Как информатика связана с другими науками
Связь информатики с другими науками
Ядро современной информатики образуют три составные части, каждая из которых может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина.
Теоретическая информатика — часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов, разработкой общих принципов построения информационной техники и технологии.
Связь информатики с другими науками:
· Философия и психология: Учение об информации и теории познания
· Математика: Теория математического моделирования; Дискретная математика; Математическая логика; Теория алгоритмов
· Лингвистика: Учение о формальных языках и знаковых системах
· Кибернетика: Теория информации и теория управления
· Физика, химия, электроника и радиотехника: Все аспекты разработки и создания аппаратных средств информатизации
Структура информатики и ее связь с другими науками
Структура современной информатики включает три составные части, каждая из которых может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина.
Теоретическая информатика— часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов, разработкой общих принципов построения информационной техники и технологии. Она основана на использовании математических методов и включает в себя такие основные математические разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и др.
Средства информатизации(технические и программные) — раздел, занимающийся изучением общих принципов построения вычислительных устройств и систем обработки и передачи данных, а также вопросов, связанных с разработкой систем программного обеспечения.
Информационные системы и технологии —раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации, их оптимизации, структурированию в различных сложных системах, разработкой принципов реализации в данных системах информационных процессов.
Иногда информационные технологии называют компьютерными технологиями или прикладной информатикой. Само слово «компьютер» произошло от английского computer, переводимого на русский язык как «вычислитель», или электронная вычислительная машина — ЭВМ.
Технические (аппаратные) средства, или аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом hardware, которое переводится как «твердые изделия». Для обозначения программных средств, под которыми понимается совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их созданию и применению, используется слово software (в переводе — «мягкие изделия»), которое подчеркивает способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться и развиваться.
Фундаментальная наука -— наука, изучающая объективные законы природы и общества, осуществляющая теоретическую систематизацию знаний о действительности.
К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности.
Как комплексная научная дисциплина информатика связана:
• с философией и психологией — через учение об информации и теорию познания;
• математикой — через теорию математического моделирования, дискретную математику, математическую логику и теорию алгоритмов;
• лингвистикой — через учение о формальных языках и знаковых системах;
• кибернетикой — через теорию информации и теорию управления;
• физикой и химией, электроникой и радиотехникой — через «материальную» часть компьютера и информационных систем.
Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. Она является научным фундаментом процесса информатизации общества. С ней связано прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий, которые приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: в производстве, науке, образовании, медицине и г. д.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
СВЯЗЬ ИНФОРМАТИКИ С ДРУГИМИ НАУКАМИ
В современном мире роль информатики, средств обработки, передачи, накопления информации неизмеримо возросла. Информатика является прикладной наукой, обслуживающей технику, производство, другие виды человеческой деятельности путём создания и передачи в общество информационных технологий, то есть технических устройств и методов эффективной обработки информации, организации коммуникации и создания средств распространения научной информации, разработки информационных систем различного назначения на основе применения ЭВМ и др. технических средств. Информатика изучает вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Информатика расширяет сферу чувственного восприятия исследуемых объектов, изображая их на экране дисплея в виде схем, графики, таблиц, наглядного образа, что создает благоприятный для восприятия психологический климат. Эти образы информатика связывает с абстрактными представлениями, что является своеобразной формой восхождения от абстрактного к конкретному.
Информатика и естественные науки [1]. По определению А.П.Ершова, информатика – «фундаментальная естественная наука». Академик Б.Н.Наумов определял информатику, «как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)».
Рассмотрим, что такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности (например, математика и философия). В этом же ряду и информатика, так как понятия “информация”, “процессы обработки информации”, несомненно, имеют общенаучную значимость. Естественные науки – физика, химия, биология и другие – имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы – искусственных, биологических, общественных.
Появление информационной техники оказало столь существенное влияние на научные исследования, что часто говорят о качественно новом этапе в развитии науки. Информационная техника показала свою эффективность при работе с системами, поведение которых определяется законами механики, физики, химии. Так, компьютерная генетика занимается расшифровкой структур ДНК с помощью компьютеров, компьютерный синтез успешно решает задачи синтеза необходимых химических элементов. Открылись возможности широкого использования математических методов для построения математических моделей химических реакций, обработки результатов экспериментальных исследований в реальном режиме времени, поиска оптимальных условий проведения технологических процессов. Экспертные системы используются для обоснования выбора методов расчета равновесия в системах «пар – жидкость», методов термодинамических расчетов, анализа связей между структурой химических соединений и их биологической активностью. Компьютеры все больше становятся составной частью оборудования химических научно–исследовательских лабораторий. Они используются для проведения большого объема вычислений при квантово–химических расчетах, обработке результатов ренгтеноструктурного анализа, описания сложных химических реакций, расчета концентраций веществ, входящих в состав различных смесей.
