Розділ 1 Основні поняття інформатики

Розділ 1. Основні поняття інформатики

Розділ І. Основні поняття інформатики

Широке впровадження ЕОМ у сфері виробництва потребує відповідної комп’ютерної підготовки кадрів. Від рівня комп’ютерної грамотності молодого покоління суттєво залежить прискорення науково-технічного прогресу.

З появою обчислювальних машин почався новий етап у розвитку хімії та хімічної технології. Відкрилися широкі можливості використання математичних методів для побудови моделей хімічних реакцій, обробки та інтерпретації результатів експериментальних досліджень, пошуку оптимальних умов проведення технологічних процесів. У зв’язку з цим перед хіміками постала задача – оволодіння комп’ютерною технікою. Від сучасного спеціаліста в області хімії та хімічної технології вимагається знання можливостей обчислювальних машин та вміння їх використовувати у своїй професійній діяльності.

Завдяки використанню ЕОМ у наукових дослідженнях діяльність спеціалістів-хіміків стає більш продуктивною та цілеспрямованою. Використання ЕОМ при проектуванні хімічних заводів дозволяє значно скоротити терміни виконання робіт та одночасно підвищити якість проектів. ЕОМ на виробництві дає можливість створювати системи автоматизованого управління, контролю та автоматичного захисту. Використання ЕОМ у процесі навчання спеціалістів-хіміків дозволяє підвищити їх пізнавальну активність та значно розширити коло вирішуємих професійних задач. У наші дні комп’ютер став незмінним помічником хіміків. Комп’ютер – це каталізатор науковотехнічного прогресу.

Використання ЕОМ можливе не тільки сучасними спеціалістами з технічною, але і із гуманітарною освітою. Для цього необхідно мати відповідні знання по використанню ЕОМ, а це потребує засвоєння нових понять, розширення та, в деякій мірі, зміну стереотипних поглядів.

Які основні задачі ставляться під час вивчення курсу "Інформатика, обчислювальні машини, програмування". Серед них:

∙забезпечити сприйняття суті та ролі інформатики як наукової дисципліни та області практичної діяльності людини, ролі інформаційної техніки в сучасному світі, у прискоренні науково-технічного прогресу, в інтенсифікації та підвищенні ефективності діяльності людини;

∙підвищити загальну та технічну культуру до рівня, що відповідає сучасному етапу становлення безпаперової інформатики;

∙ознайомити з основними поняттями, термінами, визначеннями інформатики, правилами та методами розв'язку на ЕОМ задач, принципами їх алгоритмізації та програмування, із інформаційними можливостями людини та ЕОМ;

∙розвинути у студентів алгоритмічне та операційне мислення, сприйняття ЕОМ як сучасного виробничого інструмента, вміння трансформувати реальні задачі у моделі з подальшим їх програмованим аналізом на ЕОМ;

Розділ 1. Основні поняття інформатики

∙підготувати студентів до використання знань з інформатики та обчислювальної техніки в учбовій та подальшій самостійній науководослідницькій та практичній діяльності;

∙привити стійкі навички практичного використання ЕОМ.

∙сформувати серйозне ставлення до радіоелектронної техніки, інформаційного обміну, що відіграють важливу роль в житті суспільства.

Прискорений розвиток міжнародних економічних, науково-технічних

обмінів, їх ефективне співробітництво здійснюється з використанням методів та засобів інформатики. Новий етап розвитку сучасної науково-технічної революції характеризується швидким зростанням ролі інформатики. Сучасний розвиток науки, виробництва, культури привів до утворення і приросту величезних об’ємів інформації, без оперативної переробки якої неможливий подальший прогрес.

Слід звернути увагу на глибокий взаємозв’язок між прискоренням темпів науково-технічної революції та розвитком інформатики. Індустрія інформатики, що базується на широкому використанні електронної техніки, здійснює великий вплив на ефективність засобів праці та технологічних систем в усіх галузях народного господарства, в усіх сферах діяльності людини – на виробництві, в науці, управлінні, навчально-педагогічній діяльності. Їх прискорений розвиток приводить до необхідності збору та переробки великого об’єму інформації при виборі оптимальних рішень.

