Лекция по информатике1-2

Кафедра

информатики

УГАТУ

Низамова Гузель Фанисовна –

к.т.н., доцент кафедры информатики.

E-mail: Nizamova_guzel@mail.ru

Преподавательская – корпус 1, к. 105

1

УГАТУ

•Лекции – 30 часов

•Практические занятия – 6 часов

•Лабораторные занятия – 48 часов Лабораторные занятия проводятся по подгруппам.

Перед выполнением лабораторной работы (наслед лабораторном занятии) студенты предоставляют отчет по лабораторной работеи защищают отчет. После этого лабораторная работа считается полностью выполненной и защищенной.

•Самостоятельная работастудентов (СРС) – 87 часов

•Виды контроля – промежуточный контроль, экзамен, зачет, курсовая работа.

3

Кафедра

информатики

УГАТУ

Дисциплина «Информатика» относится к циклу общих математических и естественнонаучных дисциплин и совместно с ними составляет основу подготовки инженеров, без которой невозможна успешная деятельность специалистов любого профиля.

2

УГАТУ

Назначениемсамостоятельной работы студентов является закрепление знаний, умений и навыков, полученныхими в ходе лекционных, лабораторныхи практическихзанятий.

Кромеэтого, СРС предусматривает самостоятельное изучение отдельныхразделов и тем дисциплины.

Виды СРС:

•изучение теоретического материала;

•подготовка к практическим занятиям, выполнение домашнихзаданий;

•подготовка к лабораторным работам, выполнение отчетов к лабораторнымработам, подготовка к защите

•изучение программного обеспечения.

4

Задачи накопления (хранения), обработки и передачи информации стояли перед человечеством навсех этапахего развития.

Каждомуэтапусоответствовал определенный уровень развития средств информационного труда, прогресс развития которыхвсякий раз придавал человеческомуобществуновое качество.

5

УГАТУ

•Бурное развитие науки и промышленности в 20 в., рост объемов поступающей информации поставили перед человеком новую задачу: автоматизировать обработкуинформации.

•В 1945-46 г.г. Экерт и Моучли построили первую цифровую вычислительную машину «Эниак», Дж. Фон Нейман описал принципы работы автоматическихвычислительныхустройств, ав 1948 г. Шеннон изложил математические принципы кодирования и передачи информации в работе «Математическая теория связи».

•Эти идеи и составили основунового научного направления – Информатика.

7

УГАТУ

•Вначалеосновными инструментами для передачи и обработки информации были мозг, язык и слух человека.

•Первое кардинальное изменение – изобретение письменности ( 3 тыс. лет до нэ), следующее – книгопечатание (15 в.). Эти два этапа создали принципиально новую технологию накопления (хранения) и распространения (передачи) информации.

•Изобретениеэлектричества (19 в.) позволило оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме (телеграф, телефон, радио). Однако функция переработки информации покаоставалась за человеком.

6

УГАТУ

•Термин «Информатика» появился в 60-хг., как перевод французского термина ( Informatique), который образован путем слияния французскихслов информация (Informacion) и автоматика (Automatique)

и означает «Информационная автоматика» или «Автоматизированная переработка информации».

•Кроме Франции этот термин используется в ряде стран Восточной Европы.

•В странахЗападной Европы и США используется термин – Computer Science (Компьютерная наука).

8

УГАТУ

•Т.о. можно сказать, что Информатика – это техническая наука, изучающая структуру и общие свойства информации, закономерности и методы ее создания, хранения, защиты, поиска, преобразования, обработки и передачи средствами вычислительной техники, применения в различных сферахчеловеческой деятельности, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

9

УГАТУ

•В 1978 г. Международный научный конгресс официально закрепил за понятием «Информатика» области, связанныес разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживаниемсистем обработки информации, включая компьютеры и программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административныеи социально-политические аспекты компьютеризации – массового внедрения компьютерной техники во все области жизни человека.

