На что опирается теоретическая информатика

Теоретическая информатика

Содержание

§ 1. Введение в информатику. 2

§ 2. Структура информатики. 3

§ 3. Теоретическая информатика. 6

§ 5. Программирование. 10

§ 6. Искусственный интеллект. 11

§ 7. Вычислительная техника. 14

§ 8. Информационные системы.. 15

§ 9. Информатика в обществе. 16

§ 10. Информатика в природе. 17

Введение в информатику.

Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин образован путем слияния слов «информация» и «автоматика» и означает «информационная автоматика или автоматизированная переработка информации». В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (наука о компьютерной технике).

Существует множество определений информатики. Это связано, во-первых, с тем, что данная область знаний относительно новая и соответствующий понятийный аппарат не совсем устоялся. Во-вторых, это связано с многогранностью ее функций, возможностей, форм, методов.

Приведем несколько наиболее общих определений.

Определение 1. Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.

Определение 2. Информатика – область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и других средств вычислительной техники.

Определение 3. Информатика – это наука, изучающая все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации.

Наука «информатика» стала развиваться с середины ХХ века, когда появились специальные устройства – компьютеры, ориентированные на хранение и преобразование информации.

Говоря о пользователях компьютера, следует помнить о том, что существуют два их типа:

· пользователи-профессионалы, имеющие профессиональную подготовку в области информатики.

· конечные пользователи, использующие компьютер для решения своих прикладных задач.

Структура информатики.

Раскроем несколько структур (классификаций) науки «информатика».

Структура 1.

С информатикой часто связывают одно из следующих понятий: это либо отрасль производства, либо фундаментальная наука, либо прикладная дисциплина, либо совокупность определенных средств, используемых для преобразования информации. В соответствии с этим структура информатики различна в зависимости от вкладываемого содержания.

Поэтому рассмотрим данную структуру:

В состав технических средств входят компьютеры и связанные с ними периферийные устройства (мониторы, клавиатуры, принтеры и плоттеры, модемы и т.д.), линии связи, средства оргтехники и т.п., т.е. те материальные ресурсы, которые обеспечивают преобразование информации, причем главенствующую роль в этом списке играет компьютер. По своей специфике компьютер нацелен на решение очень широкого круга задач по преобразованию информации, при этом выбор конкретной задачи при использовании компьютера определяется программным средством, под управлением которого функционирует компьютер.

К программным средствам (продуктам) относятся операционные системы, интегрированные оболочки, системы программирования и проектирования программных продуктов, различные прикладные пакеты, такие, как текстовые и графические редакторы, бухгалтерские и издательские системы и т.д. Конкретное применение каждого программного продукта специфично и служит для решения определенного круга задач прикладного или системного характера.

Математические методы, модели и алгоритмы являются тем базисом, который положен в основу проектирования и изготовления любого программного или технического средства в силу их исключительной сложности и, как следствие, невозможности умозрительного подхода к созданию.

Перечисленные выше три ресурсных компонента информатики играют разную роль в процессе информатизации общества.

Так, совокупность программных и технических средств, имеющихся в том или ином обществе, и позволяет сделать его информационным, когда каждый член общества имеет возможность получить практически любую (исключая, естественно, секретную) интересующую его информацию (такие потребители информации называются конечными пользователями).

В то же время, сложность технических и программных систем заставляет использовать имеющиеся технические и программные продукты, а также нужные методы, модели и алгоритмы для проектирования и производства новых и совершенствования старых технических и программных систем. В этом случае можно сказать, что средства преобразования информации используются для производства себе подобных. Тогда их пользователем является специалист в области информатики, а не конечный пользователь.

Разработкой абстрактных методов, моделей и алгоритмов, а также связанных с ними математических теорий занимается фундаментальная наука. Ее прерогативой является исследование процессов преобразования информации и на основе этих исследований разработка соответствующих теорий, моделей, методов и алгоритмов, которые затем применяются на практике.

