скачать книгу бесплатно
Информатика и ИТ. Нейросети.
Николай Петрович Морозов
Эта книга во многом опирается на материал, изложенный в моих книгах «Виды информации и ИТ ее обработки», «Информатика и ИТ». В ней изложены теоретические основы информатики, рассмотрены основные виды информационных технологий, представлены приемы работы с программными продуктами.Электронный формат книги позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах открытого и дополнительного образования.
Информатика и ИТ. Нейросети.
Николай Петрович Морозов
© Николай Петрович Морозов, 2024
ISBN 978-5-0062-7407-5
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
АННОТАЦИЯ
Электронная книга «Информатика и информационные технологии» предназначена для подготовки бакалавров гуманитарных направлений. и во многом опирается на материал, изложенный в моих книгах «Виды информации и ИТ ее обработки», «Информатика и ИТ». В учебнике изложены теоретические основы информатики, рассмотрены базовые виды информационных технологий для обеспечения основных видов информационных процессов (технологии создания текстовых документов, технологии обработки данных в электронных таблицах, технологии разработки баз данных, технологии алгоритмизации, программирования, компьютерного моделирования), представлены эффективные приемы работы с распространенными программными продуктами. Содержание учебника соответствует требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования к уровню подготовки бакалавров по направлениям, реализуемым в Санкт-Петербургском государственном институте культуры.
Учебник позволяет унифицировать содержание читаемых студентам информационных дисциплин, не исключая возможности для преподавателей варьировать содержание курса с учетом специфики дисциплины, специализации, уровня подготовки студентов.
Учебник ориентирован на формирование и развитие у студентов соответствующих компетенций в области информатики и информационных технологий. Электронный формат учебника позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах и учреждениях открытого и дополнительного образования.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
Формирование информационного общества связано с развитием и широким использованием информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. В настоящее время информационные технологии стали привычным инструментарием как в учебной, научной, так и практической деятельности. Эффективная деятельность специалиста любого профиля сегодня не мыслится без применения современных информационных технологий.
Многообразные информационные технологии, функционирующие в образовании, финансовых операциях, проектировании и т.п., имея общие черты, в то же время существенно различаются между собой. Объединить их в одном подходе призвана информатика.
Сегодня информатика занимает достойное место среди базовых дисциплин и является неотъемлемой компонентой учебных планов всех без исключения направлений и специальностей высших учебных заведений, в том числе гуманитарных. Информатика – одна из немногих дисциплин, развивающих такие практические навыки, которые востребуются напрямую и немедленно, сразу после включения молодого специалиста в профессиональную деятельность.
Процесс изучения информатики и информационных технологий направлен на формирование общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций. В частности, студент должен быть способным самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения, стремиться к саморазвитию (ОК); быть способным использовать современное электронное оборудование и информационно-коммуникационные технологии в соответствии с целями образовательной программы бакалавра (ПК).
У выпускника должно быть сформировано на достаточном уровне умение самостоятельно расширять и применять полученные знания в профессиональной сфере, осваивать новые программные продукты.
Для плодотворного применения персонального компьютера в профессиональных областях деятельности пользователю следует знать, что означают такие информационные термины, как «бит», «байт», «файл», «информационная система» и др., уметь работать с системным и прикладным программным обеспечением, владеть технологиями подготовки документов, обработки и анализа данных, разработки баз данных, основами алгоритмизации, программирования, моделирования, что позволит автоматизировать расчеты и облегчить работу с массивами информации.
Коренное отличие информатики от других дисциплин, изучаемых в высшей школе, состоит в том, что предметная область информатики изменяется чрезвычайно динамично. Сегодня в среднем один раз в полтора года удваиваются основные технические параметры аппаратных средств, один раз в два-три года меняются поколения программного обеспечения, и один раз в пять-семь лет меняется база стандартов, интерфейсов и протоколов.
Формат электронного учебника, в отличие от традиционных учебников, представляет собой динамичную структуру, что позволяет своевременно вносить изменения и дополнения, соответствующие современному развитию живой науки – информатики, ее аппаратных и программных средств. На современном этапе такая возможность является одной из ключевых для организации учебного процесса в высшем учебном заведении.
Современные образовательные технологии (дистанционное образование) также требуют современного методического обеспечения учебного процесса, и в первую очередь, электронных учебников с удобной навигацией, развитым поисковым механизмом, встроенным автоматизированным контролем уровня знаний студента.
