Міністерство освіти і науки, молоді та спорту УкраїниНаціональна академія наук України

Національний центр «Мала академія наук України»

М. М. ГузійГ. С. ПрокудінЄ. В. Шевцова

ІНФОРМАТИКА: навчально-методичний посібник

для слухачів Всеукраїнської заочної хімічної школи

Київ 2012

© Гузій М., Прокудін Г., Шевцова Є., 2012© Національний центр

«Мала академія наук України», 2012

Редакційна колегія:О. В. Лісовий, Т. В. Пещеріна, С. І. Кічайкіна

Гузій М. М., Прокудін Г. С., Шевцова Є. В. Інформатика : навчально-методичний посібник для слухачів Всеукраїн-

ської заочної хімічної школи ; за ред. О. В. Лісового. — К., 2012. — 90 с.

3

ЗМІСТ

Розділ 1. Інформатика та основи інформаційної культури . . . . . . . . . . . . . . 5

1. Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Інформатика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Предмет і завдання інформатики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Людина — інформація — суспільство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.1. Інформаційна картина світу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2. Інформаційне суспільство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3. Інформаційна культура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.4. Інформаційні ресурси й інформаційні технології . . . . . . . . . . . . . . . . 154.5. Інформатизація суспільства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.6. Інформаційні революції та їх пеедумови . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5. Основні поняття інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.1. Дані як джерело інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.2. Носії даних . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.3. Що таке інформація?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.4. У якому виді існує інформація? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.5. Що таке команда і як вона виконуються? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.6. Дані та команда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.7. Структура даних . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.8. Структури команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.9. Як передається інформація? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.10. Що можна робити з інформацією? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.11. Властивості інформації. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.12. Вимірювання кількості інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.13. Опрацювання інформації та її захист . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Вправи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Завдання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4

6. Кодування інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.1. Кодування інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.2. Мови кодування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.3. Кодування інформації двійковим кодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.4. Спеціальні види кодування й криптографія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Завдання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

7. Аналогове та цифрове представлення інформації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

8. Можливості комп’ютерних технологій . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568.1. Використання інформатики та комп’ютерної техніки . . . . . . . . . . . . 568.2. Електронні гроші . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.3. Що вміє комп’ютер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698.4. Чи може комп’ютер мислити? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708.5. Чого „не вміє» комп’ютер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

9. Моделювання і формалізація . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739.1. Моделювання як метод пізнання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739.2. Статичні і динамічні інформаційні моделі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759.3. Форми представлення інформаційних моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . 769.4. Класифікація інформаційних моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799.5. Об’єктно-орієнтовне моделювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Завдання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5

Ðîçä³ë 1. ²ÍÔÎÐÌÀÒÈÊÀÒÀ ÎÑÍÎÂÈ ²ÍÔÎÐÌÀÖ²ÉÍί ÊÓËÜÒÓÐÈ

1. Âñòóï

Ви почали вивчення предмету «Інформатика». Основним об’єктом уваги цієї дисципліни є процес інформатизації та комп’ютеризації сучас-ного суспільства, який охоплює всі сфери нашого життя й швидко роз-вивається.

Фундаментальні науки вивчають об’єктивні закони природи та су-спільства, які не залежать від волі людей (закони математики, фізики, хімії, біології, економіки, історії, релігії та культурології.

Поряд з фундаментальними існують й прикладні науки, а також дис-ципліни, які виникли на межі кількох наук, — біофізика, екологія, елек-троніка.

Те, що пов’язано з набуттям нових знань про навколишній світ, рані-ше не відомих людні, — називають наукою, а те, що пов’язано з реалі-зацією цих знань в процесі створення та використання матеріальних та духовних благ, — називають технологією. Між цими поняттями відсутня чітка межа, їх не можна протиставити один одному. Якщо наука стиму-лює розвиток технологій, то й технології стимулюють розвиток науки. В деяких випадках спроба створити певну технологічну новинку на базі відомих законів призводило до набуття нових фундаментальних знань (яскравим прикладом є розвиток космічних технологій).