11

УГАТУ

•Исследование информационныхпроцессов любой природы;

•Разработка информационной техники и создание новейшихтехнологий переработки информации на базе полученныхрезультатов исследования информационныхпроцессов;

•Развитие научныхи инженерныхпроблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всехсферахобщественной жизни.

10

УГАТУ

Ядро современной же информатики образуют три составные части, каждая из которыхможет рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина:

•Теоретическая информатика;

•Средства информатизации;

•Информационные системы и технологии.

12

УГАТУ

Раздел «Теоретическая информатика» занимается изучением структуры и общихсвойств информации и информационныхпроцессов, разработкой принципов построения информационной техники и технологий.

Основные разделы «Теоретической информатики»:

•Теория алгоритмов и автоматов;

•Теория информации;

•Теория кодирования;

•Математическая логика;

•Теория формальныхязыков и грамматик;

•Исследование операций.

13

УГАТУ

Технические средства:

•Средства обработки информации;

•Средства передачи информации;

•Средства хранения информации;

•Средства представления информации.

Программные:

•Системное программное обеспечение;

•Инструментарий технологии программирования;

•Пакеты прикладныхпрограмм.

15

УГАТУ

Раздел «Средства информатизации» (техническиеи программные) занимается:

•Изучением общихпринципов построения вычислительных устройств и систем обработки, передачи, хранения и представления информации;

•Разработкой систем программного обеспечения (системного, пакетов прикладныхпрограмм).

14

Раздел «Информационные системы и технологии» занимается:

•Решением вопросов по анализупотоков информации, их оптимизации, структурировании в различныхсложныхсистемах;

•Разработкой принципов реализации в данных системахинформационныхпроцессов.

Основные разделы:

•Ввод/вывод, сбор, хранение, передача и обработка данных;

•Подготовка текстовыхи графическихдокументов;

•Защита информации;

•Программирование, проектирование, моделирование, обучение, диагностика, управление объектами, процессами, системами.

16

УГАТУ

•Понятие информации является одним из фундаментальныхв современной науке вообщеи базовым для информатики.

•Информация нарядус веществом и энергией является важнейшей сущностью мира, в котором мы живем.

•В широком смысле Информация – это отражение реального мира; в узком смысле, Информация – это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

17

УГАТУ

•Естественные методы – это методы, основанные на органахчувств человека, а также его логическое мышление, воображение, сравнение, сопоставление, анализ, прогнозирование.

•Аппаратные методы – это всегда устройства (приборы), преобразующиеданныеиз формы, недоступной для естественныхметодов человека, в форму, доступную для них.

•Программные методы – это обработка данныхс помощью компьютера.

•Таким образом, Информация – это продукт взаимодействия данныхи адекватныхим методов.

19

УГАТУ

•Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символическихобозначений (букв, цифр, закодированныхграфическихобразов и звуков и т.п.), несущихсмысловую нагрузкуи представленную в понятном компьютерувиде.

•При этом следует отличать понятия информация и данные. Данные являются формой представления информации. Однако не всегдаданные несут в себе информацию. Для того, чтобы данныестали информацией, требуется, как правило, множество взаимосвязанныхметодов, с помощью которых данныевоспроизводятся: естественными, аппаратными или программными.

18

УГАТУ

Сточки зрения науки, занимающейся исследованием свойств знаков и знаковыхсистем, сообщение (информацию) можно изучать на трех уровнях:

•Синтаксическом. Сообщение рассматривается как совокупность знаков. При этом полностью абстрагируются от смыслового содержания сообщения и информацию называют данными.

•Семантическом. В сообщении рассматриваются смысловые связи, формируются понятия и представления, выявляется смысл, содержание информации.

•Прагматическом. На этом уровнерассматривается, насколько сообщениеважно для принятия решения, при этом учитывается своевременность его доставки и использования.

20

УГАТУ

•Для каждого из перечисленных уровней передачи информации существуют свои подходы к измерению количестваинформации и свои меры информации.