Ныне информатика сталкивается с парадоксальным фактом. Ее основная задача состоит в преодолении общечеловеческого кризисного явления, называемого «информационным бумом», путем внедрения средств и методов, автоматизирующих операции с данными. Однако в собственной предметной области информатика испытывает такой информационный бум, какого не знает ни одна область человеческой деятельности. Например, мировой ассортимент изданий, имеющих прямое отношение к информатике (не считая периодических и электронных), составляет порядка десяти тысяч томов в год и полностью обновляется не реже, чем раз в два года.
Таким образом, для преподавания информатики в современных условиях необходимо расширенное взаимодействие между учебными программами общих и специальных дисциплин и учебной программой курса информатики. Формат электронного учебника позволит решать эту задачу наиболее эффективно.
Не только по форме, но и по содержанию учебник является актуальным. Необходимость разработки данного электронного учебника вызвана отсутствием подобного издания для подготовки бакалавров в вузах министерства культуры. Данное электронное издание учитывает специфику гуманитарного вуза и ориентировано на студентов гуманитарных специальностей и направлений. В книге отражены основные принципы и положения информатики как науки, современные аспекты и тенденции развития информационных технологий.
Электронный учебник содержит теоретические основы информатики, рассмотрены базовые виды информационных технологий для обеспечения основных видов информационных процессов (технологии создания текстовых документов, технологии обработки данных в электронных таблицах, технологии разработки баз данных, технологии алгоритмизации, программирования, компьютерного моделирования). В учебнике представлены эффективные приемы работы с распространенными программными продуктами.
Учебник обобщает многолетний опыт работы профессорско-преподавательского состава кафедры информатики и математики Санкт-Петербургского государственного института культуры (СПбГИК), прошел успешную экспериментальную проверку при обучении студентов информационным дисциплинам. Содержание учебника соответствует требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования к уровню подготовки бакалавров по направлениям, реализуемым в СПбГИК.
Электронный формат учебника позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах и учреждениях открытого и дополнительного образования.
Глава 1.
Информация и информатика
Информация, данные, свойства информации
Информация (от лат. informatio – разъяснение, изложение, осведомленность) – одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний и т. п. В связи с широким распространением этого понятия трудно дать его однозначное определение. Существует много определений информации, отображающих разные точки зрения на нее.
Отметим, что понятие информации рассматривается всегда не само по себе, а в связи с представлением о так называемой коммуникации, когда нечто передается от источника к получателю.
Самое лаконичное определение выглядит так: «Информация – сведения, передаваемые источником получателю».
Это определение легко запомнить, но на самом деле необходимо разобраться в значении всех терминов этого определения: что такое «сведения», «передача сведений», «источник», «получатель».
Прежде всего, укажем на двойственный характер понятия «информация».
Широко известно определение, данное в Большой Советской Энциклопедии (БСЭ):
«Информация, первоначально – сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т.д.); с середины 20 века – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму».
В приведенном определении информация – это то, что источникпередает получателю.
Не менее известным является определение, данное в ГОСТ 7.0—99 «Информационно-библиотечная деятельность. Термины и определения»:
«Информация – сведения, воспринимаемые человеком и (или) специальными устройствами как отражение фактов материального или духовного мира в процессе коммуникации».
В этом определении информация – это то, что воспринимаетполучатель.
Указанные различия в определениях, двойственность подхода к понятию информации не случайны. Дело в том, что процесс информационной коммуникации содержит, как минимум, два этапа, два взаимодействия:
Этап 1 – сведения от источника информации доходят до некоего материального объекта (носителя данных), преобразуются и фиксируются на нем в виде данных.
Этап 2 – данные передаются получателю, который воспринимает содержащуюся в данных информацию.
Источник информации. В вышеприведенном определении из БСЭ в качестве источника информации упоминаются достаточно сложные системы: человек, животное, организм, автомат. Однако следует отметить, что роль источника могут играть любые объекты реального мира: камень, следы пожара, пейзаж за окном, пейзаж на картине художника, сам художник и т. п.
Сведения. По определению В. М. Глушкова «информация в самом общем ее понимании представляет собой меру неопределенности распределения материи и энергии в пространстве и во времени, меру изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы». Эти процессы протекают как в материальном мире, так и в духовном мире, в мышлении людей.
