- •Предисловие
- •Введение
- •Часть первая глава 1 теоретические основы информатики
- •Введение
- •§ 1. Информатика как наука и как вид практической деятельности
- •1.1. История развития информатики
- •1.2. Информатика как единство науки и технологии
- •1.3. Структура современной информатики
- •1.4. Место информатики в системе наук
- •1.5. Социальные аспекты информатики
- •1.6. Правовые аспекты информатики
- •1.7. Этические аспекты информатики
- •Контрольные вопросы
- •§ 2. Информация, ее виды и свойства
- •2.1. Различные уровни представлений об информации
- •2.2. Непрерывная и дискретная информация
- •2.3. Единицы количества информации: вероятностный и объемный подходы
- •Вероятностный подход
- •Объемный подход
- •2.4. Информация: более широкий взгляд
- •2.5. Информация и физический мир
- •§ 3. Системы счисления
- •3.1. Позиционные системы счисления
- •3.2. Двоичная система счисления
- •3.3. Восьмеричная и шестнадцатиричная системы счисления
- •§ 4. Кодирование информации.
- •4.1. Абстрактный алфавит
- •4.2. Кодирование и декодирование
- •4.3. Понятие о теоремах шеннона
- •4.4. Международные системы байтового кодирования
- •§ 5. Элементы теории графов
- •5.1. Основные понятия
- •5.2. Представление графов
- •§ 6. Алгоритм и его свойства
- •6.1. Различные подходы к понятию «алгоритм»
- •6.2. Понятие исполнителя алгоритма
- •6.3. Графическое представление алгоритмов
- •6.4. Свойства алгоритмов
- •6.5. Понятие алгоритмического языка
- •Контрольные вопросы
- •§7. Формализация понятия «алгоритм»
- •7.1. Постановка проблемы
- •7.2. Машина поста
- •73. Машина тьюринга
- •7.4. Нормальные алгоритмы маркова
- •7.5. Рекурсивные функции
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 8. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач
- •8.1. Операциональный подход
- •8.2. Структурный подход
- •8.3. Новейшие методологии разработки программ для эвм
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 9. Структуры данных
- •9.1. Данные и их обработка
- •9.2. Простые (неструктурированные) типы данных
- •9.3. Структурированные типы данных
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 10. Понятие об информационном моделировании
- •10.1. Моделирование как метод решения прикладных задач
- •10.2. Основные понятия информационного моделирования
- •10.3. Связи между объектами
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 11. Некоторые кибернетические аспекты информатики
- •11.1. Предмет кибернетики
- •11.2. Управляемые системы
- •11.3. Функции человека и машины в системах управления
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 12. Понятие искусственного интеллекта
- •12.1. Направления исследований и разработок в области систем искусственного интеллекта
- •12.2. Представление знаний в системах искусственного интеллекта
- •12.3. Моделирование рассуждений
- •12.4. Интеллектуальный интерфейс информационной системы
- •12.5. Структура современной системы решения прикладных задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 1
- •Глава 2 программное обеспечение эвм
- •Введение
- •§ 1. Операционные системы
- •1.1. Назначение и основные функции операционных систем
- •1.2. Понятие файловой системы
- •1.3. Операционные системы для компьютеров типа ibm pc
- •1.4. Оболочки операционных систем
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 2. Понятие о системе программирования
- •2.1. Основные функции и компоненты
- •2.2. Трансляция программ и сопутствующие процессы
- •Контрольные вопросы
- •§3. Прикладное программное обеспечение общего назначения
- •3.1. Классификация
- •3.2. Инструментальные программные средства общего назначения
- •3.3. Инструментальные программные средства специального назначения
- •3.4. Программные средства профессионального уровня
- •3.5. Организация «меню» в программных системах
- •Контрольные вопросы ч задания
- •§ 4. Системы обработки текстов
- •4.1. Элементы издательского дела
- •4.2. Текстовые редакторы
- •4.3. Издательские системы Общая характеристика
- •Настольная издательская система ТеХ
- •§ 5. Системы компьютерной графики
- •5.1. Принципы формирования изображений на экране
- •5.2. Изобразительная графика
- •5.3. Графические редакторы
- •5.4. Деловая графика
- •5.5. Инженерная графика
- •5.6. Научная графика
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •§ 6. Базы данных и системы управления базами данных
- •6.1. Понятие информационной системы
- •6.2. Виды структур данных
- •6.3. Виды баз данных
- •6.4. Состав и функции систем управления базами данных
- •6.5. Примеры систем управления базами данных
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 7. Электронные таблицы
- •7.1. Назначение и основные функции табличных процессоров
- •7.2. Электронные таблицы supercalc
- •7.3. Электронные таблицы excel
- •§8. Интегрированные программные средства
- •8.1. Принципы построения интегрированных программных систем
