В.А. Каймин
Информатика
Учебник
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по естественно-научным
направлениям и специальностям
УДК 681.3.06(075.3)
ББК22.18я73
К 15
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор, академик Ю.А. Дубинский, д-р
физ.-мат. наук, доцент В. Г. Сушко
Автор: Каймин Виталий Адольфович, доктор вычислительных наук,
профессор, действительный член Международной Академии Информатизации,
вице-президент Всемирного Распределенного Университета
Каймин В.А. Информатика: Учебник. - М.: ИНФРА-М,
2000. - 232 с. - (Серия "Высшее образование").
ISBN 5-16-000170-0
Учебнику присуждено первое место по разделу "Информатика" на конкурсе
вузовских учебников Министерства образования Российской Федерации в 1999
году.
В пособии излагаются теоретические основы информатики, а также техника
работы на персональных компьютерах и передачи информации в сети Интернет.
Рассмотрены принципы работы систем искусственного интелекта и методы
обработки данных на ЭВМ. Приведено большое число задач с примерами решения.
Может использоваться для подготовки к экзаменам по информатике в вузах
и школах, а также в системах и учереждениях дистанционного и дополнительного
образования.
Уважаемый читатель!
Перед Вами один из учебников нового поколения по дисциплине
"Информатика" для студентов высших учебных заведений, обучающихся по
естественнонаучным направлениям и специальностям профессионального
образования, написанный известными специалистами в области вычислительной
техники и прошедший сложный и длительный путь конкурсного отбора.
Данный учебник является одним из двух победителей по дисциплине
"Информатика" Всероссийского конкурса учебников нового поколения по общим
фундаментальным естественнонаучным дисциплинам. Этот конкурс впервые в
истории высшей школы в России в связи с реформированием структуры и
содержания программ высшего образования был инициирован Госкомвузом России
(в дальнейшем - Минобразованием России) и проведен в течение 1995-1998 годов
на базе Российского университета дружбы народов.
В конкурсе приняли участие свыше 350 авторских коллективов практически
из всех регионов России, заявки представлялись по 11 номинациям, а в их
оценке участвовало более ста высококвалифицированных экспертов.
В результате двух туров конкурса было отобрано 30 авторских
коллективов, чьи заявки, а затем и рукописи более всего соответствовали как
новым учебным программам, так и государственным образовательным стандартам
по каждой дисциплине.
Конкурсная комиссия выражает надежду, что данный учебник внесет свой
полезный вклад в дело дальнейшего совершенствования российского высшего
профессионального образования, и желает всем читателям-студентам и
преподавателям - больших творческих успехов.
Заместитель министра образования России,
академик Российской академии образования,
председатель конкурсной комиссии профессор
В.Д.
Шадриков
Введение
Настоящий учебник посвящен изучению информатики - новой научной
дисциплины и новой информационной индустрии, связанных с использованием
персональных компьютеров и сети Интернет. Развитие бизнеса, образования,
промышленности и общества в целом учеными, политиками, бизнесменами во
многом связывается с широким использованием информационных ресурсов Интернет
и нарастающими интеллектуальными возможностями вычислительных машин.
Учебник предназначается студентам вузов и представляет определенное
отражение современного состояния информатики как науки и информационной
индустрии, в том числе отражение современного состояния персональных
компьютеров и возможностей сети Интернет как базы для развития современной
информационной индустрии.
Наиболее распространенным видом современной вычислительной техники
стали персональные компьютеры IBM PC. По этим причинам в учебнике изучаются
основные возможности наиболее современных программных средств персональных
компьютеров IBM PC - операционной системы Windows, редактора текстов Word,
электронных таблиц Excel, базы данных Access, а также телекоммуникационной
системы Internet Explourer.
Представление информатики как научной дисциплины связано с
рассмотрением проблем организации вычислений и обработки информации с
помощью ЭВМ и внутри ЭВМ, а также принципов организации и работы машинных
интеллектуальных систем (систем искусственного интеллекта) на ЭВМ. Для
изучения принципов работы систем искусственного интеллекта в учебнике
используется язык Пролог - язык моделирования интеллектуальных процессов на
ЭВМ.