Практическое использование результатов исследований информатики как фундаментальной науки воплощается в информатике – отрасли производства. В самом деле, широко известны западные фирмы по производству программных продуктов, такие как Microsoft, Lotus, Borland, и технических средств – IBM, Apple, Intel, Hewlett Packard и другие. Помимо производства самих технических и программных средств разрабатываются также и технологии преобразования информации.

Подготовкой специалистов в области преобразования информации занимается информатика как прикладная дисциплина. Она изучает закономерности протекания информационных процессов в конкретных областях и методологии разработки конкретных информационных систем и технологий.

Таким образом, главная функция информатики состоит в разработке методов и средств преобразования информации с использованием компьютера, а также в применении их при организации технологического процесса преобразования информации.

Выполняя свою функцию, информатика решает следующие задачи:

· исследует информационные процессы в социальных системах;

· разрабатывает информационную технику и создает новейшие технологии преобразования информации на основе результатов, полученных в ходе исследования информационных процессов;

· решает научные и инженерные проблемы создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах человеческой деятельности.

В рамках прикладной дисциплины информатики изучаются следующие вопросы:

· понятие информации, ее свойства, измерение информации, использование в управлении;

· способы кодирования информации;

· понятие и составные части информационных процессов;

· организация технических устройств преобразования информации, в частности компьютера;

· структура и методология проектирования программного обеспечения.

Структура 2.

Когда речь идет о науках такого масштаба, как физика, химия, биология, трудно говорить о единой науке. По сути, под этими названиями скрываются целые конгломераты[1] наук, объединенные общим объектом исследования. Если сравнивать, например, ядерную физику, физику высоких температур, биофизику или статистическую физику, то легко обнаружить, что, не смотря на существование пограничных областей и взаимопроникновение методов и идей, каждое из этих направлений существует как самостоятельная наука. Аналогичная структура и у информатики. Под этим понятием объединяют ряд научных направлений, исследующих разные стороны одного и того же объекта – информации.

Как и другие науки, которые принято делить на теоретические и прикладные, информатика тоже состоит из них. Но такая структуризация информатики не слишком удобна, ибо в один раздел попадают научные направления, значительно отличающиеся друг от друга и взглядом на информацию, и теми методами, которые в них имеются. Поэтому мы примем другое деление информатики на основе направления. Оно опирается на внутреннее единство решаемых в них задач и подходов к пониманию сущности информации.

Рассмотрим эту классификацию подробнее.

Теоретическая информатика

Теоретическая информатика – это математическая дисциплина. Она использует методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации, создает тот теоретический фундамент, на котором строится всё здание информатики.

По своей природе информация тяготит к дискретному представлению. Множество информационных сообщений, как правило, можно описывать в виде дискретного множества. А значит, по своему характеру, теоретическая информатика близка к дискретной математике[2] (раздел математики, занимающийся изучением свойств объектов конечного характера), изучающей объекты именно такого типа. Поэтому многие модели теоретической информатики заимствованы из дискретной математики. Но, как правило, эти модели наполнены конкретным содержанием, связанной со спецификой информации – того объекта, который интересует информатиков.

Теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разделить на 5 классов.

Источник

На что опирается теоретическая информатика

Теоретическая информатика — математическая дисциплина использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации.

Сама теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разделить на пять классов:

A. К первому классу относятся дисциплины, опирающиеся на математическую логику. В них разрабатываются методы, позволяющие использовать достижения логики для анализа процессов переработки информации с помощью компьютеров (теория алгоритмов, теория параллельных вычислений), а также методы, с помощью которых можно на основе моделей логического типа изучать процессы, протекающие в самом компьютере во время вычислений (теория автоматов, теория сетей Петри).