А. Д. Урсул называет неоднородность распределения материи в пространстве и времени, неравномерность протекания процессов на всех уровнях движения и эволюции в мироздании разнообразием. С каждым объектом реального мира связано свое разнообразие, т.е. своя совокупность характеристик неоднородности распределения материи и неравномерности протекания процессов.
Например, камень может характеризоваться массой, Луна – особенностями рельефа поверхности, результаты мыслительной деятельности человека – неким «текстом» в мозгу.
Между объектами реального мира постоянно осуществляются различные взаимодействия. В ходе взаимодействия объектов А и В в зависимости от значений характеристик объекта А происходит изменение некоторых вещественно-энергетических характеристик объекта В. Эти изменения реализуются либо в виде изменения параметров динамических процессов, либо в виде изменения свойств физических объектов (характеристик их внутренней структуры).
Например, взаимодействие между Луной и фотоаппаратом заключается в том, что электромагнитное излучение (лучи Солнца), отражаясь от поверхности Луны, преобразуется в отраженные лучи, параметры которых зависят от того, от какого участка рельефа они отразились. В свою очередь, эти лучи, попав на Земле в объектив фотоаппарата, произведут изменения в характеристиках светочувствительного слоя пленки в этом аппарате. Взаимодействие между мозгом и бумагой: результаты мыслительной деятельности человека преобразуются в механические движения руки, создающие текст на бумаге – специальным образом организованную совокупность черных и белых участков. Взаимодействие между бумагой и мозгом: лучи света по-разному отражаются от чистой поверхности бумаги и от букв текста, написанного на бумаге, попадают в глаз, воспринимаются его рецепторами, далее преобразуются в определенные нервные импульсы и поступают в мозг.
Изменения в характеристиках объекта В неким образом зависят от характеристик объекта А и тем самым отражают состояние разнообразия R
. Те значения характеристик объекта А, которые повлияли на изменение характеристик объекта В, суть сведения об объекте А. Объект А выступает как источник информации, а сведения о нем и есть информация, передаваемая источником.
Передача информации (сведений) с точки зрения теории отражения. Взаимодействие между объектами А и В и есть процесс передачи сведений: сведения о состоянии объекта А в результате взаимодействия отразились в изменении значений каких-то характеристик состояния объекта В.
Процесс передачи сведений от объекта А к объекту В, как правило, представляется как последовательность нескольких (элементарных) отражений, связанных с последовательностью физических взаимодействий – физических процессов. Каждое физическое взаимодействие, как уже упоминалось, приводит к изменению либо параметров динамических процессов, либо свойств физических объектов. Разнообразие, характеризуемое значениями параметров динамических процессов, само динамично, постоянно меняется, преобразуется в разнообразие, связанное с последующими процессами взаимодействия. Результаты же изменения характеристик физических объектов статичны, они могут сохраняться во времени до тех пор, пока не будут изменены в процессе какого-нибудь другого взаимодействия.
Два физических объекта могут взаимодействовать друг с другом только посредством связывающего их динамического процесса. В этом случае взаимодействие объектов А и В состоит, как минимум, из двух взаимодействий: объекта А с динамическим процессом ? и процесса ? с объектом В. Параметры динамического процесса ? отражают сведения об объекте А, а сведения о процессе ? (а, значит, и об объекте А) фиксируются в значениях характеристик физического объекта В.
Если объект В – физический объект, то состояние его вещественно-энергетических характеристик, возникшее в результате взаимодействия, представляет собой данные, в которых отражены сведения об объекте А.
Подытоживая обсуждение процесса передачи информации от объекта А к объекту В, можно ввести следующие определения.
– Процесс передачи информации от А к В – физическое взаимодействие, в результате которого значения некоторых характеристик объекта А отражаются в изменении значений каких-либо характеристик объекта В.
– Передаваемая информация – сведения об источнике, т.е. совокупность тех значений характеристик объекта А, которые повлияли на изменение характеристик объекта В.
– Сигнал – динамический физический процесс, реализующий взаимодействие объектов А и В, влияющий на изменение характеристик объекта B в соответствии с состоянием объекта А.
– Фиксация (регистрация) сигнала – изменение свойств физических объектов (характеристик их внутренней структуры) под действием сигнала.
– Материальный носитель данных – физический объект, характеристики которого меняются под действием сигнала.
– Данные – результат фиксации (регистрации) сигнала на материальном носителе, т.е. совокупность тех характеристик объекта В, в которых отражаются сведения об объекте А.