Об’єктивні потреби людства стали причиною виникнення в 60-і роки автоматичної переробки інформації, що отримала назву "ІНФОРМАТИКА". При цьому мається на увазі фундаментальна наукова дисципліна в системі сучасних наук, що вивчає структуру та загальні властивості наукової інформації, а також закономірності науково-інформаційної діяльності та область практичної діяльності по інформаційному обслуговуванню суспільства. Наука інформатика вивчає закономірності, методи одержання, обробки поширення та використання інформації за допомогою сучасної інформаційної техніки – в першу чергу ЕОМ. Інформаційна індустрія – область практичного використання результатів науки інформатики, забезпечує всі потреби суспільства в інформації.

Слово "інформатика", що утворено в результаті використання слів "інформація" та "автоматика", виникло на початку 60-х років для визначення області автоматичної переробки інформації в усіх сферах діяльності людини. Слід зауважити, що своїм швидким становленням та розвитком інформатика зобов’язана ЕОМ, перші, з яких були створені в 1944–1945 р.р., випередивши народження інформатики майже на півтора десятиліття. ЕОМ – це комплекс технічних та програмних засобів для автоматичного перетворення інформації у відповідності із заданим алгоритмом. Їм притаманно:

∙універсальність (здатність вирішувати різноманітні задачі за програмою);

∙здатність вирішувати одночасно дві або декілька різноманітних програм;

∙швидка дія;

Розділ 1. Основні поняття інформатики

∙здатність приймати, зберігати, оброблювати та видавати інформацію;

∙надійна пам’ять, об’єм якої можна збільшувати;

∙велика точність обробки даних;

∙здатність виконувати операції з інформацією в циклі (багаторазово виконувати команди зі змінними даними);

∙здатність обробляти різноманітну інформацію, що одержується з різних джерел, забезпечувати їх нормалізацію та систематизацію;

∙здатність працювати як в діалоговому режимі з людиною, так і без неї, в "автоматичному режимі".

Завдяки цим рисам ЕОМ стала надійним помічником людини. Діапазон областей її використання швидко та постійно розширюється, незважаючи на трудомісткий та довготривалий процес підготовки програм для розв'язку конкретних задач.

За допомогою ЕОМ можна швидко аналізувати інформацію, знаходити оптимальні розв’язки складних задач, здійснювати управління хімікотехнологічними процесами, складати нові хімічні речовини та матеріали. ЕОМ допомагає створювати нові досконалі машини, в тому числі більш сучасні ЕОМ, прогнозувати погоду, проникати в таємниці природи, вчитися, відпочивати.

В той же час ЕОМ не здатна самостійно вирішувати творчі завдання в широкому понятті. Людина (це ми з вами) – творець ЕОМ, алгоритмів та програм. Необхідність поєднання глибоких знань із інформативністю, все більш зростаюча цінність інформації, що вже стає найбільш вигідним товаром, інтенсифікація діяльності людини зумовили необхідність широкого використання ЕОМ усіма спеціалістами, необхідністю комп’ютеризації суспільства. Тому комп’ютерна грамотність стала обов’язковим елементом професійної підготовки спеціалістів та загальної культури. Така логіка розвитку науково-технічного прогресу.

1.1.Визначення та характеристика інформації

Наукова дисципліна інформатика та область практичної діяльності по інформаційному забезпеченню суспільства – індустрія інформаційного забезпечення – мають справу з специфічним об’єктом – інформацією. Ми постійно живемо в світі інформації. Вона завжди була постійним супутником розвитку людини, її життєдіяльності. Індивідуальність інформації полягає в тому, що, будучи матеріальним явищем, вона не є ні матерією, ні енергією.

Інформація – це одне з фундаментальних понять сучасної науки, таке як матерія і енергія; інформація завжди має конкретне змістове значення, яке пов’язане з її користувачем (в тому числі і потенційним). Слово "інформація" походить від латинського слова “ іnformare” – зображати, пояснювати, складати поняття про що-небудь. Зміст терміну “ інформація” залежить від позиції, з якої

Розділ 1. Основні поняття інформатики

дається її визначення та області її використання. Наведемо терміни, які найбільш широко вживаються:

∙відомості, повідомлення, які існують незалежно від свідомості користувача;

∙характеристика взаємодії повідомлення з користувачем;

∙невизначеність, що зменшується та ліквідується;

∙циркулююча в природі (суспільстві) сукупність знань, відомостей, повідомлень, даних про явища, випадки, об’єкти;

∙вага структурної визначеності, підпорядкованої організації системи;

∙характеристика зменшення конкретного незнання;

∙об’єкт обміну, зберігання, передачі та переробки;

∙властивість матеріальних об'єктів народжувати та зберігати певний стан, який в різних речовинно-енергетичних формах може передаватися між об’єктами.