B. Компьютеры, как известно, оперируют с числами, т. е. с информацией, представленной в дискретной форме. А сами процедуры, реализуемые компьютером, есть алгоритмы, описанные в виде программ. Чтобы составить программу, необходимо разработать специальные приемы решения задач. Раньше математики не заботились о возможности перевода своих методов решения задач в такую форму, которая допускает программирование, т. е. перевод в программы, реализуемые на вычислительной машине. В результате развития устройств, автоматизирующих вычисления, появились современные компьютеры, и это стимулировало развитие в математике специальных приемов и методов решения задач. Так возникли дисциплины, лежащие на границе между дискретной математикой и теоретической информатикой. Это вычислительная математика и вычислительная геометрия. Слово «вычислительная» подчеркивает, что эти науки направлены на создание методов, ориентированных на реализацию в компьютерах.

C. Специально изучением информации как таковой (т. е. в виде абстрактного объекта, лишенного конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих ее рождением, развитием и уничтожением, занимается теория информации. К этой науке близко примыкает теория кодирования, в задачу которой входит изучение тех форм, в которые может быть «отлито» содержание любой конкретной информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний и т. п.). В теории информации имеется раздел, специально занимающийся теоретическими вопросами передачи информации по различным каналам связи.

D. Информатика имеет дело с реальными и абстрактными объектами. Информация, циркулируя в реальном виде, овеществляется в различных физических процессах, но в информатике она выступает как некоторая абстракция. Такой переход вызывает необходимость использования в компьютерах специальных абстрактных (формализованных) моделей той физической среды, в которой «живет» информация в реальном мире. Другими словами, вместо реальных объектов в компьютерах надо использовать их модели. Переход от реальных объектов к моделям, которые можно использовать для изучения и реализации в компьютерах, требует развития особых приемов. Их изучением занимается системный анализ — наука, возникшая чуть более трех десятилетий назад. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и дает способы их формализованного описания.

Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых позиций. Системный анализ занимает пограничное положение между теоретической информатикой и кибернетикой. Такое же пограничное положение занимают еще две дисциплины. Имитационное моделирование — одна из них. В этой науке создаются и используются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в вычислительных машинах. Вторая наука — теория массового обслуживания изучает специальный, но весьма широкий класс моделей передачи и переработки информации, так называемые системы массового обслуживания.

E. Последний класс дисциплин, входящих в теоретическую информатику, ориентирован на использование информации для принятия решений в самых различных ситуациях, встречающихся в окружающем нас мире. Сюда, прежде всего, входит теория принятия решений, изучающая общие схемы, используемые людьми при выборе нужного им решения из множества альтернативных возможностей. Такой выбор часто происходит в условиях конфликта или противоборства. Модели такого типа изучаются в теории игр. Всегда хочется среди всех возможных решений выбрать наилучшее или близкое к такому. Проблемы, возникающие при решении этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование(не путать с программированием для компьютеров, слово «программирование» здесь употребляется в ином смысле). При организации поведения, ведущего к нужной цели, принимать решения приходится многократно. Поэтому выбор отдельных решений должен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их использованием для достижения поставленных целей занимается еще одна научная дисциплина — исследование операций. В этой же науке изучаются и способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то возникает немало специфических ситуаций: образование партий, коалиций, появление соглашений и компромиссов. Эти проблемы частично изучаются в уже упомянутой теории игр, но в последнее время активно развивается новая дисциплина — теория коллективного поведения, для которой задачи коллективного принятия решений — предмет специального изучения.

Кибернетика.

Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом (станком, промышленной установкой, автомобилем и т. п.) до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей.

