Понятие количества информации

ИНФОРМАТИКА

Учебное пособие

для студентов очной и заочной форм обучения

по направлениям подготовки бакалавров

262000 «Технология изделий легкой промышленности»

(профили «Технология швейных изделий»

и «Технология изделий из кожи»)

262200 «Конструирование изделий легкой промышленности»

(профили «Конструирование швейных изделий» и

«Конструирование изделий из кожи»)

Рекомендовано УМО по образованию в области технологии, конструирования изделий легкой промышленности в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 262000 «Технология изделий легкой промышленности» и 262200 «Конструирование изделий легкой промышленности».

Протокол № 67 от 27.04.12

ШАХТЫ

ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»

УДК 004(07)

ББК 32.97я73

И741

Авторы:

д.ф.н., профессор, зав. кафедрой «Информатика»

Е.Б. Ивушкина

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

Г.Д. Диброва

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

И.В. Барилов

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

Е.А. Ревякина

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

А.А. Калашников

Рецензенты:

д.т.н., профессор кафедры «Прикладная математика»

ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)

Заслуженный деятель науки Российской Федерации

Ю. А. Бахвалов

д.э.н., профессор, зав. кафедрой информационных технологий и управления ШИ(Ф) ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)

Э. Ю. Черкесова

И741 Информатика : учебное пособие : / Е.Б. Ивушкина, Г.Д. Диброва, И.В. Барилов, Е.А. Ревякина, А.А. Калашников – Шахты : ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2013. – 337 c.

Пособие содержит требования ФГОС ВПО к приобретаемым в результате освоения дисциплины знаниям, умениям и навыкам; теоретический материал; вопросы и тестовые задания для самоконтроля. Особенностью электронной версии пособия является внедрение интерактивных примеров, рассчитанных на демонстрацию их работы в среде Visual Basic for Applications, а также возможность навигации по тексту пособия с помощью гиперссылок. Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по направлениям 262000 «Технология изделий легкой промышленности» и 262200 «Конструирование изделий легкой промышленности». Может использоваться студентами других направлений при изучении дисциплины «Информатика».

УДК 004(07)

ББК 32.97я73

Режим доступа к электронному аналогу печатного издания: http://www.libdb.sssu.ru

© ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса», 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие....................................................................................... 5