Загальним та прийнятним для діяльності є визначення:

Інформація – це характеристика взаємодії повідомлення з користувачем.

Все, що робить людина, завжди пов’язано з надходженням та переробкою інформації. Інформація є науковою лише тоді, коли вона оброблена та узагальнена абстрактно-логічним мисленням. Наукова інформація поділяється на види за областями її одержання та використання: технічна, економічна, соціальна, хімічна, фізична та інші. Таким чином, науково-технічна інформація

– це відомості про документи та факти, які одержані в процесі наукової, науково-технічної, виробничої та суспільної діяльності.

Основні властивості інформації – новизна, важливість, невід’ємність від фізичного носія, достовірність, цінність, значимість, довговічність і ряд інших .

Неадитивність наукової інформації – її семантичні особливості виключають можливість механічного складання наукових понять для одержання нових змістових категорій наукової інформації. Некомунікативність – неможливість відтворення нової наукової інформації шляхом механічного переміщення окремих понять, концепцій, та гіпотез. Неасоціативність – неможливість одержання нової наукової інформації шляхом поєднання вихідних компонентів знань.

Виникнення інформації пов’язане з витратами енергії, виконанням роботи. Енергія витрачається на відтворення повідомлень, завдяки яким передається інформація, на прийом повідомлень та виділення з них інформації на основі семантики повідомлення.

Інформація = повідомлення + семантика, яку виділяє з повідомлення користувач.

Аспекти специфічного розуміння терміну “ інформація”:

∙технічний – точність, надійність, швидкість передачі повідомлення;

∙прагматичний – ефективність впливу інформації на діяльність користувача;

∙семантичний – визначення умов передачі змістового значення повідомлення.

Розділ 1. Основні поняття інформатики

За рівнем цінності інформації для учасників інформаційної взаємодії, ступеня необхідності її умовно поділяють на три основні види: особисту, масову, спеціальну.

1.2.Інформаційний обмін

Інформацію дуже рідко використовують тільки в місці та в момент одержання. Тому її передають у вигляді повідомлень з використанням природних та штучних каналів зв’язку. Слід звернути увагу на те, що до створення писемності люди передавали інформацію, головним чином, у процесі спілкування, не виділяючи суб’єкту, що нею володів. Поява знакових систем стала першим етапом у розвитку інформації. Зафіксовані на носіях знання перетворилися в інформацію, яку стало можливо передавати та зберігати у вигляді повідомлень.

Повідомлення – це сигнал або сукупність сигналів, які пов’язані в системі, на яку вони впливають, з закріпленою раніше інформацією, яка забезпечує відокремлення семантики повідомлення. Сигнал – це фізичний факт, що використовується для передачі або накопичення повідомлень, які моделююча система приймача інформації здатна розпізнати як символ із інтерпретацією його семантичної характеристики. Сигнал завжди пов’язаний із моделюючим впливом середовища.

Інформація завжди передається завдяки повідомленням та даним із використанням знаків, символів та сигналів.

Передача інформації здійснюється в просторі і часі. Для цього використовують, в якості носіїв інформації: речовини (папір, знаковий запис, пам’ять людини, хромосоми живих істот, електронна пам'ять ЕОМ), енергію (електромагнітні коливання, акустичні коливання, механічні коливання). Тобто носій інформації може мати матеріальну або енергетичну природу.

Інформаційний потік – це сукупність окремих повідомлень, що реалізовані у сигналах та документах, рухаються у просторі та часі від джерела інформації до користувача. Інформаційний потік постійно змінюється за формою його складових елементів – повідомлень, матеріалом носія інформації, засобів і методів передачі інформації.

Сучасний стан характеризується прискореним переходом суспільства до використання електронної технології збору, переробки та розповсюдження інформації, до створення нового інформаційного середовища.

1.3.Виникнення інформатики та задачі, що вона вирішує

Розвиток економіки, науки і техніки ускладнює та збільшує кількість зв’язків між об’єктами. Управління ними потребує одержання та переробки великих потоків інформації.