Эта гипотеза не выдержала проверку временем, но накопленные в кибернетике сведения о самых разных системах управления, общие принципы, которые частично всетаки удалось обнаружить, замена узкопрофессиональной точки зрения специалиста в данной области на взгляд с позиции общности внешне разнородных объектов и систем принесли большую пользу. Перенос идей и моделей из одних областей в другие, общение между собой специалистов разного профиля на некотором едином языке кибернетики сделали свое дело. Появились кибернетические по своему духу модели в науках, доселе не знавших точных методов и расчетов. Кибернетика сыграла большую роль в возникновении структурной лингвистики, в недрах которой активно развиваются математическая лингвистика и прикладная лингвистика. Возникли научные направления, получившие характерные названия: химическая кибернетика, юридическая кибернетика, техническая кибернетика и т. п. Все эти «кибернетики» изучают использование информации при управлении в том классе систем, который изучает соответствующая наука. А общая методология и ряд общих положений помогают получать в этом направлении теоретически и практически значимые результаты.

Наиболее активно развивается техническая кибернетика. В ее состав входит теория автоматического управления, которая стала теоретическим фундаментом автоматики. Трудно переоценить важность исследований в этой области. Без них невозможны были бы достижения в области приборостроения, станкостроения, атомной энергетики да, пожалуй, всех тех систем управления промышленными процессами и научными исследованиями, которые составляют значительную часть среды обитания человека. С теорией автоматического управления связана техническая диагностика, в задачи которой входит контроль за функционированием систем и поиск повреждений в них. Заметное место в кибернетике занимает распознавание образов. Основная задача этой дисциплины — поиск решающих правил, с помощью которых можно было бы классифицировать многочисленные явления реальности, соотносить их с некоторыми эталонными классами. Распознавание образов — это пограничная наука между кибернетикой и искусственным интеллектом, ибо поиск решающих правил чаще всего осуществляется путем обучения, а обучение, конечно, интеллектуальная процедура. В кибернетике выделяется даже специальная область исследований, получившая название обучение на примерах.

Еще одно научное направление тесно связывает кибернетику с биологией. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых. Насколько принципы работы живых систем могут быть использованы в искусственных объектах? Что можно заимствовать у талантливого конструктора живых систем — Природы? Ответы на эти вопросы ищет бионика — пограничная наука между кибернетикой и биологией. Нейрокибернетика, как показывает ее название, пытается применить кибернетические модели в изучении структуры и действия нервных тканей.Кибернетика, как уже говорилось, больше всего интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких системах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчивость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность — характерное свойство не только живых, но и целесообразных искусственных систем.

Упоминавшаяся уже теория автоматического управления в своей значительной части есть наука о достижении устойчивых состояний и способах их сохранения.Особенно сложен случай, когда равновесие достигается путем
взаимодействия многих систем, соперничающих и даже конфликтующих между собой. Модели такого типа рассматриваются в теории игр или в системах взаимодействующих устройств различного типа (Коллективное поведение автоматов). Общие модели такого типа рассматриваются в гомеостатике — недавно возникшей и еще находящейся в стадии оформления науке.

Программирование.

В начальный период своего развития программирование не имело под собой прочной теоретической базы и напоминало труд ремесленников высшей квалификации, когда качество работы определяется не знаниями, а профессиональным умением. Но с накоплением опыта программирования нащупывались общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компьютеров и в самих процедурах программирования. Это повлекло за собой постепенное создание теоретического программирования, в котором сейчас можно выделить несколько направлений. Одно из них связано с созданием разнообразных языков программирования, предназначенных для облегчения взаимодействия человека с вычислительной машиной и
информационными системами. Кроме разработки языка, на котором пользователь записывает программы, необходимы еще специальные средства, обеспечивающие автоматический перевод записи программы на некотором языке программирования в форму, воспринимаемую устройствами компьютера. Этот перевод осуществляется специальными программными системами — трансляторами, разработка которых, как и создание языков программирования и решение еще целого ряда задач, связанных с обеспечением взаимодействия пользователя и машины, есть поле деятельности системных программистов. (Системное программирование — особая отрасль, в которой трудятся профессионалы высокого уровня, создающие программный продукт, тиражируемый вместе с математическим обеспечением).