Более коротко определения сигнала и данных могут быть сформулированы так:
– Сигнал – динамический физический процесс, реализующий процесс передачи информации.
– Данные – результат фиксации, представления информации на материальном носителе.
Например, данные – это и текст книги или письма (в рукописном, печатном или электронном виде), и фотография поверхности Луны, и картина художника, и молекула ДНК, и следы падения Тунгусского или Челябинского метеорита.
Передача информации с точки зрения коммуникационного подхода. Процесс информационной коммуникации разбивается на два этапа. На первом этапе сведения об источнике S фиксируются на материальном носителе в виде данных D (от Data). На втором этапе получатель R воспринимает переданную информацию, т.е. извлекает сведения, зафиксированные в данных D, и преобразует их в сведения об источнике.
Передача информации происходит:
– либо в режиме непосредственного общения (синхронно), когда события материального мира, результаты духовной или мыслительной деятельности немедленно передаются получателю;
– либо, в режиме отложенного общения (диахронно), когда сначала создается некий текст (результат фиксации событий или текст, сочиненный человеком), а затем, через неопределенный отрезок времени этот текст воспринимается получателем.
Очевидно, что в режиме отложенного общения исходящий от источника текст вначале должен быть зарегистрирован на носителе в виде данных, а через некоторое время извлечен из этих данных получателем (а, может быть, и никогда никем не извлечен). В режиме непосредственного общения, казалось бы, не требуется использование промежуточной сущности – данных. Однако на самом деле сигналы, получаемые человеком, после первичного преобразования на короткое время откладываются (фиксируются) в кратковременной (оперативной) памяти, а затем уже поступают в дальнейшую обработку, результаты которой загружаются в долговременную память.
Получатель информации. На втором этапе коммуникационного процесса сведения, содержание (смысл), зафиксированное в данных, извлекается из данных, если нужно, преобразуется и поступает в распоряжение воспринимающей системы – получателя информации. Роль такой системы может играть конкретный человеческий мозг, конкретный мозг животного, наследственная система конкретного организма или совокупность специальных программ в компьютере. Последний вид воспринимающей системы при желании можно считать подвидом первого – ведь исполнение программ в компьютере можно считать особым способом проявления деятельности человеческого мозга, инструментально поддерживаемой компьютером.
Воспринимающая система может быть и более простой. Например, в механическом будильнике весьма простая подсистема управления звонком реагирует на информацию (когда включать звонок), заданную устанавливаемым извне положением одной из деталей.
Восприятие информации. Для того чтобы воспринять сведения, отраженные в данных, необходимо сначала выявить какие-то неоднородности в свойствах материального носителя данных, а затем понять их смысл, т.е. понять, какие свойства источника повлияли на возникновение этих неоднородностей. Для понимания этого получатель информации должен обладать определенным набором знаний.
Например, рассматривая снимок Луны, нужно сначала выявить наличие более светлых и более темных участков снимка. Затем суметь понять, как они отражают особенности рельефа, что соответствует низменным областям, а что – гористым (для этого необходимо иметь некоторые предварительные знания о Луне, о свойствах световых лучей, об особенностях их отражения от разных поверхностях, об особенностях изменения свойств фотопленки под действием света и пр.).
Другой пример. Пусть на клочке бумаги нанесены штрихи, образующие такую картину: maximum. Во-первых, нужно понять, что эти штрихи изображают последовательность букв, во вторых, надо понять, что это за буквы, какое слово, какого языка они изображают, в-третьих – каков смысл этого слова. Если предварительно известно, что это обрывок дореволюционного текста на русском языке, то это слово можно прочесть как «тахитит», т.е. слово, не имеющее смысла. Однако, если еще известно, что текст математический, то это слово можно прочесть как имеющее вполне определенный смысл слово «максимум».
Вышеупомянутые «неоднородности в свойствах материального носителя данных», смыслом которых являются некие сведения об источнике, образуют «знаки».
Информация (сведения) об источнике фиксируется в данных в виде совокупности знаков[1 - Знаком называется материальный объект, который для некоторого интерпретатора выступает в качестве представителя какого-то другого предмета.]. Знаком может быть буква, слово, пиктограмма, рисунок и пр.
