентирована на его использование для студентов, которые обучаются по укрупненной группе специальностей 09.00.00 - Информатика и вычислительная техника. Фактические учебные планы для направлений этой группы содержат дисциплины, которые в полном объеме охватываются информатикой. По этой причине, предлагаемый учебник, построен таким образом, чтобы с одной стороны не дублировался материал школьного учебника, и с другой стороны предвосхищались темы будущих дисциплин учебного плана.
      В результате освоения дисциплины (модуля) «Информатика» обучающийся должен обладать компетенциями согласно профессиональному стандарту 06 «Связь, информационные и коммуникационные технологии (в сфере проектирования, разработки, внедрения и эксплуатации средств вычислительной техники и информационных систем, управления их жизненным циклом)», достигая порогового, среднего и высокого уровней.
      Подготовка, представляемого учебника, направлена на расширение возможностей самостоятельной работы студентов среднего профессионального образования по дисциплине «Информатика».

3

В пособии изложено три основополагающие части, охватывающие теоретические основы обработки, средства обработки информации и основные положения информатизации современного общества.
      При подготовке учебника автор использовал материал, который подтвердил свою актуальность в выбранных разделах. По тексту проставлены ссылки сноски с указанием использованного материала. Этот материал дополнен иллюстрациями, примерами, математическими и текстовыми комментариями автора.
      В ходе изучения материала автор предлагает ответить на контрольные вопросы и обратить внимание на задания для размышления, которые должны быть основаны не только на прочтенном материале, но и на личном опыте читателя в информационной сфере.
      Использование материалов приведенных в учебнике предполагает их дополнение примерами и задачами.
      По тексту пособия авторами используемы обозначения: © -определение; Ж - задание для размышления; ЭД - аксиома.

Желаем успехов в работе!

4

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ


1.1. Информация и информатика

      Развитие понятия «Информация» происходило одновременно с развитием человечества и прошло несколько революционных скачков, связанных с развитием научной мысли. Среди таких информационных революций следует отметить: изобретение письменности и книгопечатания, открытие электричества, изобретение микропроцессоров и появление персональных компьютеров. И конечно же последнее революционное формирование трансграничных глобальных информационно-телекоммуникационных сетей, которое позволило построить единое информационное пространство по всему миру на основе программно-технических средств, средств связи и телекоммуникаций, информационных запасов или запасов знаний как единой информационной телекоммуникационной инфраструктуры, в которой активно действуют юридические и физические лица, органы государственной власти и местного самоуправления.
      В рамках развития функционирования такого интегрированного пространства возникают вопросы, требующие ответов на высоком теоретическом уровне. Среди этих вопросов можно указать:
    1) есть ли необходимость в построении унифицированного определения понятия «Информация»;
    2) какова роль информации в научной и практической деятельности;
    3) сколько существует определений для понятия «информация»;
    4) какими причинами обусловлено наличие множество определений понятия «Информация»?

      В настоящее время в каждом учебнике и учебном пособии по информатике и информационным технологиям, справочнике или энциклопедии приводится понятие информации, усиливающее или ослабляющее различные стороны применения этого понятия. В работе [1] приводится подобие классификации подходов к определению понятия «Информация». Этот подход классификации рассматривает определение с точки зрения гуманитарных науки, составления порядка, философской дефиниции, алгоритма или инструкции, а также динамической системы. Однако сложилось несколько устойчивых определений для понятия «информация».
      Приведем для сравнения несколько таких определений.


5

         ©1: Информация (лат. Information — разъяснение, изложение, осведомленность) — одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний и.т.п. (Энциклопедия кибернетики).

I — D и K, где  I - множество определяющее информацию;
      D — {D₁, D₂,...,Dₙ } - множество данных;
      K — {K1,K2,.,Km } - множество знаний, n, m G Z .


      Схема определения приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема определения понятия информации

      Среди внутренних свойств информации важнейшими являются объем (количество) информации и ее внутренняя организация, структура. По способу ее внутренней организации информацию делят на две группы:
         ©2: Данные — простой, логически неупорядоченный набор сведений.
         ©3: Знания — логически упорядоченные, организованные наборы данных.
      Упорядоченность данных достигается наложением на данные некоторой структуры (отсюда часто используемый термин - структура данных)¹. Знания в отличие от данных представляют собой информацию не о каком-то единичном и конкретном факте, а о том, как устроены все факты определенного типа. Таким образом, каждый элемент множества знаний можно представить в виде множества
                   Ki —{(Dff, ( Sjₖ ))} ,i, j, k g Z, где i - номер элемента в составе множества знаний;
      Djj - элемент данных с номером/, входящего в знание Ki;


¹ Структура (от лат. Structure — строение, расположние, порядок), совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. о. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

6

       (Sijₖ j - кортеж взаимосвязей для знания Ki между данными с номерами j' и к.
       В табл. 1.1 приведен один из примеров построения множества данных и знаний.
Таблица 1.1

Примеры построения множества данных и знаний

№  Название              Состав множества            
   множества                                         
1 Данные      D = {«Дождь», «Город»} ^ D1 = «Дождь» и
                           D2 = «Город»              
2 Взаимосвязи            S12 = {«Идет в»}            
3 Знания       K = {D, S12} = «Дождь идет в городе»  

       С точки зрения взаимодействия человека и окружающего его мира информация может быть определена по ©4.
          ©4: Информация - это сведения об окружающем нас мире, которые уменьшают уровень неопределенности человека (Советский энциклопедический словарь).