К числу перспективных направлений относятся, в частности, «машины прогнозирования» – алгоритмы, которые позволят компьютерам строить прогнозы, опираясь на сложные данные и «кодификацию», то есть способность создавать программы на основе биологических процессов.
В теоретической физике как научной отрасли имеется достаточное количество гипотез, в т. ч. и относительно новых, часть из которых уже является доказанными, другими словами, ставшими теориями.
Одной из физических теорий является и теория Б. Хайма, получившая развитие в середине XX века. Одним из её постулатов является то, что мы живём не в привычном нам четырёхмерном мире (обычное трёхмерное пространство + измерение времени), но в двенадцатимерном. Из этих двенадцати измерений четыре – те же самые привычные нам, но среди них имеются и ещё два чисто информационных. Таким образом, данная теория декларирует, что информация становится отныне физической величиной, обладает определённой энергией. Оперируя понятием «информация» и исследуя его на первичном уровне, информатика подтверждает свой статус естественной науки.
Компьютерная химия [2] – сравнительно молодая область химии, основанная на применении теории графов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера. Исходя из общего определения химии, как науки о веществах и превращениях их в друг друга, можно сказать, что вещества (молекулы) моделируются в компьютерной химии молекулярными графами, а превращения веществ (химические реакции) – формальными операциями с графами. Методы компьютерной химии часто используются в сочетании с методами квантовой химии, молекулярной механики и др.
Информатика и гуманитарные науки [3]. В гуманитарных науках исследователь имеет дело со сложными системами, с вероятностным характером их поведения. Но чем более сложна система, тем труднее её точное описание, нужное для формализации знаний об этой системе для последующего его ввода в компьютер. Описание таких систем требуют более сложных методов, таких как методы теории вероятностей, математической статистики, теории принятия решений, теории игр, вариантов эвристики. Знаниями таких методов гуманитарии, мягко говоря, не всегда располагают. На помощь гуманитариям должны прийти математики, программисты и лингвисты для разработки новых методов, учитывающих неопределенности социальных явлений. Сейчас средства компьютерной графики позволяют визуально представить большие объемы научной информации. Компьютеры все шире применяются в экономической, исторической, лингвистической социологической областях знания, входя в состав информационных систем типа Интернет, которые содержат огромный объем научной информации.
Информатика не только участвует во взаимодействии наук, в выработке общенаучного языка, но сама, вступая, как самостоятельная область научного знания во взаимодействие с другими науками, порождает новые области научного знания – информационную психологию, мехатронику, информационную экономику, социальную информатику и др.
Сегодня активно развивается в качестве самостоятельной научной дисциплины информационная (компьютерная) психология. Она нацелена на анализ страха человека перед стремительно совершенствующейся информационной техникой, ростом и усложнением информационных потоков; болезни человека, отдающего приоритет общению с компьютером, а не с людьми; утомляемости людей при работе на компьютере («киберболезни»).
В будущем процесс информатизации будет все сильнее влиять на социальную жизнь, что является объективной основой синтеза наук об информации с науками об обществе [4]. Именно на этой основе ныне возникла социальная информатика, предмет которой – информационные ресурсы, информационный потенциал общества, прохождение информационных процессов в обществе, их воздействие на социальные процессы, в том числе на развитие и положение человека в обществе, на изменение социальных структур общества под воздействием информатизации, а так же методология их социального использования. Социальная информатика возникла на стыке информатики, социологии, психологии, философии.
Союз истории и информатики уже доказал в последнее десятилетие свою состоятельность [5]. Сегодня уже практически ни у кого не вызывает сомнений необходимость перехода на новый этап более глубокого интегрирования возможностей информатики в исторические исследования. Развитие источниковедения на этом пути, подкрепленное микрокомпьютерной революцией, привело к созданию новой научной дисциплины – исторической информатики. Для многих историков он стал реальным рабочим инструментом научной, в еще большей степени научно–организационной работы. Наличие многочисленных электронных ресурсов и средств телекоммуникации сделало компьютер важным инструментом доступа к исторической информации и историческим знаниям. Мультимедийные технологии давно стали привычным средством представления источников и результатов исторического исследования.