Изучение принципов обработки информации и организации вычислений
проводится на примерах решения экономических задач, при этом решение задач
доводится до получения результатов на ЭВМ путем составления калькуляций, баз
данных и программ с параллельным анализом и доказательством правильности
получаемых результатов. С этой целью в учебнике излагаются систематические
методы безошибочного (доказательного) программирования - нового научного
подхода к составлению программ, гарантирующих получение правильных
результатов с помощью ЭВМ.
Особенностью информатики как учебной дисциплины является практикум на
ЭВМ, который может проводится в вузе, в школе или дома. Для прохождения
такого практикума необходимо иметь персональный компьютер или доступ к нему,
а также необходимые пакеты программ - редакторы текстов, базы данных,
электронные таблицы и новейшие средства компьютерного обучения - электронные
учебники.
Настоящий учебник построен так, что по нему можно изучать информатику
даже дома с использованием персональной ЭВМ, и последующей сдачей зачетов и
экзаменов с помощью Интернет. Такая возможность требует наличия на домашних
ЭВМ перечисленных пакетов программ с операционными системами, редакторами
текстов, системами программирования и электронными учебниками.
Особенностью электронных учебников по информатике, описанных в
настоящем пособии, является то, что с их помощью можно успешно подготовиться
к сдаче всех зачетов и экзаменов и сдать их на оценки "отлично" или
"хорошо". Основная особенность курса информатики состоит в том, что все
экзамены и зачеты по этому курсу, а также контроль знаний должен проводиться
на персональных ЭВМ и может производиться дистанционно с помощью сети ЭВМ.
Электронные учебники по информатике были созданы специально для
дистанционного обучения на ЭВМ с использованием сети Интернет и
апробировались в вузах и школах России и Казахстана в течении ряда лет.
Сегодня эти электронные учебники можно увидеть на ряде серверов сети
Итернет, указанных в настоящем пособии, с помощью любого персонального
компьютера, имеющего доступ к Интернет.
Использование этих электронных учебников в ходе апробации
систематически приводило к одному и тому же результату - практически все
студенты и школьники после работы с электронными учебниками успешно сдали
все зачеты и экзамены на "хорошо" и "отлично" и создавали при этом стихи,
рисунки, базы данных, электронные калькуляции и программы решения на ЭВМ
различных задач с доказательствами правильности получаемых результатов.
Особое место в информатике как новой информационной индустрии играет
Интернет, электронная почта и средства телекоммуникаций, изучение которых
вошло в настоящий учебник по информатике. При этом освоение средств Интернет
в настоящем учебнике проводится сразу после освоения техники работы и
редактирования текстов на персональных ЭВМ.
Опережающее освоение техники работы в Интернет позволит студентам и
старшеклассникам без задержки войти в сеть Интернет и обратиться в один из
центров дистанционного обучения для получения консультаций и помощи в
решении текущих и экзаменационных задач у лучших преподавателей.
Благодаря сети Интернат сотни тысяч молодых людей и девушек смогут
учиться в лучших отечественных и зарубежных вузах, используя персональные
компьютеры. Такого рода дистанционное обучение может проводиться без выезда
из своего города, поселка или даже не выходя из своего дома.
Первые эксперименты дистанционного и очного обучения с использованием
описанных здесь технологий показали, что качество обучения с применением
электронных учебников не хуже, чем очные занятия в лучших зарубежных вузах,
и на порядок лучше, чем при обычной модели обучения без использования каких
бы то ни было учебников.
Однако использование Интернет, открывая новые возможности в
предоставлении информации и информационных услуг, создает и новые проблемы.
Основные из них - проблемы защиты информации в ЭВМ от искажения, уничтожения
и неправомерного доступа.
Ярким примером служит проблема компьютерных вирусов, которые могут
уничтожить всю информацию, хранящуюся в ЭВМ. Неправильные действия в сети
Интернет, а также копирование программ и данных в сети Интернет может
привести к самым неприятным последствиям. Здесь необходимо твердо усвоить и
придерживаться ряда правил гигиены от компьютерных вирусов.