Информацию, циркулирующую в человеческом обществе, в настоящее время часто называют «семантической». В «Философии информации» А.В.Соколов приводит определение:
«Семантическая информация – смысловое сообщение, выраженное знаками (одним знаком или их организованной последовательностью). Под смыслом сообщения понимаются знания, умения, эмоции, волевые побуждения, фантазии, являющиеся продуктами индивидуальной психической деятельности, которые могут быть поняты другими людьми». Организованную совокупность знаков принято называть текстом.
Таким образом, информация, фиксируемая на первом этапе коммуникационного процесса, выражается текстом. И, следовательно, данные (т.е. те характеристики объекта В, которые отображают сведения об объекте А), образуют некоторый текст.
Под расширенно толкуемое понятие текста подпадают и обычные письменные и печатные тексты, и результаты регистрации показаний прибора, и картина художника, и запись симфонического концерта и пр.
На втором этапе коммуникационного процесса текст, отображаемый данными, играет роль входной информации, которая далее обрабатывается совместно с другой информацией (знаниями), известной воспринимающей системе.
Совокупность сведений (знаний), которыми располагает получатель (человек или система) называется тезаурус. Тезаурус обычно включает некое представление воспринимающей системы о той предметной области, к которой принадлежит источник данных, и о самом источнике данных.
В процессе обработки входной информации, сопоставления ее с тезаурусом получателя происходит понимание информации (выявление ее смысла) и выделение в ней полезной информации, т.е. сведений, новых для получателя, еще не включенных в его тезаурус. Пополнение тезауруса получателя вновь выявленными сведениями и является результатом восприятия информации.
Для понимания полученной информации получатель (называемый также пользователем) должен изначально обладать определенным запасом знаний о некоторой предметной области.
Количество семантической информации, извлекаемой пользователем из поступающих сообщений, зависит от степени подготовленности его тезауруса для восприятия такой информации. Полное незнание предмета не позволяет извлечь полезную информацию из принятого сообщения об этом предмете. По мере роста знаний пользователя о предмете растет количество полезной информации, извлекаемой из сообщения.
В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя Sp изменяется количество семантической информации Ic, воспринимаемой пользователем и включаемой им в свой тезаурус. Характер такой зависимости показан на рис.1.1. Этот рисунок демонстрирует следующее:
– при Sp = 0 пользователь не имеет знаний о предметной области, поэтому не понимает поступившее сообщение S и количество полученной им семантической информации равно нулю (Ic = 0);
– если тезаурус пользователя Sp, т.е. он уже «все знает» о предметной области, то очередное сообщение не содержит для него ничего нового, и Ic = 0;
– вначале по мере роста объема тезауруса Sp возрастает количество информации, понимаемой пользователем, и, следовательно, растет количество извлекаемой полезной информации Ic, пополняющей тезаурус пользователя;
– максимальное количество семантической информации пользователя получает тогда, когда объем тезауруса Sp позволяет ему понимать всю поступающую информацию (это значение Sp обозначено как Sp opt);
– при дальнейшем увеличении Sp количество понятой информации уже не увеличивается, но все больше информации из поступающего сообщения оказывается пользователю известной; поэтому количество Ic начинает уменьшаться.
Рис. 1.1. Зависимость Ic (количества семантической информации,
воспринимаемой пользователем) от его тезауруса Sp.
Из вышесказанного следует, что количество новых знаний, получаемых пользователем информации, является величиной относительной. Одно и то же сообщение может иметь определенный смысл для компетентного пользователя и быть бессмысленным для пользователя некомпетентного.
Так, например, источником информации может быть китайский врач, написавший книгу (данные) об особенностях китайской медицины. Открыть эту книгу может каждый, прочесть – только тот, кто умеет читать по-китайски. Такой читатель сумеет воспринять текст, составленный автором. Но, чтобы понять и воспринять этот текст необходимо иметь знания по медицине вообще, и китайской медицине в частности. Эти знания отсутствуют в исходном тексте, но автор, когда писал свой текст, имел их в виду, рассчитывал на то, что читатель тоже будет в той или иной мере иметь эти знания. Получить из книги информацию, адекватную той, которую вложил автор, может лишь соответствующим образом подготовленная, владеющая необходимыми знаниями воспринимающая система (конкретный читатель).
Содержимое тезауруса пользователя в начале процесса информационной коммуникации называют также априорной информацией, а семантическую информацию, полученную пользователем в результате коммуникации – актуальной информацией. Т.е. актуальная информация – это сведения, расширяющие состав априорной информации.