- •8.2. Интегрированный пакет ms-works
- •§ 9. Экспертные системы
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 10. Инструментальные программные средства для решения прикладных математических задач
- •10.1. Назначение программ
- •10.2. Пакет mathcad
- •10.3. Система аналитических преобразований reduce
- •§ 11. Компьютерное тестирование
- •11.1. Технология проектирования компьютерных тестов предметной области
- •Оценка соответствия
- •11.2. Типы компьютерных тестов
- •11.3. Инструментальные тестовые оболочки
- •11.4. Пример теста по школьному курсу информатики
- •§12. Компьютерные вирусы
- •12.1. Что такое компьютерный вирус
- •12.2. Разновидности компьютерных вирусов
- •12.3. Антивирусные средства
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 13. Компьютерные игры
- •13.1. Виды и назначение компьютерных игр
- •13.2. Обзор компьютерных игр
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 языки и методы программирования
- •Введение
- •§ 1. История развития языков программирования
- •§2. Языки программирования высокого уровня
- •2.1. Понятие о языках программирования высокого уровня
- •2.2. Метаязыки описания языков программирования
- •23. Грамматика языков программирования
- •§3. Паскаль как язык структурно-ориентированного программирования
- •3.1. Введение
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Основные конструкции языка
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Структуры данных
- •3.4. Процедуры и функции
- •3.5. Работа с файлами
- •3.6. Динамические информационные структуры
- •Контрольные вопросы
- •3.7. Работа с графикой
- •Var gd, gm: integer; {переменные gd и gm определяют драйвер и режим}
- •Контрольные вопросы и задания
- •3.8. Турбо-оболочки. Версии паскаля
- •Контрольные вопросы
- •3.9. Руководство пользователю турбо-паскаля
- •§4. Методы и искусство программирования
- •4.1. Проектирование программ
- •Контрольные вопросы и задания
- •4.2. Основные принципы разработки и анализа алгоритмов
- •Задания
- •4.3. Методы построения алгоритмов, ориентированные на структуры данных
- •Контрольные задания
- •4.4. Рекурсивные алгоритмы
- •Контрольные задания
- •4.5. Важнейшие невычислительные алгоритмы (поиск и сортировка)
- •If f then write('найден элемент на ',m, ' месте') else write('такого элемента в массиве нет ');
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Бейсик как язык операционально-проблемно-ориентированного программирования
- •5.1. Введение в бейсик
- •Контрольные вопросы
- •5.2. Базовые операторы
- •Контрольные вопросы ч задания
- •5.3. Музыкальные возможности
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.4. Графические возможности
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Обработка символьной информации
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.6. Подпрограммы
- •Контрольные вопросы
- •5.7. Работа с файлами
- •5.8. Средства и методы организации диалога
- •Контрольные задания
- •5.9. Версии бейсика
- •5.10. Бейсик и паскаль
- •§ 6. Введение в язык программирования си
- •6.1. Общая характеристика языка и пример программы на си
- •6.2. Элементы си: алфавит, идентификаторы, литералы, служебные слова
- •6.3. Типы данных и операции в языке си. Выражения
- •6.4. Операторы. Управляющие конструкции языка
- •6.5. Структура программы на си. Понятие о функциях
- •6.6. Классы памяти
- •6.7. Функции вводa-вывода
- •6.8. Директивы препроцессора
- •6.9. Си и паскаль
- •§ 7. Основы логического программирования на языке пролог
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Алгоритм выполнения программ на прологе
- •7.3. Рекурсия
- •7.4. Предикат отсечения и управление логическим выводом в программах
- •7.5. Обработка списков
- •7.6. Решение логических задач на прологе
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 8. Введение в функциональное программирование на языке лисп
- •8.1. Назначение и общая характеристика языка
- •8.2. Основные элементы программы на лиспе. Списки
- •8.3. Функции
- •8.4. Формы. Управляющие конструкции в лисп-программе
- •8.5. Рекурсия и цикл в программах на лиспе
- •8.6. Ввод-вывод данных
- •8.7. Пример программирования на лиспе
- •8.8. Свойства символов
- •Контрольные вопросы и задания
- •§9. Введение в объектно-ориентированное программирование
- •9.1. Основные положения
- •9.2. Основы объектного программирования в системе турбо-паскаль
- •9.3. Оболочка turbo-vision
- •9.4.* Среда объектного визуального программирования delphi
- •9.8. Система объектного программирования smalltalk
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 3
- •Часть вторая глава 4 вычислительная техника
- •Введение
- •§ 1. История развития вычислительной техники
- •Начальный этап развития вычислительной техники
- •Начало современной истории электронной вычислительной техники
- •Поколения эвм
- •1.4. Персональные компьютеры
- •1.5. И не только персональные компьютеры...
