Глава2

2.1.Теоретические основы информатики

Основными объектами изучения науки информатики являются информация и
информационные процессы. Информатика как самостоятельная наука возникла в середине XX столетия, однако научный интерес к информации и исследования в этой области появились раньше.
Информатика и ее задачи
Информатика – область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и взаимодействия со средой их применения. Сама информатика появилась с появлением персональных компьютеров. В переводе с французского языка информатика – автоматическая обработка информации.
В информатике всё жёстко ориентировано на эффективность. Вопрос, как сделать ту или иную операцию, для информатики является важным, но не основным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффективно.
Предмет информатики составляет следующие понятия:

1. аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
2. программное обеспечение средств вычислительной техники;
3. средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
4. средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Итак, в информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого было даже выдвинуто специальное понятие – интерфейс. Пользовательским интерфейсом называют методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами. Соответственно, существуют аппаратные, программные и аппаратно-программные интерфейсы.
Основной задачей информатики является систематизация приёмов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований. В составе основной задачи информатики сегодня можно выделить следующие направления для практических приложений:

1. архитектура вычислительных систем;
2. интерфейсы вычислительных систем;
3. программирование;
4. преобразование данных;
5. защита информации;
6. автоматизация;
7. стандартизация.

  На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность. Для аппаратных средств под эффективностью понимают отношение производительности оборудования к его стоимости. Для программного обеспечения под эффективностью понимают производительность лиц, работающих с ними (пользователей). В программировании под эффективностью понимают объём программного кода, создаваемого программистами в единицу времени.
СТРУКТУРА ИНФОРМАТИКИ

На рисунке представлена структура Информатики как научной и прикладной дисциплины, в которой выделено 6 научно-технических направлений:

1. Теоретическая информатика.

2. Искусственный интеллект.

3. Программирование.

4. Прикладная информатика.

5. Вычислительная техника.

6. Кибернетика. Эти разделы информатики перечислены не в порядке их важности или преемственности, а лишь учитывая удобство их расположения на рисунке. Краткая характеристика каждому направлению будет дана в указанном выше порядке.

1. Теоретическая информатика.

Теоретический раздел любой науки базируется на математических методах исследования. Это относится и к информатике. Она использует методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации, создаёт тот теоретический фундамент, на котором строится всё здание информатики.
По своей природе информация дискретна и представляется обычно в символьно-цифровом виде в текстах и точечном виде на рисунках. С учётом этого в информатике широко используется  математическая логика как раздел дискретной математики.
Следующее направление теоретической информатики - вычислительная математика, которая разрабатывает методы решения задач на компьютерах с использованием алгоритмов и программ.
Подраздел теория информации (а также теория кодирования и передачи информации) изучает информацию в виде абстрактного объекта, лишённого конкретного содержания. Здесь исследуются общие свойства информации и законы, управляющие её рождением, развитием и уничтожением. Здесь же изучаются те формы, в которые может отобразиться содержание любой конкретной элементарной единицы информации.
Системный анализ - еще одно направление теоретической информатики. В нём изучается структура реальных объектов, явлений, процессов и определяются способы их формализованного описания через информационные модели. Имитационное моделирование - один из важнейших методов компьютерного моделирования, в котором воспроизводятся процессы и явления, протекающие в реальных объектах.
Наконец, теория принятия решений изучает общие схемы выбора нужного решения из множества альтернативных возможностей. Такой выбор часто происходит в условиях конфликта или противоборства. Модели такого типа изучаются в теории игр.

2. Искусственный интеллект.

Это направление информатики - самое молодое, возникшее в середине 70-х годов. Однако именно искусственный интеллект определяет стратегические направления развития информатики. Искусственный интеллект тесно связан с теоретической информатикой, откуда он заимствовал многие модели и методы, например, 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 этой области немыслимы без развития систем программирования.
Основная цель работ в области искусственного интеллекта - стремление проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению знаниями, навыками и умениями. Для этого необходимо раскрыть те глубинные механизмы, с помощью которых человек способен научиться практически любому виду деятельности. И 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 закономерностей и механизмов, связанных с процессами познавательной деятельности человека и которые интересуют специалистов в области искусственного интеллекта.
Другое направление психологии - психолингвистика также интересует специалистов в области искусственного интеллекта. Её результаты касаются моделирования общения не только с помощью естественного языка, но и с использованием иных средств: жестов, мимики, интонации и т.п.
Кроме теоретических исследований активно развиваются и прикладные аспекты искусственного интеллекта. Например, робототехника занимается созданием технических систем, которые способны действовать в реальной среде и частично или полностью заменить человека в некоторых сферах его интеллектуальной и производственной деятельности. Такие системы получили название роботов.
Экспертная система - еще одно прикладное направление искусственного интеллекта. В отличие от других интеллектуальных систем, экспертная система имеет три главные особенности:

1 - она адаптирована для любого пользователя,

2 - она позволяет получать не только новые знания, но и профессиональные умения и навыки, связанные с данными знаниями, т.е. не только даёт знать что..., но и знать как...,

3 - она передаёт не только знания, но и пояснения и разъяснения, т.е. обладает обучающей функцией.

3. Программирование.