•На синтаксическом уровнесуществует два подхода к измерению информации:

•Энтропийный (содержательный) основан на том, что информация – это снятая неопределенность, а именно, если до получения сообщения приемнику информации мало известно о некоторой системе, то любоесообщениеоб этой системе, снимает какую-то часть незнания о ней;

•Алфавитный (объемный) исходит из того, что любое сообщение можно представить конечной последовательностью символов некотрого алфавита.

21

Кафедра Формула Шеннона для измерения

информатики

информации УГАТУ

Т.к. энтропия (энтропия в информатике — степень неполноты, неопределенности знаний) является количественной мерой информации, то количество информации I для случая неравновероятных состояний системы можно по формуле Шеннона.

N

Ipi log pi

i1

23

Кафедра Формула Шеннона для измерения

информатики

информации УГАТУ

•В 1984 г. американский инженер и математик К.Шеннон предложил формулудля расчета энтропии системы, которая имеет N возможных неравновероятныхсостояний:

N

Hapr pi log pi

i1

•где pi- вероятность того, что система находится в i-ом состоянии;

•N – число всевозможныхсостояний системы.

22

Кафедра Формула Шеннона для измерения

информатики

информации УГАТУ

Если все состояния системы равновероятны, т.е.

pi p 1 N

то получим

Где N – число возможныхсостояний системы.

24

УГАТУ

Эту же формулудля расчета количества информации в случае равновероятныхсобытий предложил американский математик Р. Хартли в 1928 году.

Поэтомуформулу I logN

называют формулой Хартли.

Из формулы Хартли видно, что количество информации I, заключенное в сообщении и число возможных состояний системы N будут связаны как:

N 2I

25

Следовательно, за единицуизмерения информации можно взять то количество информации, которое снимает неопределенность (понижает значение энтропии) в случае равновероятных состояний системы ровно в двараза.

Эта единица получила название бит.

27

УГАТУ

Впредыдущихформулахнигде не указывалось основаниелогарифма. Для определения единицы измерения информации необходимо конкретизировать.

Если взять число состояний системы N=2, а в качестве основания логарифмавзять 2, тогда получается

2

I pi log pi p1log2 p1 p2log2 p2 1

т.е. события равновероятны

26

Пример:

Сколько бит информации будет получено при бросании пирамидки (четыре грани N=4) и кубика (шесть граней N=6), при условии, что пирамидкаи кубик симметричны и однородны, т.е. исходы событий для нихравновероятны.

Решение^

Согласно формуле Хартли I log N получаем: для пирамидки I log2 4 2бит

для кубика I log2 6 2,6бит

28

Кафедра Алфавитный подход к измерению

информатики

информации УГАТУ

•При алфавитномподходе к измерению информации сообщениерассматривается как дискретная последовательность символов некоторого алфавита.

•Смысл информации, заключенный в сообщении, также как и при энтропийном подходе не имеет значения, поэтомув этом случае также говорят о синтаксической мереинформации.

•Алфавит – некоторое конечное множество символов , используемыхпри записи сообщений.

•Мощность алфавита – количество всехвозможных символов N в данном алфавите.

29

Кафедра Алфавитный подход к измерению

информатики

информации УГАТУ

Например:

В2-хсимвольном алфавите каждый символ несет 1 бит

( I log2 2 1)

В4-хсимвольном алфавите – 2 битаинформации

( I log2 4 2 ).

Информационный объем сообщения I можно найти, перемножив количество символов k в сообщении на информационный вес I одного символа:

I k i

31

Кафедра Алфавитный подход к измерению

информатики

информации УГАТУ

•Основная единицаизмерения объема информации – бит.

•Бит с точки зрения алфавитного подхода к измерению информации – это минимально возможное количество информации, содержащееся в сообщении из одного символа, записанного с помощью двухсимвольного алфавита.