- •1.6. Что впереди?
- •Контрольные вопросы
- •§2. Архитектура эвм
- •2.1. О понятии «архитектура эвм»
- •1.2. Классическая архитектура эвм II принципы фон неймана
- •2.3. Совершенствование и развитие внутренней структуры эвм
- •2.4. Основной цикл работы эвм
- •2.5. Система команд эвм и способы обращения к данным
- •Контрольные вопросы
- •§3. Архитектура микропроцессоров
- •3.1. История развития микропроцессоров
- •3.3. Внутренняя организация микропроцессора
- •3.3. Работа микропроцессора с памятью. Методы адресации
- •3.4. Форматы данных
- •3.5. Обработка прерываний
- •3.6. Работа микропроцессора с внешними устройствами
- •3.7. Пример: система команд процессоров семейства pdp
- •Контрольные вопросы и задания
- •§4. Учебная модель микрокомпьютера
- •4.1. Структура учебного микрокомпьютера
- •4.2. Система команд
- •4.3. Адресация данных
- •4.4. Работа с внешними устройствами
- •4.5. Примеры программ
- •4.6. Некоторые справочные данные по е-97
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Внешние устройства эвм: физические принципы и характеристики
- •5.1. Внешние запоминающие устройства
- •5.2. Устройства ввода информации
- •5.3. Устройства вывода информации
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 6. Логические основы функционирования эвм
- •6.1. Логика высказываний. Элементарные логические функции
- •6.2. Схемная реализация элементарных логических операций. Типовые логические узлы
- •63. Пример электронной реализации логического элемента
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 4
- •Глава 5 компьютерные сети и телекоммуникации введение
- •§ 1. Локальные сети
- •1.1. Аппаратные средства
- •1.2. Конфигурации локальных сетей и организация обмена информацией
- •1.3. Локальные сети учебного назначения
- •Контрольные вопросы
- •§2. Операционные системы локальных сетей
- •Контрольные вопросы ч задания
- •§3. Глобальные сети
- •3.1. Общие принципы организации
- •3.2. Аппаратные средства и протоколы обмена информацией
- •3.3. Электронная почта
- •3.4.1. Адресация и виды информации в Internet
- •3.4.2. Доступ к информации в Internet
- •3.4.3. Язык разметки гипертекстов html
- •3.4.4. Программа-оболочка Internet Explorer
- •3.4.5. Другие информационные системы в Internet
- •§ 4. Представление об операционной системе unix
- •§ 5. Использование компьютерных сетей в образовании
- •5.1. Телекоммуникации как средство образовательных информационных технологий
- •5.2. Персональный обмен сообщениями
- •5.3. Информационное обеспечение
- •5.4. Совместное решение задач
- •Глава 6 информационные системы введение
- •§ 1. Банки информации
- •1.1. Банки данных
- •1.2. Банки документов
- •1.3. Банк педагогической информации
- •§ 2. Базы данных в структуре информационных систем
- •2.1. Основные понятия
- •2.2. Проектирование баз данных
- •2.3. Представление об языках управления реляционными базами данных типа dBase
- •2.3.1. Основные элементы субд типа dBase
- •2.3.2. Создание структуры файлов базы данных
- •2.3.3. Командный язык субд
- •2.3.4. Ввод данных в базу и редактирование
- •2.3.5. Дополнительные операции
- •2.3.6. Организация системы меню
- •2.3.7. Пример создания информационной системы с помощью субд типа dBase
- •§ 3. Автоматизированные информационные системы
- •3.1. Автоматизированные системы управления
- •3.2. Информационные системы управления
- •3.2.1. Общие принципы
- •3.2.2. Информационные системы управления в образовании
- •3.3. Автоматизированные системы научных исследований
- •3.4. Системы автоматизированного проектирования
- •3.5. Геоинформационные системы
- •Контрольные вопросы
- •§4. Экспертные системы
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 5. Компьютерные обучающие системы
- •5.1. Основные принципы новых информационных технологий обучения
- •5.2. Типы обучающих программ
- •5.3. Компьютерное тестирование
- •5.4. Перспективные исследования в области компьютерного обучения
- •Глава 7 компьютерное математическое моделирование введение
