Введение

По современным представлениям информация является одной из исходных категорий мироздания наряду с материей и энергией. Эти категории взаимосвязаны между собой; усмотреть такие связи можно как в природных явлениях, так и в явлениях и процессах, порожденных человеком. Примерами природных явлений, в которых проявляются связи между материей, энергией и информацией, могут служить:

· фазовый переход из кристаллического состояния твердого тела в жидкое - в нем, наряду с материальными преобразованиями и энергетическими затратами, происходит и потеря информации относительно расположения атомов (сопровождаемая ростом энтропии);

· передача наследственных признаков в живой природе посредством информации, заключенной в молекулы ДНК, что обеспечивает, благодаря разным наборам хромосом, с одной стороны, передачу доминантных признаков данного вида животных или растений, а с другой стороны, адаптацию к изменениям внешних условий существования;

· условные и безусловные рефлексы - это информация, которая появилась и сохраняется в мозге животного благодаря материальным и энергетическим воздействиям внешней среды.

Примерами связей материя - энергия - информация в обществе людей являются:

· любое производство, включающее материальную составляющую (исходные материалы), энергетические ресурсы, необходимые для преобразования материальных объектов, а также информационное обеспечение в виде описания технологий, различной документации и пр.;

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

· управление в любой сфере состоит в выработке решений на основе имеющейся информации, которые могут иметь конкретные материальные и энергетические проявления, например падение с велосипеда или отключение электроэнергии.

Какая из трех перечисленных категорий важнее для человека? Такая постановка вопроса кажется бессмысленной, поскольку всегда можно привести множество примеров приоритетности каждой из этих категорий в конкретных ситуациях. Вместе с тем прогресс человечества неизбежно влечет увеличение общего объема информации, которым оно располагает, причем объем этот растет с течением времени гораздо быстрее, чем население земного шара 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*.

* Интересующихся этой проблемой можно адресовать к книгам К.Поппера, Ф. Хайека, Г.Громова.

Почему роль информатики и информационных компьютерных технологий обработки информации стала заметной лишь в последние несколько десятилетий? Почему информатика как самостоятельная научная дисциплина существует лишь около полувека, хотя с информационными процессами и переработкой информации человечество имело дело всегда? Для ответа на эти вопросы необходимо совершить краткий экскурс в историю, оценивая ее с точки зрения уровня развития информационных процессов. Стоит заметить, что само выделение первобытных людей из мира животных и формирование начальных обществ связано с их коммуникацией в ходе решения совместных задач - охота, борьба со стихиями и пр., т.е. с информационным обменом. В отношении коммуникации ситуация нисколько не изменилась за прошедшие с тех пор тысячелетия - и сейчас любые совместные действия, решение любой задачи, в котором участвует более одного человека, требуют обмена информацией, представленной в понятной всем участникам форме. Для характеристики информационного обеспечения исторических эпох выделим несколько параметров:

· организация передачи информации в пространстве, т.е. распространение информации с целью обеспечения доступа к ней людей (потребителей), удаленных друг от друга, в относительно небольшой временной интервал;

· организация передачи информации во времени, т.е. накопление и хранение информации в интересах будущих потребителей;

· организация обработки информации, т.е. преобразование имеющейся информации с целью ее использования для решения задач практики - управления, обучения, создания новой информации (наука и искусство) и пр.

По ходу истории человечества улучшение показателей, характеризующих уровень развития перечисленных процессов, происходило неравномерно, что повлекло возникновение и затем преодоление нескольких информационных барьеров. Информационные барьеры образовывались в результате противоречий между информационными запросами общества и техническими возможностями их обеспечения. Эти барьеры оказывались препятствием на пути прогресса общества, и потому, как и в случае барьеров материальных или энергетических, человечество всегда находило способ их преодоления. Таких информационных барьеров можно указать три.

I-й информационный барьер был преодолен приблизительно в V тысячелетии до н.э. До того времени единственным хранилищем информации был мозг человека. Передача информации была связана с механическим перемещением самого человека, и, следовательно, скорость передачи была весьма низкой, а передача ненадежной. Обработка информации также производилась человеком. Противоречие состояло в том, что человечеству требовалась возможность сохранять во времени опыт и знания, накопленные предыдущими поколениями с тем, чтобы они могли быть переданы поколениям последующим. Барьер был преодолен благодаря появлению письменности. Носителями информации стали камни, глиняные таблички, папирус, пергамент, береста, материя; позднее (во И веке н.э.) появилась бумага.

II-й информационный барьер сформировался к XV в. из-за того, что в связи с развитием производства - появлением цехов, мануфактур - возникла потребность в большом числе образованных людей, способных этим производством управлять. Противоречие состояло в том, что количество источников информации - рукописей, рукописных книг - не могло обеспечить обучение большого количества людей. Изобретение книгопечатания (т.е. тиражирования информации) в Европе в XV в. И. Гутенбергом и в XVI в. И. Федоровым позволило преодолеть данное противоречие. В то время скорость передачи информации определялась скоростью механического перемещения ее бумажного носителя. Обработка производилась человеком. Поскольку основным носителем информации являлась бумага, и именно этим определялись технологии накопления и распространения информации, по определению В. М. Глушкова это состояние можно назвать бумажной информатикой.