Появление компьютерных технологий высокого уровня привело к формированию компьютерного картографирования, на возможности которого в последние годы исследователями обращается все большее внимание [6]. Следствием этого и стало складывание новой ветви прикладной исторической информатики – исторической компьютерной картографии (исторической геоинформатики). Основная идея пространственного анализа, воплощенного в технике компьютерного картографирования, заключается в акцентировании внимания прежде всего на пространственных координатах того или иного исторического события или процесса, на изучении его пространственной локализации и развития.
На стыке философии, информатики, кибернетики, синергетики, социологии и экономики формируется такая интегральная область научного знания, как информационная теория общественного развития, в рамках которой центральное место занимает информационная экономика. С точки зрения последней законы организации и развития экономических систем обусловлены законами информатики. Информационная экономика в качестве важнейшей задачи выдвигает исследование новой роли и места человека в информационном обществе, которое обусловлено повышением его значимости как субъекта производства и главной творческой силы, анализ, отбор и использование целесообразной информации в системе современной рыночной экономики.
Информатика и технические науки. Отдельной наукой информатика была признана лишь в 1970–х; до этого она развивалась в составе математики, электроники и других технических наук. Информатика не только порождает новые научные направления и новые науки, но оказывает огромное влияние на состав и структуру традиционных областей научного знания. Так, в математике возникли такие ее новые отрасли, как вычислительная математика, линейное программирование. Получили применение отрасли математического знания, до сих пор не нашедшие своего применения, например, теория игр. В научно–исследовательских лабораториях стали применяться измерительно–вычислительные комплексы, которые способны не только быстро производить измерения и выдавать исследователю соответствующую информацию, но и осуществлять управление ходом самого эксперимента в зависимости от полученной информации. Использование компьютеров расширило область использования математики в науке, привело к математизации других наук и даже породило новые науки, такие как биоматематика, и наук, нацеленных на исследование глубокого вакуума, космоса, сложных явлений и процессов мега– и микромира.
На знаниях в области механики, информатики и некоторых отраслей техники (микропроцессорная техника, компьютерное управление движением машин и агрегатов) возникла новая довольно быстро развивающаяся техническая наука, само название которой – «мехатроника», объединяет термины «механика» и «электроника» и свидетельствует о гибридном характере той науки. Мехатроника представляет собой комплекс средств и принципов механики, информатики и электроники, который нацелен на создание и эксплуатацию машин и систем с компьютерным управлением.
В области технической информатики сформировалось и быстро развивается нейроинформатика – научное направление, связанное с исследованием и разработкой нового поколения средств информатики, основанных на использовании принципов нейронных сетей и нейросетевых алгоритмов решения плохо формулируемых задач.
Информатизация пронизывает все области человеческой деятельности и научного познания – от эмпирического до теоретического, активно участвует в интеграции различных областей науки, в возникновении новых наук. Информатизация – стимул развития и функционирования современной науки, решающий фактор её качественного преобразования, революции в науке. Возникновение новых отраслей в науке связано с темпами развития информатики и информационных технологий. Объектом приложений информатики являются самые различные науки и области практической деятельности, для которых она стала источником самых современных технологий, называемых часто «новые информационные технологии».
Джереми Кирк. Естественным наукам нужна информатика // Computerworld. – 2006. – № 26.
Искусственный интеллект: применение в химии / Под ред. Т.Пирса, Б. Хони. – М.: Мир, 1988. – 430 с.
Демкин В.П., Можаева Г.В. Гуманитарная информатика или информатика для гуманитариев: постановка проблемы // Информационный бюллетень Ассоциации «История и компьютер». – 2002. – № 29.
Социальная информатика: основания, методы, перспективы / Отв. ред. Н.И. Лапин. М.: 2003.– 216 с.
Ковальченко И.Д. Методы исторического исследования. – М.: Наука, 2003. – 40 с.
Берлянт А.М. Картографический метод исследования. – М.: Изд–во МГУ, 1988 – 216 с.
Информатика. Ответы на билеты. Предмет информатики, ее связь с другими
Информатизация – это системный, междисциплинарный процесс внедрения достижений методов информатики и новых информационных технологий в общественную жизнь, в научно-технические, социально–экономические, правовые и другие институты государства с целью повышения их эффективности, всестороннего развития личности.