- •§ 1. О разновидностях моделирования
- •§2. Понятие о компьютерном математическом моделировании
- •2.1. Математическое моделирование и компьютеры
- •2.2. Этапы и цели компьютерного математического моделирования
- •2.3. Классификация математических моделей
- •2.4. Некоторые приемы программирования
- •§3. Моделирование физических процессов
- •3.1. Физика и моделирование
- •3.2. Свободное падение тела с учетом сопротивления среды
- •3.3. Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Законы подобия
- •3.4. Движение тела с переменной массой: взлет ракеты
- •3.5. Движение небесных тел
- •3.6. Движение заряженных частиц
- •3.7. Колебания математического маятника
- •3.8. Моделирование явлений и процессов в приближении сплошной среды
- •3.9. Моделирование процесса теплопроводности
- •Контрольные вопросы и задания
- •§ 4. Компьютерное моделирование в экологии
- •4.1. Экология и моделирование
- •4.2. Модели внутривидовой конкуренции
- •4.3. Логистическая модель межвидовой конкуренции
- •4.4. Динамика численности популяций хищника и жертвы
- •4.5. Имитационное моделирование динамики популяций
- •Контрольные вопросы и задания
- •§5. Глобальные модели развития человечества
- •§ 6. Моделирование случайных процессов
- •6.1. Техника стохастического моделирования
- •6.2. Моделирование случайных процессов в системах массового обслуживания
- •6.3. Различные примеры моделирования случайных процессов
- •Контрольные вопросы и задания
- •§7. Компьютерное математическое моделирование в экономике
- •7.1. Постановка зaдaчи линейного программирования
- •7.2. Симплекс-метод
- •Контрольные вопросы и задания
- •Дополнительная литература к главе 7
- •Содержание
- •§4. Методы и искусство программирования 261
- •§ 5. Бейсик как язык операционально-проблемно-ориентированного программирования 290
- •§ 6. Введение в язык программирования си 306
10.3. Система аналитических преобразований reduce
Развитие вычислительной техники начиналось с автоматизации выполнения арифметических действий. Вместе с тем известно, что компьютеры могут успешно оперировать математическими символами. Область вычислительной математики, связанная с аналитическими преобразованиями и получившая название компьютерной алгебры, в настоящее время развивается и получает широкое распространение в различных направлениях науки и образования. Основным объектом, над которым производит действие компьютер, является аналитическое (символьное) выражение, организованное и преобразуемое по заданным логическим правилам. Сегодня возможно компьютерное интегрирование и дифференцирование символьных выражений, перестановки и перегруппировки членов, приведение подобных членов, подстановки в выражения с последующим их преобразованием.
Очевидно, что известные системы программирования (Паскаль, СИ, Бейсик и т.п.) мало пригодны для анализа и преобразования символьной информации. Для этих целей созданы и развиваются специальные системы аналитических преобразований, которые можно разделить на универсальные, специализированные и общего назначения. Наибольшей популярностью пользуется универсальная система символьных вычислений REDUCE, автором которой является профессор А.Хиен. Система Reduce написана на языке высокого уровня ЛИСП.
Язык Reduce, составляющий ядро системы, трансляторы для которого разработаны для всех распространенных типов ЭВМ, предназначен прежде всего для проведения вычислении в аналитическом виде. Язык «знает» все операции алгебры с многочленами, приведением подобных членов, раскрытием скобок; все базовые элементарные функции, в том числе и в комплексной форме, ряд других функции; широкий набор операции над матрицами, включающий как входящие в обычные вузовские программы, так и выходящие за их пределы (например, функции от матриц); очень хорошо дифференцирует и несколько хуже вычисляет первообразные (но все же значительно лучше, чем большинство студентов, изучивших стандартный курс интегрального исчисления); умеет делать и ряд других действий.
