Структура современной информатики.

Предмет и задачи информатики.

Информатика — техническая наука, изучающая все аспекты получения, преобразования, передачи, использования информации, а также средства, необходимые для осуществления информационных процессов.

Используемые информатикой приемы и методы делают ее близкой к технологии, поэтому часто предмет информатики называют информационной технологией. Основной объект исследований - это информация. Основная цель исследований – систематизация приемов и методов управления средствами вычислительной техники.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

• Аппаратное обеспечение средств вычислительной техники(СВТ)
• Программное обеспечение СВТ
• Средства взаимодействия между аппаратным и программным обеспечением
• Средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением

В составе основной задачи выделяют следующие практические направления:

• Архитектура вычислительных систематизаций (приемы и методы построения СВТ)
• Приемы и методы управления СВТ
• Программирование
• Преобразование данных
• Защита информации
• Автоматизация (функционирование без участия человека)
• Стандартизация (обеспечение совместимости м/у аппаратными и программными средствами, а так же м/у различными форматами данных)

Истоки и предпосылки информатики.

Информатика как самостоятельная наука появилась в середине XX века после создания ЭВМ (компьютеров). С проблемой обработки данных люди сталкивались задолго до появления компьютеров. Создавались всевозможные приспособления для облегчения вычислений. Сначала механические, затем электрические и наконец, наиболее современными оказались электронные вычислительные машины (первая ЭВМ — 1945, США).

Слово «информатика» происходит из французского языка как сочетание слов «информация» и «автоматика».

В качестве источников информатики — 2 науки:

• Документалистика
• Кибернетика

Документалистика появилась в конце XIX века. Ее предметом является изучение средств и методов повышения эффективности документооборота. Для этого были созданы информационно-поисковые системы различной сложности. Простейший пример — библиотечные каталоги.

Кибернетика — середина XX века(40-е годы). Ее предметом является изучение принципов построения и функционирования систем автоматического управления.

Кибернетика для целей управления использовала в основном числовые данные и, тем самым, способствовала созданию и развитию как технических средств для обработки числовых данных, так и соответствующих математических методов.

В свою очередь документалистика использовала в основном текстовую (символьную) информацию. Появившийся компьютер в одной системе объединил обработку как числовой, так и символьной информации. Это способствовало возникновению новой науки — информатики.

Структура современной информатики.

Современная информатика — объемная дисциплина, включающая в себя большое число отдельных самостоятельных дисциплин. Необходимо классифицировать основные научные направления информатики, опираясь на единство решаемых в них задач и подходов к информации.

Таких направлений шесть:

1. Теоретическая информатика
2. Кибернетика
3. Программирование
4. Искусственный интеллект
5. Информационные системы
6. Вычислительная техника

1. Теоретическая информатика — наиболее важное направление информатики. Оно создает теоретический фундамент для всего остального . Теоретическая информатика использует математические методы для построения и изучения моделей обработки и использования информации. Включает в себя несколько отдельных дисциплин. Их следует классифицировать по общности решаемых задач.

 a) Дисциплины, опирающиеся на математическую логику (теория алгоритмов, теория автоматов).

 b) Использование компьютера для решения практических задач требует специальных математических методов (численные методы). Созданием таких методов занимаются вычислительная математика и вычислительная геометрия.

 c) К этому классу относятся дисциплины, изучающие информацию как абстрактный объект исследования и законы, по которым протекают информационные процессы (теория кодирования — форма представления информации; теория передачи данных — теоретические основы передачи информации по каналам связи).

 d) К этому классу относятся дисциплины, использующие информацию для принятия решений в различных ситуациях (теория принятия решений изучает общие схемы выбора нужного решения из множества альтернативных возможностей; теория игр — схемы выбора решения в условиях противоборства; математическое программирование — методы выбора наилучшего решения для достижения поставленной цели).

 e) Для обработки информации в компьютере вместо реальных объектов используют их математические модели. Переход от объекта к модели — формализация. Этими вопросами занимаются: системный анализ — приемы и методы формализации; имитационное моделирование — методы воспроизведения в компьютере, т.е. на математической модели, тех процессов, которые протекают на реальном объекте. Теория массового обслуживания изучает особый класс моделей — систем массового обслуживания.

2. Кибернетика — наука об управлении. Основатель этой науки - Джон Неймон – американский математик. Основная задача — создание моделей для управления различными объектами. В 40е годы прошлого(XX) века была выдвинута идея о существовании единой теории управления для живых, неживых и искусственных систем. Идея не осуществилась, но накопленные сведения о различных системах управления и выработанные общие принципы принесли большую пользу. Появились математические модели и методы даже в тех науках, которые до этого не знали точных расчетов. Например: математическая лингвистика, химическая кибернетика, юридическая кибернетика. Наиболее сильно развивается техническая кибернетика, в состав которой входят:

• Теория автоматического управления. Приемы и методы управления с помощью СВТ и явлений теоретических основ информатики.
• Техническая диагностика — методы контроля за работой технических систем и поиска повреждений в них.

Сравнительно недавно появилась дисциплина «распознавание образов». Изучает методы автоматической классификации различных объектов.

В целом кибернетика — прикладная информатика в области создания и использования автоматических и автоматизированных систем управления различной степени сложности.

3. Программирование — научное направление, своим появлением полностью обязано компьютерам, поскольку именно для них пишутся компьютерные программы. Сейчас существует теоретическое программирование, позволяющее быстро создавать сложные эффективные программы.