Правовые основы информатизации – правовые нормы и законы, регулирующие актуализацию информации и информационных систем, технологий.
В процессе информатизации общества необходимо:
создать алгоритмическую и техническую базу;
создать индустрию информационных потоков, технологий;
подготовить системы информатизации и совершенствования управления;
обеспечить информационную безопасность и правовое обеспечение;
воспитать информационно грамотных членов общества.
Нужно учитывать регулятивная функция права, воздействие ее на информатизацию.
Нужно учитывать трансформирующая роль информатизации, воздействие ее на правовую систему.
Информатизация правовых систем направлена, в основном, на правотворческую, правоприменительную и правоохранительную деятельность.
Передаваемость информации с помощью каналов связи (в том числе с помехами) хорошо исследована в рамках теории информации К. Шеннона. В данном случае имеется ввиду несколько иной аспект – способность информации к копированию, т.е. к тому, что она может быть “запомнена” другой макроскопической системой и при этом останется тождественной самой себе. Очевидно, что количество информации не должно возрастать при копировании.
Воспроизводимость информации тесно связана с ее передаваемостью и не является ее независимым базовым свойством. Если передаваемость означает, что не следует считать существенными пространственные отношения между частями системы, между которыми передается информация, то воспроизводимость характеризует неиссякаемость и неистощимость информации, т.е. что при копировании информация остается тождественной самой себе.
Фундаментальное свойство информации – преобразуемость. Оно означает, что информация может менять способ и форму своего существования. Копируемость есть разновидность преобразования информации, при котором ее количество не меняется. В общем случае количество информации в процессах преобразования меняется, но возрастать не может. Свойство стираемости информации также не является независимым. Оно связано с таким преобразованием информации (передачей), при котором ее количество уменьшается и становится равным нулю.
Высшей формой информации, проявляющейся в управлении в социальных системах, являются знания. Это наддисциплинарное понятие, широко используемое в педагогике и исследованиях по искусственному интеллекту, также претендует на роль важнейшей философской категории. В философском плане познание следует рассматривать как один из функциональных аспектов управления. Такой подход открывает путь к системному пониманию генезиса процессов познания, его основ и перспектив.
H =log2 2 = 1 бит (1 двоичная единица).
Введя в формулу Р. Хартли указанные вероятностные значения (p), К. Шеннон получил новые выражения для определения количества информации. Для одного символа это выражение приобретает вид:
1.1. Закон тождества: А = А
— всякая мысль тождественна самой себе, то есть «А есть А», где А – любое высказывание.
2. Закон исключенного третьего: А V ¬А = 1
— в один и тот же момент времени высказывание может быть либо истинным, либо ложным, третьего не дано. Истинно либо А, либо не А.
3. Закон непротиворечия: ¬(¬ А ^ А) = 1
Именно эта формула часто используется при упрощении сложных логических выражений.
Иногда этот закон формулируется так: два противоречащих друг другу высказывания не могут быть одновременно истинными.
¬ ¬А = А
Сколько бы раз мы ни повторяли «на улице тепло и на улице тепло» ни на один градус теплее от этого не станет, аналогично, от повторения “телевизор включен или телевизор включен” значение высказывания не меняется.
15. А V (В V С) = (А V В) V С
16. А ^ (В ^ С) = (А ^ В) ^ С
17. А V (В^С) = (АVВ) ^ (АVС)
дизъюнкции относительно конъюнкции
18. А ^ (ВVС) = (А ^ В) V (А ^ С)
конъюнкции относительно дизъюнкции
Закон 18 аналогичен дистрибутивному закону в алгебре, а закон 17 аналога не имеет, он справедлив только в логике. Доказательство его удобнее всего провести по таблице истинности.
А B C 2 3 1 V 4 1 V 2 1 V 3 6 7 5 = 8
Отрицание одновременной истинности
Мнемоническое правило. В левой части тождества операция отрицания стоит над всем высказыванием. В правой части она как бы разрывается и отрицание стоит над каждым из простых высказываний, но одновременно меняется операция дизъюнкция на конъюнкцию и наоборот.
Операций импликации и эквивалентности иногда нет среди логических операций конкретного компьютера или транслятора с языка, а при решении задач они требуются. Существуют формулы замены данных операций с использованием только операций отрицания, дизъюнкции и конъюнкции. Так, вместо операции импликации можно использовать следующее тождественное выражение:
Для замены операции эквивалентности существует два выражения:
Знание данных формул помогает, например, правильно построить отрицание импликации.