Программирование как научное направление возникло с появлением вычислительных машин и только программное обеспечение определяет эффективность использования ЭВМ. В настоящее время это достаточно продвинутое направление информатики. В этой области работает  значительный отряд специалистов, которые подразделяются на системных и прикладных программистов.
Системные программисты являются, как правило, специалистами очень высокого уровня и разрабатывают системное программное обеспечение, которое включает в себя операционные системы, языки программирования и трансляторы. Операционные системы обеспечивают функционирование вычислительной техники и предоставляют пользователю комфортные условия взаимодействия с компьютером.
Языки программирования создаются для  разработки прикладного программного обеспечения. Эти  языки относятся к языкам высокого уровня, мнемоника и семантика которых близка к естественному языку общения людей.
Есть ещё машинные языки, которые используются непосредственно в ЭВМ и которые состоят из последовательности машинных команд, закодированных в микропроцессорах. Для преобразования программ, написанных на языке высокого уровня. в программы на машинном языке используются специальные программы - трансляторы, которые также создаются системными программистами.
Прикладное или проблемно-ориентированное программирование ориентировано на разработку пользовательских программ для решении тех или иных задач в различных областях науки, техники, производства. Например, в образовании используются пакеты педагогических программных средств (ППС), в которые включаются обучающие и контролирующие программные средства в определённой предметной области.

4. Прикладная информатика.

Достижения современной информатики широко используются в различных областях человеческой деятельности: в научных исследованиях (АСНИ - автоматизированные системы для научных исследований), в разработке новых изделий (САПР - системы автоматизированного проектирования), в информационных системах (АИС - автоматизированные информационные системы), в управлении (АСУ - автоматические системы управления), в обучении (АОС - автоматизированные обучающие системы) и др.
5. Вычислительная техника.

6. Кибернетика.

Термин "кибернетика"( от греческого слова т.е. "кормчий") появился летом 1947 г. как результат обсуждения новой терминологии группой ученых во главе с Норбертом Винером, в течение ряда лет проводивших исследования в различных областях научных знаний (математической статистики, электросвязи, нейрофизиологии и др.), связанных с вопросами управления с помощью различного рода информационных сигналов. В следующем году Н. Винер публикует монографию под названием "КИБЕРНЕТИКА или управление и связь в животном и машине". Идея "общей теории управления" получила подкрепление с появлением компьютеров, способных единообразно решать самые разные задачи. В 40-е годы наряду с идеей об универсальности схем управления в  кибернетике  развиваются и другие идеи: идея универсальной символики, идея логического исчисления. идея измерения информации  через понятия вероятностной и статистической (термодинамической) теорий. Все эти и ряд других идей и направлений исследования так называемой "ничейной территории" между различными  сложившимися науками впоследствии станут основой кибернетики, которую в свою очередь вберёт в себя информатика после создания и развития компьютерной техники.
Наиболее активно развивается техническая кибернетика. В её 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 и других систем управления промышленными процессами и научными исследованиями.
Ведущее 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 область между кибернетикой и искусственным интеллектом, ибо поиск решающих правил чаще всего осуществляется путём обучения, а обучение, конечно, интеллектуальная процедура.
Ещё одно научное направление связывает кибернетику с биологией. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют учёных. Насколько принципы работы живых систем могут быть использованы в искусственных объектах? Ответ на этот вопрос ищет бионика - пограничная наука между кибернетикой и биологией. В свою очередь, нейрокибернетика пытается применить кибернетические модели в изучении структуры и действия нервных тканей.
Недавно возникло и ещё находится в стадии оформления научное направление кибернетики - гомеостатика, изучающая равновесные (устойчивые) состояния сложных взаимодействующих систем различного типа. Это могут быть биологические системы, социальные системы, автоматические системы и др.
Наконец, математическая лингвистика занимается исследованием особенностей естественных языков, а также моделей (формальных грамматик), позволяющих формализовать синтаксис и семантику таких языков. Это направление весьма актуально в связи с развитием систем машинного перевода текстов с одних языков на другие
Истоки и предпосылки информатики
Кроме Франции термин информатика используется в ряде стран Восточной Европы. В то же время, в большинстве стран Западной Европы и США используется другой термин – наука о средствах вычислительной техники (Computer Science).
В качестве источников информатики обычно называют две науки – документалистику и кибернетику. Документалистика сформировалась в конце XIX века в связи с бурным развитием производственных отношений. Её целью являлось повышение эффективность документооборота.
Основы близкой к информатике технической науки кибернетики были заложены трудами по математической логике американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году, а само названия происходит от греческого слова kyberneticos – искусный в управлении.
Впервые термин кибернетика ввёл французский физик Ампер в первой половине XIX века. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но которая, по его мнению, должна была существовать.
Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами – методы моделирования процесса принятия решений техническими средствами. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств
В начале XX века активно развиваются техниче­ские средства связи (телефон, телеграф, радио). В связи с этим появляется научное направление "Тео­рия связи". Его развитие породило теорию кодиро­вания и теорию информации, основателем которых был американский ученый К.Шеннон. Теория ин­формации решала проблему измерения информа­ции, передаваемой по каналам связи. Известны два подхода к измерению информации: содержатель­ный и алфавитный.
Важнейшая задача, поставленная теорией свя­зи, — борьба с потерей информации в каналах передачи данных. В ходе решения этой задачи сформировалась теория кодирования, в рамках которой изобретались способы представления ин­формации, позволяющие доносить содержание сообщения до адресата без искажения даже при наличии потерь передаваемого кода. Эти научные результаты имеют большое значение и сегодня, когда объемы информационных потоков в техни­ческих каналах связи выросли на многие порядки.
Предшественником современной информатики явилась наука "Кибернетика", основанная труда­ми Н.Винера в конце 1940-х — начале 50-х годов. В кибернетике произошло углубление понятия ин­формации, было определено место информации в системах управления в живых организмах, в об­щественных и технических системах. Кибернети­ка исследовала принципы программного управле­ния. Возникнув одновременно с появлением первых ЭВМ, кибернетика заложила научные основы
Как для их конструктивного развития, так и для многочисленных приложений