1...... ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ.. 9

1.1... Понятие информации. 9

1.2... Свойства информации. 10

1.3... Понятие количества информации. 11

1.4... Предмет и задачи информатики. 13

1.5... Информационное общество. 15

1.6... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 18

2...... СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ 20

2.1... Представление (кодирование) данных. 21

2.2... Понятие об основных системах счисления. 22

2.3... Перевод чисел из одной системы счисления в другую.. 23

2.4... Двоичная арифметика. 25

2.5... Представление чисел в ЭВМ.. 26

2.6... Кодирование информации в ЭВМ.. 28

2.7... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 30

3...... ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ.. 31

3.1... Основы алгебры логики. 31

3.2... Операции сравнения. 32

3.3... Логические операции. 33

3.4... Основы элементной базы ЭВМ.. 35

3.5... Элементы теории множеств. 38

3.6... Элементы теории графов. 39

3.7... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 42

4...... ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.. 45

4.1... История развития ЭВМ.. 45

4.2... Классификация ЭВМ.. 48

4.3... Архитектура ЭВМ.. 51

4.4... Состав персонального компьютера. 54

4.5... Внешние устройства. 62

4.6... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 68

5...... СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ.. 70

5.1... Базовые понятия ОС.. 73

5.2... Классификация операционных систем. 75

5.3... Файловая структура ЭВМ.. 77

5.4... Файловые системы Microsoft Windows. 79

5.5... Драйверы устройств. 80

5.6... Служебные программы.. 82

5.7... Обзор операционных систем UNIX и Linux. 84

5.8... Обзор операционных систем Windows. 86

5.9... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 90

6...... ПРИКЛАДНОЕ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 92

6.1... Прикладное программное обеспечение общего назначения. 93

6.2... Прикладное программное обеспечение специального назначения. 95

6.3... Инструментальное ПО.. 96

6.4... Нумерация версий программ. 98

6.5... Правовой статус программ. 98

6.6... Текстовые редакторы и процессоры.. 100

6.7... Программы подготовки презентаций. 103

6.8... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 106

7...... ЭЛЕКТРОННЫЕ ТАБЛИЦЫ.. 107

7.1... Основные понятия электронных таблиц Excel 107

7.2... Ввод, редактирование и форматирование данных. 109

7.3... Вычисления в таблицах. 110

7.4... Диаграммы.. 113

7.5... Списки. 114

7.6... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 116

8...... МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 118

8.1... Моделирование как метод познания. 118

8.2... Классификация моделей. 122

8.3... Компьютерное моделирование. 124

8.4... Информационные модели. 124

8.5... Примеры информационных моделей. 125

8.6... Базы данных. 126

8.7... Искусственный интеллект. 128

8.8... Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 129

9...... ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ.. 131

9.1... Основные этапы компьютерного решения задач. 132

9.2... Понятие алгоритма и его свойства. 133

9.3... Исполнители алгоритмов. 135

9.4... Способы описания алгоритмов. 137

9.5... Базовые управляющие структуры алгоритмов (основные алгоритмические конструкции) 144

9.6... Алгоритмы линейной структуры.. 147

9.7... Алгоритмы ветвящейся структуры.. 149

9.8... Алгоритмы циклической структуры.. 152

9.9... Способы комбинации базовых управляющих структур (основных алгоритмических конструкций) 159

9.10 Примеры комбинации основных алгоритмических структур. 160

9.11 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 165

10.... ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НА ЯЗЫКАХ ВЫСОКОГО УРОВНЯ 176

10.1 Основные понятия языков программирования. 176

10.2 Типы данных и операторы описания переменных. 181

10.3 Основные операторы.. 183

10.4 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 184

11.... ОСНОВНЫЕ ОПЕРАТОРЫ ЯЗЫКА VISUAL BASIC FOR APPLICATIONS 186

11.1 Оператор присваивания. 186

11.2 Условный оператор IF … THEN. 188

11.3 Оператор выбора варианта *. 190

11.4 Операторы цикла. 193

11.5 Оператор цикла FOR … NEXT. 196

11.6 Математические функции. 198

11.7 Функции обработки строк *. 199

11.8 Функции преобразования данных. 201

11.9 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 202

12.... ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.. 204

12.1 Концепция программирования. 204

12.2 Структурное и модульное программирование. 207

12.3 Рекурсивные алгоритмы *. 210

12.4 Объектно-ориентированное программирование. 211

12.5 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 215

13.... ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.. 217

13.1 Уровни языков программирования. 217

13.2 Системы программирования. 219

13.3 Классификация языков программирования. 220

13.4 Процедурные языки программирования. 221

13.5 Объектно-ориентированные языки. 223

13.6 Декларативные языки. 224

13.7 Языки программирования для баз данных и компьютерных сетей. 225

13.8 Языки моделирования *. 226

13.9 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 226

14.... ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ.. 228

14.1 Виды компьютерной графики. 229

14.2 Графические форматы.. 233

14.3 Цветовые модели *. 234

14.4 Программные средства создания растровых изображений. 235

14.5 Программы векторной графики. 237

14.6 Программные средства обработки трехмерной графики. 239

14.7 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 241

15.... ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БАЗ ДАННЫХ.. 242

15.1 Задачи, решаемые с помощью баз данных. 242

15.2 Классификация БД.. 244

15.3 Реляционная модель данных. 245

15.4 Свойства полей базы данных. 247

15.5 Типы данных. 248

15.6 Безопасность и объекты баз данных. 249

15.7 Проектирование баз данных *. 252

15.8 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 254

16.... СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ, ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ. 256