До середини ХХст. інформаційний потік швидко збільшувався, випереджаючи розвиток техніки та виробництва, можливості спеціалістів

Розділ 1. Основні поняття інформатики

удосконалювати систему переробки інформації. Забезпечити пропорційний ріст можливостей людини по переробці інформації шляхом навчання неможливо. Дані об’єктивні вимоги змусили людство зайнятися вивченням інформаційних потоків та зв’язків, створенням нових автоматичних інформаційних підсилювачів інтелектуальних можливостей людини. Так, поєднання зусиль вчених та практиків багатьох напрямків науки та техніки, усі результати розвитку самої науки та техніки, розробка в середині ХХ ст. програмно-керуючих ЕОМ привели до виникнення інформатики.

Інформатика – це область знань, що вивчає структуру, загальні властивості інформації, а також основні закономірності процесів інформаційної комунікації. Історичний розвиток математично-формалізованих засобів пізнання, що сприяли виникненню інформатики, вказує на те, що поява інформатики – закономірний результат попереднього розвитку знань та потреб людства.

Своїм становленням, як наука, інформатика зобов’язана ЕОМ, створення яких відноситься до кінця 1945р. та випереджає народження інформатики більш як на десятиріччя. Тому справедлива сучасна думка, що інформатика – це наука про закони та методи одержання, обробки та використання інформації за допомогою електронних обчислювальних машин (ЕОМ).

Інформатика тісно пов’язана з іншими науками:

∙суспільними (об’єкт: процеси суспільно-економічного розвитку суспільства та його соціально-політичних систем);

∙природничими (об’єкт: матеріально-енергетичні процеси взаємодії різних видів матерії);

∙технічними (об’єкт: засоби виробництва, засоби задовільнення потреб людства).

Об’єктом самої інформатики є інформація, інформаційні зв’язки, процеси. Наука інформатика:

∙має предметом – інформацію;

∙вирішує проблеми – інформаційних зв’язків та процесів;

∙використовує методи інших наук – математики, математичної статистики та теорії ймовірності, кібернетики та інших;

∙створює та використовує свої методи дослідження.

Основні розділи інформатики:

∙теорія інформації – вивчає предмет, методи, зміст, структуру, властивості наукової інформації;

∙наукова комунікація – вивчає неформальні та формальні інформаційні процеси, науково-інформаційну діяльність;

∙інформаційний пошук;

∙розповсюдження інформації;

∙використання інформації;

∙організація науково-інформаційної діяльності;

∙історія науково-інформаційної діяльності.

Розділ 1. Основні поняття інформатики

Теорія інформації вирішує такі найбільш важливі задачі:

∙як виразити кількість інформації;

∙як захистити інформацію від перекручення, передаючи та зберігаючи її в умовах певних перешкод;

∙як визначити термін “ життя” інформації для того, щоб обрати найбільш зручний час для її обробки та передачі;

∙як побудувати систему, що надає користувачу дані, найбільш вагомі на теперішній час та ситуацію.

Інформатика, що базується на широкому використанні електронної

обчислювальної техніки, здійснює великий вплив на ефективність засобів праці та технологічних систем в усіх галузях шляхом підвищення рівня їх автоматизації.

З широким використанням інформатики ми пов’язуємо перспективи злиття природничих та гуманітарних наук в єдине русло науки про людину та людство. Інформатика може стати тим ланцюгом, що допоможе з’єднати ці два напрямки знань в єдину науку, використовуючи універсальну мову математичних моделей та сучасні методи роботи з великими об'ємами інформації.

1.4.Цінність та ціна інформації

Інформація – ключ до всіх знань, джерел енергії, сировини, нових машин та приладів, технології. Інформація – це специфічний продукт праці, що має суспільну вартість – є особливим товаром, який при продажу залишається і у продавця. У період прискорення науково-технічного прогресу інформація стає одним із найбільш важливих та вигідних продуктів діяльності людства.

Цінність інформації залежить від місця її одержання, часу, може зменшуватися або збільшуватися з часом у залежності від користувача.

За ступенем наукової або практичної новизни інформацію поділяють на:

∙нову – відображає новизну наданого рішення теоретичної або практичної задачі;

∙релевантну – відображає дані, що містилися раніше в аналогах..

Знання – це отримання та накопичення інформації. Енергія, що витрачається на отримання інформації об’єктом, складає в ньому запас енергії, що прагне до розсіювання. При втраті інформації ентропія об’єкту збільшується (наприклад, у загубленої в лісі людини рух хаотичний). Знання, навички, вміння, що не підтримуються працею, тренуваннями в їх використанні, убувають, розсіюються. Перероблені в знання систематизовані інформаційні повідомлення, що накопичені попередніми поколіннями, постійно перероблюються, доповнюються на базі нових знань. Від інтенсивного використання інформація не зменшується і не знищується. В багатьох випадках вона при цьому стає ще більш вагомою.