Насколько это существенно для решения некоторых задач, показывает следующий пример. В одной из диссертаций по физике магнитных явлений диссертант (дело было в середине 50-х годов) потратил несколько лет на решение в принципе несложной задачи, требовавшей, однако, проведения совершенно фантастического (для человека) количества операторных коммутаций и последующего приведения подобных членов. Каждое отдельное неразрывное преобразование требовало, по-видимому, нескольких месяцев неустанной работы при максимальной аккуратности и напряжении. Поручить же эту работу ЭВМ было невозможно, так как в те времена языков аналитических преобразований в практически пригодном виде не существовало. О независимой проверке работы не приходилось и думать - это потребовало бы от другого человека не менее года работы. Примерно через 15 лет все эти выкладки были проделаны на ЭВМ в системе Reduce за несколько дней; оказалось, что автор диссертации почти все выкладки сделал безошибочно.
Разумеется, язык «умеет» производить и численные операции, причем его арифметика имеет произвольную точность, не привязанную к способу представления чисел с плавающей запятой в регистрах процессора и ячейках ОЗУ. Получить при вычислении 20 или 50 значащих цифр в результате для Reduce вполне возможно.
В системе Reduce программа записывается и выполняется по предложениям, каждое из которых представляет собой последовательность символов. Предложение завершается одним из символов: ; (точка с запятой), п (кружок с черточками). Если предложение оканчивается знаком ";", то результат его выполнения выводится на экран дисплея или печатающее устройство. В случае знака ◘ вывод не происходит.
В системе Reduce каждая переменная имеет имя и значение. Если переменной не присвоено какое-либо значение, то имя переменной является ее значением. В этом заключается одно из принципиальных отличий подобных систем от традиционных языков программирования. Первоначально имя и значение переменной совпадают между собой, и такая переменная называется свободной.
Запуск программы на выполнение в системе осуществляется клавишей <Enter>.
Ниже приведем несколько примеров программ в системе Reduce, которые позволят получить первоначальные представления о системах аналитических преобразований символьной информации.
Пример 1.
А; XI; SS# ABCDIF; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
А
XI
ABCDIF
Комментарий: все переменные являются свободными, т.е. их значения совпадают с именами.
Пример 2.
А:=123456789# В:= 123456789123456789#А*В; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
15241578765432099750190521
Комментарий: переменным А и В присваиваются целочисленные значения и вычисляется их произведение, причем результат вычисления точный без округления.
Пример 3.
A:=S# A; A:=X*Y# A; Q:=X:=Y# Q; X; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
S
Х*У
Y
Y
Комментарий: переменной А присваивается сначала значение S, затем - X*Y.
Пример 4.
13; 3+6; 2**64; 11-20; 25/(-125); 2*(3*A-6)/6; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
139 18446744073709551616 (-9) (-1)/5А-2
Комментарий: при проведении алгебраических преобразований для записи сложных выражений используют имена переменных и знаки арифметических операций.
Пример5.
I**2; A:=X+I*Y# B:=X-I*Y# A*B; A**2; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
-1
X-52-0+Y-52
' 2*I*X*Y + X-52-0-Y-52
Комментарий: для использования комплексных чисел за латинской буквой I закреплено значение мнимой единицы.
Пример 6.
OPERATOR F,W; W(X); F(5*X); (F(X)+A)**2; <Enter>
Листинг результата программы следующий:
W(X) F(5*X) F(X)-52-0 + 2*A*-F(x) + A-52
Комментарий: имена в скобках используют для обозначения операторов или функций, которые описываются предварительно командой OPERATOR.
Пример 7.
DF(X**2,X); DF(Y,Y,2); DF(X**3*Y*82*Z**3,X,3,Y,Z,2); DF(Y,X); <Enter>
Листинг результата программы следующий: 2*Х 0 72*Y*Z О
Комментарий: встроенный оператор DF используется для вычисления частных производных по отношению к одной или нескольким переменным, первым аргументом в скобках является дифференцируемое выражение, далее - аргументы, по которым проводится дифференцирование, и числа, указывающие порядок производной.
Пример 8.
INT(X**2,X); INT(SIN(X),X); <Enter>
Листинг результата программы следующий:
Х-53-0/3 - COS(X)
Комментарий: оператор INT используется для вычисления интегралов, на первом месте стоит интегрируемое алгебраическое выражение, на втором месте указывается переменная интегрирования.
Мы привели наиболее простые возможности системы Reduce. Подробнее ознакомиться с работой подобных систем читателю рекомендуется по специальным учебным пособиям и монографиям.
Контрольные вопросы
1. В чем основные отличия переменных в традиционных системах программирования от систем аналитических преобразований типа REDUCE?
2. В каких задачах предпочтительнее использовать методы компьютерной алгебры?