16.1 Задачи, решаемые с помощью систем автоматического проектирования 256

16.2 Программные продукты MathWorks. 258

16.3 САПР в легкой промышленности. 263

16.4 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 279

17.... ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ.. 280

17.1 Основы передачи данных. 280

17.2 Назначение и классификация сетей. 283

17.3 Сетевая модель OSI/ISO.. 286

17.4 Сетевое оборудование. 287

17.5 Основные стандарты и протоколы.. 289

17.6 Т Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 291

18.... ГЛОБАЛЬНАЯ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ. 294

18.1 Подключение к Интернет. 294

18.2 Службы Интернет. 296

18.3 Поиск информации в Интернете. 301

18.4 Поиск с использованием языка запросов *. 307

18.5 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 309

19.... ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.. 310

19.1 Угрозы информационной безопасности. 310

19.2 Методы и средства защиты информации. 312

19.3 Правовые основы информационной безопасности. 316

19.4 Ответственность за преступления в области информационных технологий 318

19.5 Криптографические механизмы защиты информации. 322

19.6 Компьютерные вирусы и вредоносные программы.. 324

19.7 Методы защиты от вирусов. 327

19.8 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля. 330

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 332

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие разработано в соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) третьего поколения подготовки бакалавров по направлениям 262000 «Технология изделий легкой промышленности» и 262200 «Конструирование изделий легкой промышленности» и учебными планами соответствующих направлений подготовки (профили «Технология швейных изделий», «Технология изделий из кожи», «Конструирование швейных изделий», «Конструирование изделий из кожи»). Учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Информатика», которая входит в базовую часть математического и естественнонаучного цикла ФГОС ВПО.

Уровень подготовки будущего бакалавра определяется совокупностью требований ФГОС ВПО соответствующего направления. Целью изучения дисциплины «Информатика» является формирование знаний и умений, а также развитие навыков и способностей, соответствующих следующим общекультурным и профессиональным компетенциям будущего выпускника:

– способность понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, осознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе;

– соблюдение основных требований информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны;

– владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации;

– наличие навыков работы с компьютером как средством управления информацией;

– способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях;

– готовность подготавливать презентации, научно-технические отчеты и доклады по результатам выполненных исследований;

– готовность применять информационные технологии при проектировании процессов изготовления изделий легкой промышленности;

В результате изучения дисциплины «Информатика» студент должен владеть знаниями основных понятий,изучаемых в информатике как науке; принципов и методов обработки, хранения и передачи информации; технических и программных средств реализации информационных процессов; файловых систем; моделей решения функциональных и вычислительных задач; основ алгоритмизации и программирования; языков программирования; программного обеспечения и технологии программирования; баз данных; методов работы в Интернете; общих сведений о пакетах прикладных программ; уметь использовать базовые функции текстовых, формульных и табличных процессоров, составлять алгоритмы решения типовых задач, осуществлять обмен информацией в сетях, проводить поиск информации в Интернете, работать с электронной почтой; владетьпользовательскими вычислительными системами и системами программирования; навыками использования типовых пакетов программ для обработки, текстовой и изобразительной информации, основами подготовки презентаций и отчетов.

Методика изучения дисциплины строится на основе сочетания теоретического и практического обучения. Пособие содержит основные теоретические сведения, необходимые для получения студентом базовых знаний, умений и навыков в соответствии с общекультурными и профессиональными компетенциями, указанными в матрице компетенций, представленной в учебных планах. Материалы, помеченные символом «*» (отдельные подразделы, понятия, примеры), требуют расширенного самостоятельного изучения и адресованы студентам, ориентированным на повышенный уровень подготовки.

Особое внимание в пособии уделяется системам и технологиям автоматизированного проектирования, получившим широкое применение в инженерно-конструкторской деятельности, в том числе и в легкой промышленности. Достаточно подробно, с приведением примеров решения задач различной сложности, изложен раздел «Основы алгоритмизации». Это имеет большое значение для студентов указанных направлений, так как для работы в системах автоматизированного проектирования (САПР) необходимо знание базовых понятий алгоритмизации.

Электронная версия пособия содержит интерактивные примеры, рассчитанные на демонстрацию их работы в среде Visual Basic for Applications, а также гиперссылки, обеспечивающие возможность навигации по тексту пособия. Так, в конце каждого раздела приводится гиперссылка «вернуться к содержанию».

Для активизации познавательной деятельности студентов в конце каждого раздела приводятся вопросы и тестовые задания для самоконтроля. Именно в форме тестирования проводится, например, Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования (http://фэпо.рф/).

