- •Информатика для физиков
- •Часть 1. Введение
- •Предисловие
- •Часть 1. Введение
- •1.1 Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона. Предмет и задачи информатики
- •Техническая база информатики Из истории создания и развития эвм
- •Классификация эвм
- •Классическая архитектура эвм общего назначения
- •Структура шин
- •Структура эвм 5-го поколения
- •Системы обработки данных
- •Программное обеспечение информатики
- •Операционные системы (ос)
- •Инструментальные языки и системы программирования
- •Системы программирования
- •Часть 2. Математические основы информатики
- •2.1 Теория формальных структур данных и алгоритмов их обработки Основные понятия теории алгоритмов
- •Общая характеристика изобразительных средств алгоритмов
- •Основные типы вычислительных процессов
- •Системы счисления
- •Позиционные системы счисления
- •Смешанные системы счисления
- •Перевод чисел из одной системы счисления в другую
- •Форматы представления и преобразования информации
- •Способы разработки алгоритмов
- •ЧАсть 3. ПЕрсональные эвм
- •3.1 Из истории создания персональных компьютеров
- •Структура пэвм
- •Внешние устройства пэвм
- •Часть 4. Работа пользователя в операционной системе Windows: начальные сведения
- •4.1 Введение
- •Загрузка Windows
- •Рабочий стол
- •Изображения курсора мыши
- •Приемы работы с мышью
- •Элементы рабочего стола
- •Пиктограммы
- •Панель задач
- •Основное меню панели задач
- •Окна задач
- •Основные команды меню
- •Вызов и завершение работы программ
- •4.3 Операции с папками и файлами
- •Проводник
- •Пиктограммы, отображающие структуру диска
- •Операции с папками
- •Копирование, перемещение файлов и папок
- •Удаление файлов и папок и их восстановление
- •4.4 Стандартные программы Windows
- •4.5 Завершение работы в Windows
- •Часть 5. Компьютерное моделирование в физических исследованиях
- •5.1 Роль эксперимента в физических исследованиях. Виды экспериментальных исследований
- •5.2 Основы теории моделирования Базовые понятия
- •Классификация моделей
- •Условное моделирование
- •Аналогичное моделирование
- •5.3 Математическое моделирование и компьютерный эксперимент Понятие математической модели
- •Особенности математических моделей
- •5.4 Вычислительный алгоритм. Введение в численные методы
- •Базовые понятия численных методов
- •Численное решение линейных дифференциальных уравнений
- •Численное вычисление одномерных интегралов
- •Метод Монте-Карло
- •Вычисление многомерных интегралов
- •5.5 Технология программирования вычислительных задач
- •5.6 Точность компьютерного эксперимента Погрешности компьютерного эксперимента
- •Требования к вычислительным алгоритмам
- •5.7 Пример моделирования физической системы
- •5.8 Заключение
- •Список литературы
- •Содержание
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет –УПИ”
С.Л. Гольдштейн
А.В. Кибардин
Информатика для физиков
Часть 1. Введение
Учебное пособие
Научный редактор – проф., д-р техн.наук Г.Б. Смирнов
Рекомендовано методическим советом ГОУ ВПО УГТУ-УПИ
В качестве учебного пособия для студентов всех специальностей всех
направлений
Екатеринбург
2007
УДК 004.43 (075.8)
ББК
Г63
Рецензенты:
кафедра прикладной информатики в экономике Уральского государственного университета путей сообщений (зав. кафедрой профессор, д-р физ.-мат. наук В. И. Радченко.);
А. Ф. Шориков, проф., д-р физ.-мат. наук (Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург)
Авторы: С.Л. Гольдштейн, А.В. Кибардин
Г63 ИНФОРМАТИКА ДЛЯ ФИЗИКОВ: учебное пособие по дисциплине “Информатика” /С.Л. Гольдштейн, А.В. Кибардин. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2007, 116 с.
Учебное пособие предназначено для изучения основ информатики и ориентировано на студентов, аспирантов технических специальностей, слушателей ФПК и подготовительного отделения, обучающихся основам современных информационных технологий.