Розділ 1. Основні поняття інформатики

Усвідомлене незнання або неповне знання, яке виявляється в результаті використання засвоєних знань, стимулює одержання нової інформації, нових знань. Від покоління до покоління, від однієї історичної епохи до наступної ускладнюються задачі, що вирішують люди, збільшується значення, об’єми та трудоємність одержання інформації.

Скільки коштує незнання? Незнання – це відсутність інформації, яка не була одержана, або була забута, розсіяна в часі та просторі. Інформація зменшує конкретне незнання. Пошук недостатньої інформації – це додатковий час, засоби, необґрунтовані витрати від нерозумних рішень.

Інформація – дорогий продукт праці людини. Нові наукові та технічні рішення задач, що постають перед людством, стають все більш складними та дорогими. Швидко збільшується вартість їх інформаційного забезпечення, вартість отримання нової інформації. Тому національні інформаційні ресурси розглядаються як важливіші національні надбання.

1.5.Визначення кількості інформації

Вагомість інформації відносна. Вона залежить від прийнятого ансамблю можливостей. Останні, у свою чергу, залежать не тільки від джерела інформації, але і від людини, яка складає своє уявлення про даний ансамбль можливостей.

В якості одиниці кількості інформації вважають таку її кількість у повідомленні, що скорочує незнання користувача вдвічі.

До вихідних вимог статистичної оцінки кількості інформації відносяться:

∙приймач (користувач інформації) повинен бути правильно налаштований на прийом інформації;

∙кількість інформації повинна бути інваріантною (незалежною) відносно способу кодування повідомлення;

∙кількість інформації у відомому користувачеві повідомленні дорівнює нулю;

∙у процесі одержання повідомлення, користувач повинен здійснити вибір можливостей із деякої кількості рівноймовірних або нерівноймовірних варіантів;

∙інформаційна функція (тобто залежність кількості інформації від кількості варіантів вибору) повинна бути інваріантною до змісту даних у повідомленні та до ознаки, відносно якої кількість варіантів вибору ділиться надвоє.

Імовірнісна оцінка дає наукову, об’єктивну кількість інформації, що не залежить від змінюючих її ознак – цінності та важливості інформації.

Розрахунок величини кількості інформації при виборі одного з декількох рівноймовірних варіантів наведено в прикладі.

Розділ 1. Основні поняття інформатики

Приклад 1. Пошук захованого предмету, що знаходять за допомогою підказок.

При кожному кроці шляхом вибору одного з двох можливих варіантів видається одиниця інформації, при цьому поле пошуку удвічі зменшується. Залежність між числом варіантів вибору (N) та кількістю інформації (І) описується логарифмічною функцією, яка широко використовується в багатьох наукових дисциплінах та в техніці.

Рис.1.5.1.Залежність кількості інформації від числа варіантів вибору

Інформаційна функція не залежить від ознаки, за якою число N варіантів вибору ділиться надвоє.

Приклад 2. Вибір сигналу з восьми рівноцінних (рівноймовірних) сигналів A–H.

Шлях до сигналу F відповідає двійковому коду 101 для прийнятого кодування та потребує три одиниці інформації.

Кодування, при якому використовуються тільки два знаки (у даному випадку <0> і <1>) або сигнали, називають двійковим. Воно широко

Розділ 1. Основні поняття інформатики

використовується в інформатиці та обчислювальній техніці. Одиницею кількості інформації є біт:

Байтом знаків (сигналів) можна закодувати літери латинського та українського алфавітів, цифри, службові символи та інше. Байтовий алфавіт широко використовується в інформатиці.

Приклад 3. Розрахунок величини кількості інформації при виборі рішення з нерівноймовірних варіантів приведено на прикладі вибору кількості рішень при передачі сигналів, частота споживання яких не однакова.

Середня кількість інформації розраховується за формулою

При нерівноймовірних варіантах вибору двійковий вибір не завжди забезпечує одержання одиниці інформації. Якщо Р – імовірність відповіді

"так", а (1-Р) - "ні", тоді

Рис.1.5.2.Залежність одержання одиниці інформації від числа варіантів вибору