В учебном пособии нашел отражение многолетний опыт преподавания дисциплины «Информатика» для студентов технических специальностей дневной и заочной форм обучения, в том числе с использованием дистанционных технологий. Пособие предназначается, прежде всего, для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 262000 «Технология изделий легкой промышленности» и 262200 «Конструирование изделий легкой промышленности». Однако может быть рекомендовано и для студентов других направлений ВПО.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

К основным понятиям информатики, раскрываемым в данном разделе, относятся следующие: общее представление об информации, её источники, характеристики и свойства, место и роль понятия «информация» в курсе информатики, меры и единицы количества и объёма информации, понятие о кодировании информации.

Понятие информации

Термин «информация» имеет множество определений, широко используется во многих науках и во многих сферах человеческой деятельности. Он происходит от латинского слова «informatio», означающего «сведения, разъяснения, изложение, осведомлённость». Это привычное понятие обозначает совокупность данных, сведений, знаний. В то же время строгого и общепринятого определения информации не существует. Информация в широком философском смысле – отражение реального (или вымышленного) мира, в узком прикладном – сведения, являющиеся объектом хранения, обработки и передачи.

Мы живём в материальном мире. Все физические объекты, окружающие нас, являются либо телами, либо полями. Они находятся в постоянном движении и изменении, взаимодействуют друг с другом, в результате порождаются сигналы различных типов. Любой сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может порождать в физических телах изменения свойств. Это явление называется регистрацией сигналов. Изменения можно наблюдать, измерять, фиксировать иным способом – при этом получаются и регистрируются новые сигналы. Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе, называются данными.

Характеристика физического процесса, используемая для представления данных, называется параметром сигнала. Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их конечное число, то сигнал называется дискретным (например, печатный текст – последовательность букв). Если параметр сигнала – непрерывная во времени функция, то сигнал называется непрерывным (например, устная речь – модулированная звуковая волна). Непрерывные сигналы можно преобразовать в дискретные. Такое преобразование называется дискретизацией.

Существует большое количество физических методов регистрации сигналов на материальных носителях. Это могут быть механические воздействия, перемещения, изменения формы или магнитных, электрических, оптических параметров, химического состава, кристаллической структуры. В соответствии с методами регистрации данные могут храниться и транспортироваться на различных носителях. Наиболее часто используемый и привычный носитель – бумага; сигналы регистрируются путём изменения её оптических свойств. Сигналы могут быть зарегистрированы и путём изменения магнитных свойств полимерной ленты с нанесённым ферромагнитным покрытием, как это делается в магнитофонных записях, и путём изменения химических свойств – в фотографии.

Данные несут информацию о событии, но не являются самой информацией, так как одни и те же данные могут восприниматься (отображаться, представляться или, ещё говорят, интерпретироваться) в сознании разных людей совершенно по-разному. Например, текст, написанный на русском языке (т.е. данные), даст различную информацию человеку, знающему алфавит и язык, и человеку, не знающему их.

Чтобы получить информацию, имея данные, необходимо к ним применить методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы, в свою очередь, тоже различны. Например, человек, знающий русский язык, применяет адекватный метод, читая русский текст. Соответственно, человек, не знающий русского языка и алфавита, применяет неадекватный метод, пытаясь понять русский текст.

Таким образом, информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных методов. Информация не является статическим (не изменяющимся во времени) объектом, она появляется и существует только в ходе информационного процесса – в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов, всё прочее время она передаётся или хранится в виде сигналов или в форме данных. Человек воспринимает первичные данные различными органами чувств (зрение, слух, обоняние, вкус, осязание), и на их основе сознанием могут быть построены вторичные абстрактные (смысловые, семантические) данные.

Без информации не может существовать жизнь. Информационные процессы присущи всем живым существам, но в особенности – человеку. Получение символьной информации (слов, знаков, формул), её анализ и генерирование составляют основу абстрактного мышления, отличающего человека от животного.

Основные функции информации в обществе: познавательная (получение новой информации); коммуникативная (общение); управленческая (формирование целесообразного поведения управляемой системы).

