МГУПИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ Кафедра «Персональные компьютеры и сети» Родина Н.В. ИНФОРМАТИКА Учебное пособие часть 1 Москва 2006

УДК

Информатика: Учебное пособие, часть 1. /Родина Н.В. – М.: МГУПИ, 2006. – 103 с.

Рекомендовано Ученым Советом МГУПИ в качестве учебного пособия для специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Учебное пособие предназначено для подготовки студентов младших курсов различных форм обучения по указанной специальности, а также смежных.

В пособии рассматриваются основы классической теории информации по Шеннону (вероятностный подход), кодирование символьной информации, кодирование, представление и обработка числовой информации в компьютере. Все рассмотренные вопросы сопровождаются примерами и практическими задачами.

Табл. 9. Ил. 7. Библиограф.: 6 назв.

Рецензент: проф., к.т.н. Степанова Т.А.

 Н.В.Родина, 2006

Содержание

Введение 5

1. Предмет информатики 7

1.1 Роль информации в современном обществе 7

1.2 Информационные барьеры в истории человечества 9

1.3 Предметная область информатики 12

2. Теория информации 16

2.1 Исходные понятия теории информации 16

2.2 Формы представления информации 22

2.3 Преобразование сообщений 25

3. Понятие информации в теории Шеннона 32

3.1 Понятие энтропии 32

3.2 Условная энтропия 36

3.3 Статистическое определение информации 38

3.4 Энтропия и информация 41

3.5 Информация и алфавит 44

4. Кодирование символьной информации 50

4.1 Постановка задачи кодирования. Первая теорема Шеннона 50

4.2 Алфавитное неравномерное двоичное кодирование сигналами равной длительности 53

4.2.1 Неравномерный код с разделителем 54

4.2.2 Префиксное неравномерное кодирование 57

4.3 Равномерное алфавитное двоичное кодирование. Байтовый код 60

4.4 Алфавитное кодирование с неравной длительностью элементарных сигналов. Код Морзе 64

4.5 Блочное двоичное кодирование 65

5. Кодирование и представление чисел в компьютере 69

5.1 Системы счисления 69

5.2 Перевод чисел из одной системы счисления в другую 73

5.3 Перевод чисел между системами счисления с основанием 2^k 75

5.4 Формы представления вещественных чисел 77

5.5 Кодирование целых чисел в компьютере 79

5.5.1 Кодирование в компьютере целых чисел без знака 79

5.5.2 Кодирование в компьютере целых чисел со знаком 81

5.6 Кодирование в компьютере вещественных чисел 84

5.7 Двоично-десятичные коды 87

5.7.1 Код (8421) – код прямого замещения 88

5.7.2 Код с избытком (+3) 89

6. Обработка чисел в компьютере 93

6.1 Выполнение операций сложения 93

6.2 Сложение нормализованных чисел 94

6.3 Выполнение операции умножения 97

6.3.1 Общий алгоритм умножения 97

6.3.2 Особенности умножения в форме с плавающей запятой 98

6.4 Деление чисел 99

7. Кодирование графической и звуковой информации 102

7.1 Представление изображений 102

7.2 Представление звука 105

Список литературы 108

Введение

Любая наука начинается с определения круга рассматриваемых и решаемых в ней проблем теоретического и практического характера.

Далее логика развития научного знания требует построения строгого понятийного аппарата – языка, принятого в данной науке, обеспечивающего однозначную трактовку определений (понятий).

Когда определены понятия и характеризующие их величины, необходимо выяснить наличие и характер связей между ними (законы, закономерности) – в этом состоит задача любой науки.

При формулировании таких связей происходит выделение естественных или абстрактных систем и построение их моделей.

Так строится теоретический фундамент любой науки. А все прикладные (практические) аспекты и решения основываются на этом фундаменте и, таким образом, являются его следствием.

Особенность информатики как научной и учебной дисциплины состоит в том, что прикладная ее составляющая востребована многими людьми, в том числе весьма далекими от научной сферы. Такую ситуацию не следует считать неправильной или нежелательной, – напротив! Успехи информатики и технологий привели к созданию устройства – компьютера, а также удобного программного обеспечения, позволяющего работать с ним в режиме «черного ящика» (т.е. решать задачи, не вникая в реализацию механизма решения).

Именно поэтому компьютер получил столь широкое распространение в обществе. Есть даже термин – «пользовательский уровень владения компьютером».

По-видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что многие пособия по информатике ограничиваются лишь рассмотрением элементов устройства ПК и его программного обеспечения.

В данном учебном пособии будет уделено большее внимание именно теоретическим основам информатики, понятийному аппарату, логике развития, взаимосвязи и взаимообусловленности понятий.

1. Предмет информатики

1.1 Роль информации в современном обществе

По современным представлениям информация является одной из исходных категорий мироздания наряду с материей и энергией. Эти категории взаимосвязаны между собой.

Примеры природных явлений, в которых проявляются эти связи:

• передача наследственных признаков в живой природе посредством информации, заключенной в молекулах ДНК;

• условные и безусловные рефлексы – информация, которая появилась и сохраняется в мозге животного благодаря материальным и энергетическим воздействиям внешней среды;

• фазовый переход из кристаллического состояния твердого тела в жидкое – наряду с материальными преобразованиями и энергетическими затратами происходит потеря информации (относительное расположение атомов).

Примеры связей в обществе людей:

• подготовка новых членов общества – образование – информационный про­цесс, требующий как материального, так и энергетического обеспечения;

• любое производство – включает материальные составляющие (исходные материалы), энергетические ресурсы по их переработке и информационное обеспечение в виде описания технологий;

• управление в любой сфере – выработка решений на основе имеющейся информации, которые могут иметь конкретные материальные и энергетические проявления.

Какая из перечисленных категорий важнее для человека? Такая постановка вопроса кажется бессмысленной, поскольку всегда можно привести множество конкретных примеров приоритетности каждой из этих категорий в конкретной ситуации.

Вместе с тем прогресс человечества неизбежно влечет увеличение общего объема информации, которой оно располагает. Причем объем этот растет с течением времени гораздо быстрее, чем население Земли и его материальные потребности. Таким образом, можно утверждать, что значимость информации по отношению к остальным категориям – возрастает.

Именно по этой причине дальнейшее развитие человечества связывают с построением и переходом к новой формации – информационному сообществу. Информационное общество имеет следующие основные признаки:

1. информация становится важнейшим стратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре;

2. большинство работающих в информационном обществе (около 80%) занято в информационной сфере, т.е. сфере производства информации и информационных услуг;

3. обеспечены техническая, технологическая и правовая возможности доступа любому члену общества практически в любой точке территории и в приемлемое время к нужной ему информации.

Для информационного общества характерно обеспечение требуемой степени информированности всех его членов, возрастание объема и уровня информационных услуг, предоставляемых пользователю. Информационное общество в теоретическом аспекте характеризуется высокоразвитой информационной сферой (инфосферой), которая включает деятельность человека по созданию, переработке, хранению, передаче и накоплению информации.

В соответствии с учением И.В.Вернадского о ноосфере, инфосферу можно рассматривать как третий после техносферы и энергосферы этап преобразования биосферы в ноосферу – сферу разума. Можно утверждать, что у человечества нет другой альтернативы, которая бы позволила не только сохранить человека как биологический вид, но и обеспечить возможность дальнейшего поступательного развития общества.

Информатизация – необходимое условие научно-технического, социального, экономического и политического прогресса в обществе.

Научным фундаментом процесса информатизации общества является новая научная дисциплина – информатика.