Библиогр.: 18 назв. Рис.31.
Подготовлено кафедрой вычислительной техники
УДК 004.43 (075.8)
ББК
©ГОУ ВПО “Уральский государственный
технический университет –УПИ”, 2007
Предисловие
Настоящее учебное пособие представляет собой курс лекций по информатике, читаемой для физических специальностей. В первой части учебного пособия дается введение в предмет информатики, рассматриваются составные части дисциплины, техническое и программное обеспечение, математические основы информатики, дается введение в теорию алгоритмов, основы работы пользователя в среде операционной системы Windows. Завершается первая часть рассмотрением вопросов компьютерного моделирования в научно-технических исследованиях.
Вторая часть пособия посвящена базовым информационным технологиям, в первую очередь, технологиям обработки данных и решения вычислительных задач в различных программных средах, в том числе программированию на языках высокого уровня. Рассматриваются вопросы работы в компьютерных сетях и информационной безопасности.
Часть 1. Введение
1.1 Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона. Предмет и задачи информатики
В 1948 г. американский математик Норберт Винер провозгласил новую науку – кибернетику, проблему искусственного интеллекта и ввел новую научную категорию – “управление” [1]. Выделение категории “управление” позволило воспользоваться понятием информации и положить в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации. Сущность принципа управления: движение и действие больших масс или передача и преобразование больших количеств энергии направляются и контролируются при помощи небольших количеств энергии, несущих информацию. Этот принцип лежит в основе организации и действия любых управляемых систем: автоматических машин, живых организмов, социальных систем. Таким образом, кибернетика – это наука об общих законах получения, хранения, обработки и передачи информации.
Термин “информация” как научный термин введен Клодом Шенноном – автором теории информации (науки об оптимальном кодировании сообщений и передачи сигналов по каналам связи) в конце 40-х г.г. XX в. Шеннон ввел единицу измерения информации – 1 бит (от англ. BInary digiT – двоичная единица).
Каждому сигналу в теории Шеннона приписывается априорная вероятность его появления [2]. Чем меньше вероятность появления сигнала, тем больше информации он несет для потребителя. Этот факт можно выразить следующей формулой (формула Шеннона):
, (1.1)
где I – количество полученной информации при передаче сообщения; pj – вероятность появления сигнала с номером j; n – количество возможных сигналов.
Рассмотрим несколько случаев. Пусть в системе возможно только одно событие. Свяжем с реализацией события сигнал. Тогда n = 1, и количество полученной информации I = 0. Если n =2 и p1 = p2 = 1/2 , то
I = - (1/2)log (1/2) - (1/2)log(1/2).
В случае двоичных логарифмов I = 1 – это значение и принято в качестве единицы измерения информации “бит”.
Отметим, что данное определение информации не содержит семантического, т.е. смыслового содержания сообщения. К понятию информации и возможным подходам к определению информации мы вернемся в части 6.“Информационные технологии”, а пока дадим практическое (обыденное) определение информации: информация – это сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, передачи и обработки в системе социальных коммуникаций. Отметим, что данное определение информации охватывает все формы социальной деятельности человека: науку, управление, просвещение, производство, сферу mass media.
Термин “информатика” (от фр. Informatique) введен в начале 70-х г.г. XX в. французскими специалистами. Американцы используют свой термин – Computer Science – для обозначения науки о способах обработки, накопления и передачи информации в социальной среде. Таким образом, принципиальное отличие информатики от кибернетики в том, что информатика рассматривает информацию только в системе социальных коммуникаций.
Информатика базируется на вычислительной технике. Отсюда три ее составляющие части:
техническое обеспечение;
алгоритмическое обеспечение;
программное обеспечение.
В следующих разделах мы рассмотрим общую характеристику технического и программного обеспечения информатики, а пока рассмотрим, какие задачи решает информатика. Чтобы лучше понять предмет и задачи информатики, сравним две науки: кибернетику и информатику.