       Определение ©4 структурируется по схеме, приведенной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема определения ©4

       На рис. 1.2 введены обозначения: C₁, ..., Сп - множество сведений поступающих от окружающего мира к человеку; Hо, H₁ - уровень неопределенности человека, изменяющийся по мере поступления сведений от внешнего мира, причем Hо > H₁.
       Окружающий мир включает все материальные и нематериальные объекты и потоки. В число этих объектов может входить: люди, технические объекты, животные, природа, общества и т. п. Эти объекты оказывают воздействие на человека путем передачи сведений о состоянии объектов окружающего мира: цвет, форма, движение, запах и т. д. Получая сведения о состоянии объекта увеличивается объем данных и знаний человека, в следствии чего уменьшается уровень его неопределенности для значения H₁.

7

      Формально определение ©4 можно записать в виде:
            , ГЛ,К}„
        ©4:1:{0}^Н, причем при увеличении {С}, значение H уменьшается, где I — информация, представляющее собой отображение множества объектов {O} в уровень неопределенности человека посредством передачи множества сведений {C}.

      Более общим является определение ©5, устраняющее ограничение вид объекта, являющимся получателем информации.
         ©5: Информация — это обозначение содержания, полученного от внешнего мира в процессе приспособления к нему (Норберт Винер).

      Получателем информации может быть любой объект живой или неживой природы, включая как частный случай человека.
      Определение ©5 структурируется по схеме, приведенной на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема определения ©5

      Формально определение ©5 можно записать в виде:
            ,          Ю
         ©5: I: {0(Н₀)} — {0(Нг)}, причем значение H1 < H0, где I — информация, представляющая собой отображение множества объектов {O} в уровень неопределенности получателя информации посредством передачи множества сведений {C}.

      Наиболее общим принято считать определение информации введенное Клодом Шенноном в период 1948-1949 годы. В 1937 году Шенноном написана диссертация под названием «Символический анализ релейных и переключательных цепей». Это была необычная диссертация. Она расценивалась как одна из наиболее значимых во всей науке

8

того времени: то, что сделал Шеннон, проложило путь к разработке цифровых компьютеров. Определение ©6 получило название классического или шенноновского определения информации.
         ©6: Информация — это коммуникация и связь, в процессе || которой устраняется неопределенность (Клод Шеннон).

      Определение ©6 структурируется по схеме, приведенной на рис. 1.4.


Рис. 1.4. Схема определения ©6

      Формально определение ©6 можно записать в виде: {с}                 ,
         ©6: I: {О(Но)} — {О'(Н₁)], причем значение H1<H₀, где I — информация, представляющая собой отображение множества объектов {О(Но)} на множество объектов {О'(НУ} посредством передачи множества сведений {C}.

      Если рассматривать определение ©6 с точки зрения, включенных источников и получателей информации, то окажется, что:
    1) количество и природа источников и получателей не определена, и следовательно, они могут быть любой природы и структуры;
    2) коммуникация и связь подразумевают взаимный обмен сведения (данными и знаниями) между объектами.
      Учитывая приведенные особенности определение ©6 можно считать наиболее общими полным, охватывающего все случаи вышеописанных определений.
      Одним из основных факторов влияния научно-технического прогресса на все сферы деятельности человека является широкое использование новых информационных технологий. Новые информационные технологии способствовали появлению научного и прикладного направления, использующего в качестве основного объекта информацию. Это

9

направление получило название «Информатика»». С современной точки зрения информатику можно рассматривать и как науку, и как прикладную дисциплину, и как отрасль народного хозяйства.
      Прежде чем говорит об информатике как о науке, желательно напомнить, что такое наука.
         ©7: Наука — есть сфера общественного сознания, функция которой — выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности.
      Непосредственные цели науки - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений деятельности, составляющих предмет ее изучения на основе открываемых ею законов. Что же является предметом информатики как науки?
         ©8: Информатика — это фундаментальная естественная наука, изучающая структуру и общие свойства информации, а также вопросы, связанные с процессами сбора, хранения, поиска, передачи, переработки, преобразования и использования информации в различных сферах человеческой деятельности.
      Информатика может быть отнесена к классу естественных наук, поскольку законы обработки информации в общественных, биологических и инженерных системах едины.
      Информатика может быть отнесена к классу фундаментальных наук, поскольку понятие информации и процессы ее переработки носят общенаучный характер. Информационные модели используются в различных областях науки [2, 3].
      Информатика исторически сложилась и развивалась как естественная прикладная дисциплина, в состав которой входила разработка:
    - методов и правил рационального проектирования устройств и систем обработки информации;
    - технологии использования этих устройств и систем для решения научных и практических задач;
    - методов взаимодействия человека с этими устройствами и системами.
      Рассматривая информатику как отрасль народного хозяйства, можно выделить в ней три относительно автономные составные части:
    - производство технических средств обработки и передачи информации;
    - обработку информации;
    - производство и реализацию программных средств и систем.

10