Можно выделить следующие практические направления:

• Создание языков программирования, облегчающих взаимодействие человека с вычислительной машиной.
• Системное программирование — занимается созданием операционных систем, без которых не может функционировать компьютер.
• Прикладное программирование. Создание пакетов прикладных программ, позволяющих применять компьютер в различных сферах человеческой деятельности.
• Создание языков обмена данными между компьютерами. Такие языки называются протоколы связи.
• Создание языков запросов для информационных банков данных.

4. Искусственный интеллект — самое молодое направление в информатике (где-то с начала 70х гг. 20 века). Тем не менее, именно искусственный интеллект сегодня определяет стратегическое направление развития всей информатики. Основная цель исследований — стремление проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению знаниями, навыками и умениями. Для этого необходимо раскрыть механизмы, с помощью которых человек способен научить практически любому виду деятельности. Такая цель исследований делает искусственный интеллект близким к психологии — науке, изучающей интеллект человека. На стыке психологии и искусственного интеллекта развиваются следующие дисциплины:

• Когнитивная психология (психология познания).
• Психология восприятия информации.
• Моделирование рассуждений.
• Психолингвистика.

Тем не менее, искусственный интеллект — не чисто теоретическое направление исследований, ведутся работы по созданию действующих интеллектуальных систем. Этим занимаются две дисциплины: робототехника, экспертные системы (в компьютер закладывается человеческий опыт).

5. Информационные системы — начало этому направлению было положено исследованиями в области документалистики и анализа научно-технической информации. Сегодня здесь решаются следующие задачи:

• Анализ и прогнозирование потоков информации, циркулирующих в обществе с целью их стандартизации, минимизации и приспособления для обработки на компьютерах
• Создание способов и форм представления информации, а так же приемов сжатия и кодирования данных с целью создания банков данных большого объема
• Разработка процедур и технологических средств для извлечения информации из документов, изначально не предназначаемых для компьютера(не электронные)
• Создание информационно поисковых систем, способных воспринимать запросы, сделанные как на естественном человеческом языке, так и на спец языках запросов.

· Создание сетей для хранения, передачи и поиска информации. Такие сети включают банки данных, обрабатывающие центры и каналы связи. Пример: Интернет.

6. Вычислительная техника — во многом самостоятельное направление исследований и некоторые решаемые вопросы не имеют прямого отношения к информатике, например — создание элементной базы для СВТ(микроэлектроника). Основная задача специалистов в области вычислительной техники — создание и совершенствование аппаратных средств вычислительной техники и в первую очередь — компьютеров. Для создания современного компьютера нужны знания в области архитектуры вычислительных систем, принципов их функционирования, нужно знать, какое программное обеспечение будет установлено на компьютере. Таким образом — в создании компьютера принимают участие специалисты по теоретической информатике, кибернетике, программированию, искусственному интеллекту. Современный компьютер создается с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР).

Понятие информации.

Информация — содержание сообщения, сигнала или памяти, а также сведения, содержащиеся в сообщении, сигнале или памяти. Сообщения, сигналы и память содержат данные о событиях, произошедших в материальном мире. Извлечь информацию из данных можно с помощью подходящих для этого методов обработки. Информация — продукт взаимодействия данных и адекватных им методов, причем данные, всегда объективны, а методы — субъективны, поскольку создаются людьми. Информация всегда связана с материальным носителем. В качестве носителя могут выступать различные предметы. При передаче информации между потребителями в качестве носителя выступают сигналы. Сигнал — физический процесс, несущий информацию. Он может иметь различную физическую природу — механическую, световую, тепловую, электрическую, акустическую... Среди физических параметров сигнала выбирают один или несколько, значения которых будут нести информацию. Эти параметры называют информационными параметрами сигнала. Таковыми могут быть, например, амплитуда, длительность, частота, цвет, яркость и т.п. Если значения информационных параметров образуют дискретное множество, то сигнал называют дискретным или цифровым. А если это множество значений непрерывно, то сигнал называют аналоговым. Например, сигналы, несущие текстовую или символическую информацию — дискретные сигналы, а сигналы, несущие информацию об изменении физических характеристик — аналоговые. Соответственно, технические устройства, обрабатывающие эти два вида сигналов делят на цифровую и аналоговую технику. Например, вся аппаратура вычислительной техники — цифровая техника, а, скажем, измерительные приборы и датчики — аналоговая техника. При передаче по каналам связи и в процессе обработки на сигналы могут накладываться посторонние физические процессы, которые могут искажать информационные параметры. Такие посторонние процессы называют помехами или шумами. Очевидно, что с помехами нужно бороться. Для этого используют инженерные методы (увеличивают мощность полезного сигнала по отношению к помехе или устраняют причины возникновения помех), информационные методы (кодирование сигналов) специальным помехозащищающим кодом. В ходе информационного процесса сигналы могут менять свою физическую природу без потери информации. В качестве примера — телефонная связь (акустический сигнал — в электронный — опять в акустический). Также в ходе передачи и обработки может изменяться информационный характер сигналов. Аналоговый сигнал может быть преобразован в дискретный (квантование) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). И наоборот, цифровой сигнал преобразуется в аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Передача информации сопровождается затратами энергии. Количество затраченной энергии зависит от способа передачи, но последствия передачи информации, в том числе материальные, совершенно не зависят от физических затрат на передачу. Это говорит о том, что информационные процессы не сводимы к физическим, а информация, вместе с энергией и материей является одной из фундаментальных сущностей окружающего нас мира.