Кибернетика изучает общие законы движения информации. Информатика изучает технологию – т.е. конкретные способы обработки, передачи и использования информации.
К области информатики относятся информационные технологи только в социальных системах.
Кибернетика моделирует различные системы, а информатика занимается информационной “начинкой” моделей, технологией их разработки и машинного применения.
Развитие кибернетики связано с передачей функций интеллекта техническим, искусственным устройствам, с воспроизведением функций живых организмов неживыми объектами. Развитие информатики подчинено технологическому использованию вычислительных машин и устройств, превращению “бумажной” информатики в “человеко-машинную”.
До середины XX в. человечество располагало лишь производственными технологиями, связанными с преобразованием вещества и энергии. В наше время человечество переживает научно-техническую революцию, материальной основой которой является электронно-вычислительная техника. На базе этой техники появился новый вид технологий – информационные технологии. К ним относятся процессы, в которых основой, сырьем переработки и выдаваемой продукцией является информация. Конечно, переработка информации связана с определенными материальными носителями и, следовательно, эти процессы включают также переработку вещества и преобразование энергии, но главную роль здесь играет информация.
Конечно, информационные технологии возникают не сами по себе, а в результате технологизации того или иного процесса. Настоящий период развития общества можно определить как период информационного кризиса. Количество информации, производимое в обществе, удваивается каждые 8-12 лет. Известный советский ученый И.Шкловский утверждал еще в 70-е г.г. XX в., что нашей цивилизации грозит перепроизводство информации, которое может парализовать общественную и экономическую жизнь – такую ситуацию он назвал “информационным коллапсом” по аналогии с процессом схлапывания звезд.
Ежегодно в мире публикуются сотни тысяч книг, миллионы статей, отчетов, инструктивных указаний пр. По данным ЮНЕСКО мировой фонд научных изданий превышает 200 миллионов. За последние 70 лет в мире накоплено более 20 миллионов патентов.
В работе [5] приводятся материалы из статьи английского физика Херрингса, анализирующего объемы научных публикаций в различные периоды.
Рис. 1.1
Из графиков, представленных Херрингсом, видно, что в 1938 г. специалист в определенной области науки в состоянии был прочитать всю мировую литературу, публикуемую в этой области, а к 1968 г. он мог прочитать только малую часть всех публикаций. Причем, физическая невозможность прочитать всю публикуемую в данной области литературу – не единственная проблема, которая возникает в области обработки информации. Существует большое число факторов, делающих эту проблему еще более острой [5]. Среди них межъязыковые факторы, проявляющие себя в том, что в потоке мировой научно-технической литературы все более увеличивается доля публикаций на таких языках, которыми не владеет подавляющее большинство ученых и специалистов, например, на итальянском, чешском, датском, хинди и др.
Не меньшим негативным характером обладают внутриязыковые факторы, т.е. терминологические. В результате специализации терминологии специалисты разных отраслей науки и техники все в меньшей степени понимают друг друга, причем не только специалисты разных отраслей, но и специалисты, работающие в близких, смежных областях науки.
Существуют факторы, которые можно назвать надъязыковыми, усложняющие коммуникацию между учеными, занимающимися разработкой фундаментальных проблем, и специалистами, решающими прикладные задачи. Создание принципиально новых устройств и технологий требует углубленного проникновения в фундаментальные области знания. Этот процесс порождает концепции, которые не в состоянии подчас понять и преломить в своей практической работе значительная часть инженеров.
Следующая группа факторов, препятствующих движению информации – это социально-экономические. К ним следует отнести политические, экономические, бюрократические факторы.
Немаловажное значение имеют и факторы психологические, то, что Энгельс называл “барьерным сознанием” – когда “человек ищет только то, о чем он думает, что оно существует и что ему нужно”.
Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно так определить главную функцию информатики: обоснование средств и методов технологизации информационно-коммуникативных процессов, т.е. их качественная перестройка на базе вычислительной техники, математического моделирования, программного управления.