К началу XX в. ситуация изменилась, в первую очередь в отношении скорости распространения информации: сначала появилась почта; в XIX в. - телеграф, затем телефон; в 1905 г.- радио; в 1920-1930-е годы - телевидение. В результате этих изобретений информация практически мгновенно могла быть доставлена в любую точку земного шара. Появились и новые устройства, обеспечивавшие иные (по сравнению с бумагой) принципы записи информации для хранения - фотография, затем кино, затем магнитная запись. Без существенных изменений оставалась лишь ситуация, связанная с переработкой информации, - эту функцию по-прежнему выполнял только человек.

К III-му информационному барьеру человечество подошло во второй половине XX столетия, когда общие объемы информации, которыми оно располагало, выросли настолько, что суммарной пропускной способности человеческого мозга оказалось недостаточно для ее переработки. Прогресс человечества стал зависеть от того, удастся ли решить проблему автоматизации обработки информации. Варианты решения появились в 1945-46 гг., когда американские инженеры П. Экерт и Дж. Мочли построили первую цифровую вычислительную машину «ЭНИАК», математик Дж. фон Нейман описал принципы работы автоматических вычислительных устройств, а в 1948 г. К. Шеннон опубликовал знаменитую работу «Математическая теория связи», где изложил математические принципы кодирования и передачи информации, а также предложил метод объективного измерения количества информации -именно эти идеи и составили основу новой науки - информатики. Итак, преодоление нового информационного барьера породило необходимость создания устройств, обеспечивающих автоматизированную обработку информации, а это, в свою очередь, вызвало к жизни науку, которая определяла бы принципы работы таких устройств и общие принципы представления и преобразования информации.

Термин «информатика», обозначающий название новой науки, появился и прижился не сразу. В нашей стране в 60-е гг. XX в. вопросы, связанные с разработкой, функционированием и применением автоматизированных систем обработки информации, объединялись термином «кибернетика», хотя это было не вполне верно, поскольку, по определению Н. Винера, кибернетика - это наука о законах управления в живой и неживой природе, т.е. сфера ее интересов охватывает лишь часть (хотя обширную и важную) используемых человеком информационных процессов и систем. Более общую научную дисциплину, связанную с исследованием информации, в англоязычных странах стали называть «Computer Science» - «вычислительная наука»; во Франции же появился термин «Informatique» - «информатика» - он и был позаимствован и с середины 1970-х гг. прочно вошел сначала в научно-технический обиход, а затем стал общеизвестным и общепринятым. Однако предметную область дисциплины информатика установившейся считать нельзя. Международный конгресс по информатике 1978 г. предложил следующее определение: «Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия». Сращивание информатики со средствами телекоммуникаций, как отмечает академик В.М. Глушков [12], привело к появлению нового термина - телематика, хотя пока он не получил такого же распространения, как информатика. Для нашего рассмотрения вполне приемлемым можно считать определение академиков А.П. Ершова и Б.Н. Наумова:

Информатика - фундаментальная естественная наука, изучающая общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)

Отнесение информатики к фундаментальным наукам означает, что она имеет общенаучную значимость, т.е. ее понятия, законы и методы применимы не только в рамках самой науки, но и в иных научных и прикладных дисциплинах.

В информатике выделяются два направления - теоретическое и прикладное. Исследования в области теоретической информатики обеспечивают выявление и формулировку общих законов, касающихся информации и информационных процессов, определение принципов функционирования технических систем, связанных с информационными процессами и обработкой дискретной информации, а также построение методологии создания и использования информационных моделей. Прикладная информатика обеспечивает непосредственное создание информационных систем и программного обеспечения для них, а также их применение для решения практических задач.

Теоретическая информатика - дисциплина, использующая методы математики. Поскольку любая информация может быть представлена в дискретном виде (этот термин будет раскрыт далее), для описания информационных процессов может быть использован аппарат дискретной математики. Однако в теоретической информатике этот аппарат наполняется конкретным и специфическим содержанием, поскольку применяется к информационным объектам. Теоретическая информатика включает следующие дисциплины: теория информации, теория алгоритмов, теория кодирования, теория систем и моделей, теория конечных автоматов, вычислительная математика, математическое программирование и целый ряд других. Поскольку данное пособие не является учебником по теоретической информатике и в нем решается более скромная задача - изложить некоторые фундаментальные основы информатики, из всего приведенного перечня дисциплин будут затронуты лишь некоторые и в той мере, которая определяется понятием «минимальная достаточность». С другой стороны, рассмотрение вопросов прикладного характера и конкретных технических или программных решений также выведено за рамки данного пособия - эти вопросы освещены во многих других источниках (см., например, библиографию, приведенную в учебном пособии А.В. Могилева, Н.И. Пака, Е.К. Хеннера [30]).

Контрольные вопросы и задания

Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую

Способы описания формальных языков

Пример 5.2

Таким образом - формулировки и наиболее важные утверждения.

Вернуться в оглавление: Теоретические основы информатики