Другая область деятельности системных программистов — создание операционных систем, без которых не может функционировать никакая вычислительная машина. Программисты такого профиля работают, как правило, на тех фирмах и в тех организациях, где производятся или разрабатываются компьютеры.Тенденцией последних десятилетий стал переход от отдельных вычислительных машин к объединениям многих разнотипных машин в единую сеть сбора, обработки и передачи данных. Такая сеть напоминает развитую сеть связи. Она содержит в себе специальные каналы и сопутствующие им устройства для организации обмена данными между машинами. Для того чтобы различные компьютеры «понимали» сообщения друг друга, нужны специальные языки, записи на которых одинаково понятны всем абонентам сети. Такие языки называются протоколами связи. Разработкой протоколов также занимаются системные программисты.

Кроме системного выделяют проблемно-ориентированное программирование. Специалисты, работающие в этой сфере, создают пользовательские программы, нацеленные на решение задач в той или иной области человеческой деятельности, например для решения задач из области аэромеханики, банковских задач, задач медицинской диагностики и т. п. Эти же программисты создают специальные пакеты прикладных программ — удобное средство для пользователя, работающего в фиксированной проблемной области. Наконец, большой отряд программистов связан с созданием программ для разного рода информационных систем, например для банков данных.

Искусственный интеллект.

Искусственный интеллект тесно связан с теоретической информатикой, откуда он заимствовал многие модели и методы, например активное использование логических средств для преобразования знаний. Столь же прочны связи этого направления с кибернетикой. Математическая и прикладная лингвистика, нейрокибернетика и гомеостатика теснейшим образом связаны с развитием искусственного интеллекта. И конечно, работы в области создания интеллектуальных систем (чем, собственно, и занимаются специалисты, работающие в области искусственного интеллекта) немыслимы без развитых систем программирования. Последняя связь столь тесна, что бытует даже мнение, что работы в области проектирования и создания интеллектуальных систем есть новая ступень работ в области программирования.

Основная цель работ в области искусственного интеллекта — стремление проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению навыками, знаниями и умениями. Для этого необходимо раскрыть те глубинные механизмы, с помощью которых человек способен научиться практически любому виду
деятельности. Если суть этих механизмов будет разгадана, то есть надежда реализовать их подобие в искусственных системах, т. е. сделать их по-настоящему интеллектуальными. Такая цель исследований в области искусственного интеллекта тесно связывает их с достижениями психологии — науки, одной из задач которой является изучение интеллекта человека. В психологии сейчас активно развивается особое направление — когнитивная психология, исследования в котором направлены на раскрытие тех закономерностей и механизмов, которые интересуют специалистов в области искусственного интеллекта.

Создателей интеллектуальных систем интересует не только проблема автоматизации способности к рассуждениям и умозаключениям, т. е. моделирование рассуждений, но и способности к восприятию окружающего мира, которой весьма успешно пользуются живые существа (и конечно, люди). Поэтому кроме достижений когнитивной психологии в работах по искусственному интеллекту используются и результаты, полученные в психологии восприятия информации разного типа. Кроме психологических исследований, в сферу интересов специалистов в области искусственного интеллекта входят те лингвистические исследования, которые тесно связаны с психологией. Эту пограничную область активно исследует психолингвистика. Ее результаты касаются моделирования общения не только с помощью естественного языка, но и с использованием иных средств (жестов, мимики, интонации и т. п.).Математическая и прикладная лингвистика также тесно взаимодействуют с исследованиями в области искусственных систем общения на естественном языке.

Компьютерная лингвистика — еще одно из лингвистических направлений, с которым тесно смыкаются интересы искусственного интеллекта. Существует много способов описать и представить разнообразные знания о мире. И естественный язык лишь один из них. Восприятию информации посвящена отдельная область исследований. Еще один пример — язык математики, способный выразить своими средствами многие законы и закономерности окружающего нас мира. Существует специальная наука, называемая семиотикой, которая изучает общие свойства различных систем, способных описывать явления окружающего мира и его законы. Понятно, что к семиотике специалисты по искусственному интеллекту проявляют не меньший интерес, чем к психологии или лингвистике.