•Если считать, что все символы появляются в тексте с равной вероятностью, то информационный вес каждого символа в битахдля алфавита мощностью N

можно сосчитать по формуле Хартли I logN

30

Кафедра Алфавитный подход к измерению

информатики

информации УГАТУ

Один символ из алфавита мощностью 256 символов имеет вес I log2 256 8бит,

что соответствует единице измерения информации, именуемой байт.

Таким образом, 1 байт=8 бит.

Алфавит мощностью 256 символов используется для представления текстов в компьютереи поэтомучаще называется компьютерным алфавитом. При этом делаются допущения, что каждый символ встречается в текстес равной вероятностью.

32

Кафедра Алфавитный подход к измерению

информатики

информации УГАТУ

Пример:

Измерить информационный объемсообщения «Я люблю информатику!», записанного с помощью 256ти символьного алфавита. Считаем, что символы появляются в текстес равной вероятностью.

Решение:

Информационный вес каждого символаравен 8 бит или 1 байт.

Всего в сообщении 20 символов с учетом пробелов и знаков препинания.

Информационный объем сообщения составляет 20 байт.

33

Кафедра Единицы измерения информации

информатики

УГАТУ

Соотношение единиц измерения объема информации представлено в таблице:

35

Кафедра Единицы измерения информации

информатики

УГАТУ

Для измерения объема хранимой (или передаваемой) информации байт является слишком малой единицей. В этом случае используются более крупные единицы измерения информации.

34

УГАТУ

•Коды появились в глубокой древности в виде криптограмм (тайнописи), ими пользовались для засекречивания важного сообщения, чтобы оно было понятно только тем, комупредназначено.

•Исторически первый код, предназначенный для передачи информации, это азбука Морзе. Каждой букве или цифре сопоставляется своя последовательность из кратковременных (точка) и длительных (тире) импульсов тока, разделяемых паузами. Длина слов разная.

•Код Бодо, распространенный в телеграфии, использует для кодирования два элементарных сигнала – импульс и паузу, сопоставляемые буквам кодовыеслова состоят из пяти такихсигналов. Длина слов одинаковая.

36

УГАТУ

•Число символов, используемыхдля кодирования называют основанием кода.

•Множество кодовыхсимволов называется кодовым алфавитом.

•Коды, использующие два различныхэлементарных сигнала, обозначаемыхкак 0 и 1, называются двоичными. Кодовыеслова можно представлять как последовательность из нулей и единиц.

37

УГАТУ

Внастоящее время существует пять различныхкодовых таблиц для русских букв, поэтомутексты, созданныев одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой.

КОИ-7 – использовался для работы в среде MS DOS

КОИ-8 – применяется на компьютерахс операционной системой UNIX, в сетях, электронной почте и телеконференциях.

Windows 1251, Win 1251 – всеWindowsприложения,

работающиес русским языком.

Mac – кодировка русскихбукв для компьютеров Macintosh

ISO 8859-5 – стандарт для русского языка утвержденный

ISO.

UNICODE – международный стандарт символьного кодирования, в котором каждый символ кодируется 2-мя байтами и поэтомус его помощью можно закодировать

216=65536 символов.

39

УГАТУ

•Присвоениесимволуконкретного двоичного кода – это вопрос соглашения, которое зафиксировано в кодовой таблице ASCII (American Standard Code for Information Interchange) – Американский стандартный код для информационного обмена.

•Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.)

•Коды с 33-го по 127 являются интернациональными и соответствуют символам арифметическихопераций и знакам препинания.

•Все стандарты кодировочныхтаблиц включают этот фрагмент без изменений, а вторая половина (коды с 128-го по 255) содержит коды национальных алфавитов, символы псевдографии и некоторые математические знаки.

38

•Формупредставления графическихизображений, которые формируются из точек (пикселей), образующих характерный узор, называют растровой.

•Пиксель – наименьший элемент изображения на экране (точка на экране)

•Растр – прямоугольная сетка пикселей на экране. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, тем выше качество изображения.

•Разрешающая способность монитора – размер сетки растра, задаваемого в виде произведения MxN, где М – число точек по горизонтали, N – число точек по вертикали.

40