Согласно принятому законодательству информация признана объектом
гражданских прав с определением норм и правил отнесения ее к массовой,
персональной или конфиденциальной. А базы данных и программы для ЭВМ
отнесены к объектам авторского права и на их распространение и использование
распространяются соответствующие нормы правовой защиты.
Автор выражает свою признательность своим студентам, аспирантам и
сотрудникам, принимавшим участие в разработках электронных учебников и
учебных программ для персональных ЭВМ, а также принимавшим участие в
оформлении, редактировании и макетировании учебников по информатике в
течении 1985-1999 гг.
Академик В.А.Каимин
Глава 1. ИНФОРМАЦИЯ И ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ
1.1. Введение в информатику
Информатика - это новая научная дисциплина и новая информационная
индустрия, связанные с использованием персональных компьютеров и сетей ЭВМ.
В новом тысячелетии предполагается, что основная информация, связанная с
деятельностью людей будет храниться в памяти электронных вычислительных
машин.
Информатика как научная дисциплина изучает законы, принципы и методы
накопления, обработки и передачи информации с помощью ЭВМ. В этом смысле
информатика как наука является фундаментом для развития новой информационной
индустрии, основанной на использовании сетей ЭВМ.
Фундамент информатики образуют вычислительные науки - науки об
вычислительных процессах и организации вычислительных машин, вычислительных
систем и сетей. Основным объектом вычислительных наук являются
вычислительные машины - устройства для организации вычислений и обработки
символьной информации.
Обработка, накопление и передача информации происходит не только внутри
ЭВМ. Передачу и накопление информации мы видим при общении людей, в
технических устройствах, в живых организмах и в жизни общества, что тоже
входит в предмет изучения информатики как научной дисциплины.
Передача информации в общении людей - это передача сведений и суждений,
данных и сообщений. Даже улыбка является передачей информации при общении
людей друг с другом. Любая совместная деятельность людей - работа, учеба и
даже игра - построены на обмене и передаче информации.
Для живых существ восприятие и передача информации в форме сигналов -
основное отличие от неодушевленных предметов окружающего мира. Языковая
форма передачи знаковой информации - основное отличие людей от других живых
существ.
Слово информация происходит от латинского informatio, означающего
сведения, разъяснения, пояснения. С содержательной точки зрения информация -
это сведения о ком-то или о чем-то, а с формальной точки зрения - набор
знаков и сигналов.
С юридической точки зрения информация - это сведения о людях,
предметах, фактах, событиях и процессах, независимо от формы их
представления. Данное определение зафиксировано в Законе "Об информации,
информатизации и защите информации", утвержденном в 1995 году.
Особую роль для общества играет документированная информация.
Документы - это информация, зафиксированная на материальном носителе -
бумаге или машинном носителе, имеющем реквизиты, позволяющие его
идентифицировать.
Возможность записи информации в письменном виде - в форме
последовательности знаков - привела к образованию государств, возникновению
бюрократии и появлению почтовых служб. Параллельно это привело - к появлению
грамотных людей - людей, умеющих читать, писать и искать информацию для
решения различных проблем.
Возникновение письменности позволило людям не только передавать
информацию, но и накапливать ее в форме записок, писем и рукописей в
архивах, а также в личных и публичных библиотеках. Квалифицированная
переработка информации потребовала людей, имеющих надлежащее образование.
Для обучения грамотности были открыты гимназии, лицеи и школы, а для
подготовки образованных людей - университеты и колледжи, где накоплением и
передачей знаний стали заниматься ученые, учителя и профессора.
Для хранения знаний стали использоваться рукописные книги, а для
хранения книг - библиотеки и книгохранилища. В них стал накапливаться
интеллектуальный потенциал общества и государств. Неслучайно одной из
основных задач варвары считали уничтожение книг и книгохранилищ.
Изобретение печатных станков в XV в. создало технологическую основу для
массового издания и распространения печатных книг. Это послужило основой для
всеобщего распространения грамотности и открытия массовых начальных школ, в
которых все дети обучались грамотности - умениям читать, писать и считать.