И конечно, достижения математической логики вносят свой весомый вклад в развитие наших представлений о человеческом интеллекте и о возможных путях формализации человеческих рассуждений.Искусственный интеллект — наука не чисто теоретическая. Она занимается и прикладными вопросами, связанными с построением реально действующих интеллектуальных систем, например роботов. Но робототехника — наука о роботах — не исчерпывает всех типов интеллектуальных систем. Например, экспертные системы гораздо менее известны, чем роботы, но они активно входят в нашу жизнь.

Информационные системы.

A. Анализ и прогнозирование потоков разнообразной информации, перемещающихся в обществе. Изучаются потоки документов с целью их минимизации, стандартизации и приспособления для эффективной обработки на вычислительных машинах, а также особенности потоков информации, протекающей через журналы, газеты, радиоканалы, телевизионные каналы и другие каналы распространения информации. Оценивается влияние распространяемой информации на научно-технический прогресс и состояние общества.

B. Исследование способов представления и хранения информации, создание специальных языков для формального описания информации различной природы, разработка специальных приемов сжатия и кодирования информации, аннотирования объемных документов и реферирования их. В рамках этого направления развиваются работы по созданию банков данных большого объема, хранящих информацию из различных областей знаний в форме, доступной для вычислительных машин.

C. Построение различных процедур и технических средств для их реализации, с помощью которых можно автоматизировать процесс извлечения информации из документов, не предназначенных для вычислительных машин, а ориентированных на восприятие их человеком: Эти исследования тесно связаны с проблемой извлечения смысла (содержания) тех или иных документов при вводе их в банки данных и другие информационные хранилища, ориентированные на компьютеры.

D. Создание информационно-поисковых систем, способных воспринимать запросы к информационным хранилищам, сформулированные на естественном человеческом языке, а также специальных языках запросов для систем такого типа.

E. Создание сетей хранения, обработки и передачи информации, в состав которых входят информационные банки данных, терминалы, обрабатывающие центры и средства связи.

Перечисленные задачи показывают, что работы в области информационных систем опираются, с одной стороны, на исследования в прикладной лингвистике, которая создает языки для записи информации и поиска ответов в информационных массивах по поступающим запросам, а с другой стороны, на теорию информации, поставляющую модели и методы, которые используются при организации циркуляции информации в каналах передачи данных.

Вычислительная техника.

Эффективное использование компьютеров невозможно без знания их архитектуры и принципов функционирования. Они не работают вне специально созданных для них операционных систем, тестирующих программ, трансляторов — всего того программного обеспечения, которое составляет программную среду, в которой «существует» вычислительная машина. Это означает, что само развитие вычислительной техники невозможно без использования результатов, полученных в программировании, искусственном интеллекте и других разделах, составляющих информатику. Даже проектирование современных вычислительных машин и разработка их элементной базы требуют специальных систем автоматизированного проектирования, созданием которых занимаются специалисты, работающие в области информатики.

Кроме того, как мы говорили, для любой вычислительной машины надо создать операционную систему, обеспечивающую функционирование машины. А этим также занимаются люди, работающие в области информатики.Большое влияние на развитие новых структур вычислительных машин оказали работы в области искусственного интеллекта. В результате компьютеры новых поколений становятся куда более интеллектуальными, чем их предки. Они обладают возможностью общаться с пользователем на языке, максимально приближенном к обычному разговорному языку, они не требуют подробного написания программ решения задач из данной проблемной области, а составляют ее сами на основе задания и знаний о решениях задач в этой области, которые хранятся в базах знаний этих машин.Такое взаимопроникновение методов, характерных для этих двух областей, позволяет рассматривать значительную часть исследований в области вычислительной техники применительно к работам, проводимым в информатике.

Источник

• ← Как понять по матке что беременность наступила
• Не лезет еда с похмелья что делать →