Свойства информации

Информация имеет большое количество разнообразных свойств. В рамках нашего рассмотрения наиболее важными являются такие свойства, как дуализм, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность. Рассмотрим их подробнее.

Дуализм информации характеризует её двойственность. С одной стороны, информация объективна в силу объективности данных, с другой – субъективна в силу субъективности применяемых методов. Иными словами, методы могут вносить в большей или меньшей степени субъективный фактор и таким образом влиять на информацию в целом. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают разную информацию, хотя прочитанный текст, т.е. данные, были одинаковы. Более объективная информация получается применением методов с меньшим субъективным элементом.

Полнота информации характеризует достаточность данных для принятия решения или создания новых данных на основе имеющихся. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределённости. В то же время избыточный набор данных затрудняет доступ к нужным данным, создаёт повышенный информационный шум, что также вызывает необходимость дополнительных методов, например, фильтрации, сортировки.

Достоверность информации – степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью, характеризующая отсутствие ошибок. Чем выше уровень шума по сравнению с полезным сигналом, тем ниже достоверность. В этом случае приходится использовать более сложные методы или больше данных, например, повторная передача.

Адекватность информации – степень соответствия информации действительной обстановке, реальному объекту, процессу, явлению. Неадекватная информация может получаться на основе неполных и(или) недостоверных данных, а также при использовании неадекватных методов.

Доступность информации – это возможность получения информации при необходимости. Доступность складывается из двух составляющих: из доступности данных и доступности методов.

Актуальность информации – степень соответствия текущему моменту времени. Информация, актуальная сегодня, может стать совершенно ненужной по истечении некоторого времени. Например, программа телепередач на нынешнюю неделю будет неактуальна для многих телезрителей на следующей неделе.

Понятие количества информации

Свойство полноты информации негласно предполагает, что имеется возможность измерять количество информации. Какое количество информации содержится в данной лекции, какое количество информации в популярной песенке? Ответы на подобные вопросы не просты и не однозначны, так как во всякой информации присутствует субъективная компонента.

Информационные сообщения могут рассматриваться на трёх уровнях. На синтаксическом уровне рассматриваются только данные как последовательности символов. На семантическом – анализируется смысловое содержание сообщения по отношению к источнику. На прагматическом – рассматривается потребительская ценность сообщения – отношение к получателю.

Самый простой способ измерения информации – объёмный – это количество символов в сообщении. Этот способ чувствителен к форме представления сообщения, так как, например, одно и то же число может записываться по-разному с использованием разных алфавитов: «восемь», 8, VIII или 1000 – в двоичной форме.

При энтропийном подходе количеством информации называют числовую характеристику информации, отражающую ту степень неопределённости, которая исчезает после получения информации. Так, бросание монеты может привести к одному из двух равновероятных состояний: орёл или решка. В результате броска неопределённость снимается. При числе равновероятных состояний N количество информации Н определяется по формуле Хартли:

Н=log₂N. (1.1)

Для неравновероятных состояний используется формула Шеннона:

(1.2)

где – вероятность появления i-го символа.

За единицу информации принимается один бит (англ. bit – binary digit – двоичная цифра). Это количество информации, при котором неопределённость, т.е. количество вариантов выбора, уменьшается вдвое или, другими словами, это ответ на вопрос, требующий односложного разрешения – да или нет. За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных состояний. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации. Для получения количества информации в дитах следует заменить логарифм по основанию 2 десятичным логарифмом. По аналогии, используя натуральный логарифм, можно определить количество информации в натах.

Бит – минимальная единица измерения информации. На практике чаще применяются более крупные единицы, например, байт, являющийся последовательностью из восьми бит. Именно восемь битов, или один байт, используется для того, чтобы закодировать символы алфавита, клавиши клавиатуры компьютера. Один байт также является минимальной единицей адресуемой памяти компьютера, т.е. обратиться в память можно к байту, а не биту.

Широко используются ещё более крупные производные единицы информации:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт = 2¹³ бит,

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт = 2²³ бит,

1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт = 2³³ бит,

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт = 2⁴³ бит.