Развитие промышленного производства в XVIII-XIX веках потребовало
большого числа специалистов, для подготовки которых было открыто большое
число университетов. Это дало мощный толчок для развития естественных наук -
химии, физики, механики, математики и подготовки инженерных кадров.
Развитие печатных станков привело к появлению и распространению газет
как средств массовой информации и информатизации общества, а также появлению
и распространению журналов для распространения литературных произведений. В
это же время появились первые законы, регулирующие авторские права.
Изобретение в XIX - начале XX века телеграфа, радио и телефона открыло
новые возможности в передаче информации и информатизации общества. Эти
технические средства дали возможность практически мгновенно передавать
информацию на любые расстояния.
Следующим шагом технического прогресса стало появление и развитие
электроники, телевидения и радиовещания к середине XX века. Изобретение
телевидения позволило людям видеть на экранах телевизоров события,
происходящие в самых различных точках планеты, а изобретение магнитофона -
накапливать звуковую и видеоинформацию на магнитных носителях.
Точкой отсчета становления информатики как индустрии стало изобретение
в середине XX века электронных вычислительных машин. Основной особенностью
компьютеров стала возможность автоматической обработки информации.
Переработка информации перестала быть исключительной способностью людей и
живых существ.
Параллельно в середине XX века были заложены теоретические основы
информатики как научной дисциплины. В этот период получили развитие
математическая логика - фундамент теоретической информатики и теория
алгоритмов - фундамент вычислительных наук.
Компьютеры первого поколения создавались именно как электронные
вычислительные машины для автоматизации сложнейших вычислений оборонного и
научного характера. Объем и сложность вычислений, выполнявшихся первыми
компьютерами, были недоступны даже самым сильным математикам и вычислителям,
но посильными для современных домашних компьютеров.
В этот период появились первые профессиональные программисты и первые
теоретические работы по математической лингвистике, теории искусственного
интеллекта и теоретическому программированию. Бурное развитие получили
вычислительная и дискретная математика, образующие математическую базу
информатики и вычислительных наук.
Компьютеры второго поколения создавались в качестве универсальных
вычислительных машин, предназначенных для решения задач обработки и
накопления информации с использованием устройств ввода и вывода. Компьютеры
этого поколения стали использоваться для решения различных научных,
экономических, оборонных и инженерных задач.
Для этих машин были созданы первые операционные системы, системы
программирования и первые диалоговые системы. В этот период программирование
зародилось как профессия и появились первые языки программирования и первые
инструментальные программы - компиляторы и интерпретаторы для ЭВМ.
Третье поколение компьютеров - это первые серийные вычислительные
машины для автоматизации обработки и накопления информации. Для этих ЭВМ был
создан целый спектр устройств ввода, вывода и накопления информации. С
помощью этих ЭВМ создавались первые экспериментальные вычислительные системы
и сети.
Компьютеры третьего поколения стали широко использоваться в качестве
технической базы для самых различных автоматизированных систем -
бухгалтерских и банковских систем, банков данных, систем автоматизации
проектирования и производства и т. п. В это время появились первые
администраторы баз данных и информационные службы по эксплуатации
автоматизированных систем.
Четвертое поколение - это компьютеры, создаваемые на базе серийных
микропроцессоров. С этого поколения ЭВМ началось массовое производство и
распространение персональных компьютеров, которые могут устанавливаться на
любом рабочем столе - дома, на работе или в офисе.
Персональные ЭВМ широко используются для учебы, игры, написания писем,
книг и отчетов, ведения бухгалтерской документации и экономических расчетов,
проведения научных и маркетинговых исследований, сочинения стихов и музыки,
ведения переписки с коллегами и друзьями.
Применение компьютеров в жизни общества затрагивает условия
деятельности и жизни миллионов людей. Современные персональные компьютеры
прежде всего открывают возможность выхода в сеть Интернет и оперативного
поиска и получения различной информации в форме электронной почты,
электронных журналов, газет и библиотек из самых различных стран и регионов,
электронной коммерции - покупок и продаж по всему миру.
В серии ЭВМ четвертого поколения используются и более мощные
компьютеры, получившие название серверов - вычислительных машин с большим
объемом памяти, используемых для постоянного хранения больших объемов
информации. Именно такие серверы и используются в качестве узлов связи в
вычислительных системах и сети Интернет.