Рассмотрим следующий пример.
Пусть дано высказывание:
Е = «Неверно, что если я выиграю конкурс, то получу приз»
Пусть А = «Я выиграю конкурс», В = » Я получу приз», тогда
Е = ¬(A → B) = ¬(¬A V B) = ¬¬A ^ ¬B = A ^ ¬B,
то есть Е = «Возможно, что я выиграю конкурс, но приз не получу».
Интерес представляют и следующие формулы:
• Доказать их справедливость можно также с помощью таблиц истинности. Интересно их выражение в разговорном языке.
Для того, чтобы использовать какие-либо законы в практике, необходимо быть уверенным в их правильности. Доказать закон алгебры высказываний можно:
построив таблицу истинности для правой и левой части закона;
выполнив эквивалентные преобразования над правой и левой частью формулы для приведения их к одному виду;
с помощью диаграмм Эйлера-Венна;
путем правильных логических рассуждений.
При упрощении сложных высказываний используются следующие основные приемы:
по свойству констант
по закону исключенного третьего
по закону противоречия
по закону идемпотентности
В = В V В = B V B V B V B,
C = C ^ C = C ^ C ^ C ^ C
по закону двойного отрицания
Логические основы построения ЭВМ. Базовые логические элементы.
В основе обработки компьютером информации лежит алгебра логики, разработанная Дж. Булем. Было доказано, что все электронные схемы ЭВМ могут быть реализованы с помощью логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
При подаче на вход схемы сигнала низкого уровня (0) транзистор будет заперт, т.е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал высокого уровня (1). Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (1), то транзистор “откроется”, начнет пропускать электрический ток. На выходе за счет падения напряжения установится напряжение низкого уровня. Таким образом, схема преобразует сигналы одного уровня в другой, выполняя логическую функцию.
Здесь транзисторы включены параллельно друг другу. Если оба закрыты, то их общее сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический “0”). Достаточно подать сигнал высокого уровня (“1”) на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток, и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая “1”).
Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические “0”), то оба транзистора закрыты, ток через них не проходит, выходное напряжение на Rн близко к нулю.
Пусть на один из входов подано высокое напряжение (“1”). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление проходить не будет. Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов, схема не переключается и на выходе остается напряжение низкого уровня.
И лишь при одновременной подаче на входы сигналов высокого уровня (“1”) на выходе мы также получим сигнал высокого уровня.
Наряду с естественными языками были разработаны формальные языки (системы счисления, язык алгебры, языки программирования и др.). Основное отличие формальных языков от естественных состоит в наличии строгих правил грамматики и синтаксиса.
Представление информации может осуществляться с помощью языков, которые являются знаковыми системами. Каждая знаковая система строится на основе определенного алфавита и правил выполнения операций над знаками.
Представление информации происходит в различных формах в процессе восприятия окружающей среды живыми организмами и человеком, в процессах обмена информацией между человеком и человеком, человеком и компьютером, компьютером и компьютером и так далее. Преобразование информации из одной формы представления (знаковой системы) в другую называется кодированием.
Средством кодирования служит таблица соответствия знаковых систем, которая устанавливает взаимно однозначное соответствие между знаками или группами знаков двух различных знаковых систем. В дальнейшем будет приведена такая таблица, которая устанавливает соответствие между графическими изображениями знаков алфавита и их компьютерными кодами.
В компьютере для представления информации используется двоичное кодирование, так как удалось создать надежно работающие технические устройства, которые могут со стопроцентной надежностью сохранять и распознавать не более двух различных состояний (цифр):
• электромагнитные реле (замкнуто/разомкнуто), широко использовались в конструкциях первых ЭВМ;
• участок поверхности магнитного носителя информации (намагничен/размагничен);
• участок поверхности лазерного диска (отражает/не отражает);
• триггер (см. п. 3.7.3), может устойчиво находиться в одном из двух состояний, широко используется в оперативной памяти компьютера.
Информация в компьютере представлена в двоичном коде, алфавит которого состоит из двух цифр (0 и 1).
Цифры двоичного кода можно рассматривать как два равновероятных состояния (события). При записи двоичной цифры реализуется выбор одного из двух возможных состояний (одной из двух цифр) и, следовательно, она несет количество информации, равное 1 биту.
Даже сама единица измерения количества информации бит (bit) получила свое название от английского словосочетания Binary digiT (двоичная цифра).
Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации, равное одному биту.