Академик В.М. Глушков еще в начале 80-х годов писал, что "к началу
следующего столетия в развитых странах основная масса информации будет
храниться в памяти ЭВМ, а человек XXI века, который не будет уметь
пользоваться ЭВМ, будет подобен человеку XX века, не умевшему ни читать, ни
писать".
Обучение компьютерной грамотности - умениям работать с персональными
ЭВМ - является основной целью курса информатики в массовой школе.
Современное понимание компьютерной грамотности предполагает не только умения
читать, писать и считать с помощью персональных ЭВМ, но и умения искать и
передавать информацию с помощью Интернет.
Целью вузовского курса информатики считается освоение профессионального
использования персональных компьютеров и решения на ЭВМ профессиональных
задач. Для развития этих умений необходима определенная культура и развитие
логического мышления.
Эффективное использование ЭВМ предполагает наличие информационной
культуры - умений искать, передавать и подготавливать информацию в форме
текстов и рисунков с помощью персональных компьютеров и сети Интернет.
Развитие этой культуры ведет к более глубокому развитию логического
мышления.
Логическое мышление проявляется в умении решать различные
интеллектуальные задачи и в том числе в решении сложных задач с помощью ЭВМ.
Эти интеллектуальные способности выражаются в умениях рассуждать,
доказывать, ставить задачи, а также подбирать и обосновывать способы их
решения.
Сложность изучения информатики как индустрии связана с ее
беспрецендентной динамичностью - технические средства информатики -
компьютеры, программы и средства телекоммуникаций полностью модернизируются
каждые пять-шесть лет, а соответствующие технические знания обновляются
каждые два-три года. Одновременно модернизируются компьютерные сети, архивы,
библиотеки и информационные системы.
Подготовка и издание новой учебной литературы требует, как правило, от
трех до пяти лет. Поэтому учебная литература не поспевает за темпами
обновления вычислительной техники. Угнаться за такими темпами обновления
техники могут только электронные средства - электронная пресса, электронные
справочники, электронные учебники и технологии, связанные с использованием
персональных ЭВМ и сети Интернет.
В то же время информатика как научная дисциплина сохраняет свое ядро -
общие принципы, законы и методы, организации вычислений и обработки
информации с помощью ЭВМ. Эти принципы сохранят свою роль и значение для
всех моделей и типов ЭВМ независимо от их элементной базы, быстродействия и
объемов памяти.
Более того общие законы информатики как общие законы интеллектуальной
деятельности сохраняют свою силу при изучении принципов обработки,
накопления и передачи информации не только в ЭВМ, но и в живых организмах и
человеческом обществе.
В о п р о с ы
1. Что такое информация?
2. Что такое информатика?
3. Где будет храниться информация в XXI веке?
4. Что такое компьютерная грамотность?
5. Что такое информационная культура?
6. Что такое логическое мышление?
7. В чем сложность изучения информатики?
1.2. Персональные компьютеры
Компьютеры - это универсальные электронные вычислительные машины (ЭВМ),
используемые для накопления, обработки и передачи информации. Самое широкое
распространение получили персональные компьютеры, предназначенные для
индивидуальной работы.
Персональные компьютеры - это малогабаритные вычислительные машины,
которые могут быть установлены на любом рабочем месте. Наиболее известны и
распространены персональные компьютеры IBM PC и Macintosh.
Минимальный состав персональных компьютеров:
1) системный блок;
2) дисплей;
3) клавиатура.
Дисплей - это устройство отображения информации на электронном экране.
Дисплеи в персональных компьютерах могут быть цветными и черно-белыми.
Информация на дисплеях обычно отображается как в телевизоре - на экране
электронно-лучевой трубки.
[Image001]
Общий вид персонального компьютера
Клавиатура содержит клавиши, как правило, латинского и русского
алфавитов. Кроме того, на клавиатуре имеются цифры и другие специальные
знаки. Нажимая на эти клавиши, можно вводить в компьютер самую разную
информацию - числа, слова, фразы, а также команды управления компьютером.