Відомо, що існують фізики, математики, хіміки, але немає «інформа-тиків». Це пов’язано з тим, що інформатика — досить широка сфера, яка виникла на зламі кількох фундаментальних та прикладних дисциплін.

Теоретичну основу інформатики утворює група фундаментальних наук, яку можна віднести у рівній степені й до математики, й до кіберне-тики: теорія інформації, теорія алгоритмів, математична логіка, комбіна-торний аналіз, формальна граматика і т. і. Інформатика має й власні роз-діли: операційні системи, архітектура ЕОМ, теоретичне програмування, теорії баз даних й ін..

«Матеріальна» база інформатики пов’язана з багатьма розділами фі-зики, хімії, а особливо — з електронікою та радіотехнікою.

Ядро інформатики — інформаційна технологія — як сукупність пев-них технічних та програмних засобів, з допомогою яких виконуємо різно-

6

манітні операції з опрацювання інформації в усіх галузях нашого життя та діяльності. Інколи інформаційну технологію називають комп’ютерною технологією або прикладною інформатикою. Надалі, в залежності від кон-тексту, будуть використовуватися всі три позначення.

Центральне місце в прикладній інформатиці займає комп’ютер. В на-ні державі його інколи називають електронною обчислювальною ма-шиною (ЕОМ). Ми будемо розглядати найбільш розповсюджений тип ЕОМ — персональний комп’ютер (ПК). Слід відзначити, що термін «комп’ютер» відображає лише історію виникнення ЕОМ: у сучасному комп’ютері обчислення — далеко не єдина й у багатьох випадках не го-ловна функція.

В курсі ІКТ ви будете вивчати основи сучасної інформаційної техно-логії. На вас чекає:- ознайомлення з основоположними принципами роботи програмно-тех-нічних засобів та організація даних в комп’ютерних системах;

- оволодіння основними навиками роботи з персональним комп’ютером;- освоєння базових елементів сучасної інформаційної технології: опра-цювання зображень та текстових документів, робота з електронними таблицями та презентаціями, принципи роботи з базами даних та мере-жами телекомунікацій, основи опрацювання звуку та анімації;

- ознайомлення з різноманітними сферами застосування комп’ютерів у сучасному суспільстві.

Ï è ò à í í ÿ

1. Чим відрізняється наука від технології.?2. Що таке інформаційна технологія?3. З якими науками пов’язана інформаційна технологія?4. Що таке кібернетика?5. Що таке ергономіка?

2. ²íôîðìàòèêà

Термін «інформатика» (франц. informatique) походить від французь-ких слів information (інформація) і automatique (автоматика) і дослівно означає «інформаційна автоматика».

Широко розповсюджений також англомовний варіант цього термі-на — «Сomputer science», що означає буквально «комп’ютерна наука».

7

Інформатика — це дисципліна заснована на використанні комп’ютерної техніки, що вивчає структуру і загальні властивості інформації, а також закономірності і методи її створення, збереження, пошуку, перетворення, передачі і застосування в різних сферах людської діяльності.

У 1978 році міжнародний науковий конгрес офіційно закріпив за по-няттям «інформатика» галузі, пов’язані з розробкою, створенням, ви-користанням і матеріально-технічним обслуговуванням систем обробки інформації, включаючи комп’ютери і їх програмне забезпечення, а також організаційні, комерційні, адміністративні і соціально-політичні аспекти комп’ютеризації — масового впровадження комп’ютерної техніки в усі галузі життя людей.

Таким чином, інформатика базується на комп’ютерній техніці і не-мислима без неї.

Інформатика — комплексна наукова дисципліна з найширшим діа-пазоном застосування. Її пріоритетними напрямками є:• розробка обчислювальних систем і програмного забезпечення;• теорія інформації, що вивчає процеси, зв’язані з передачею, прийомом, перетворенням і збереженням інформації;

• математичне моделювання, методи обчислювальної і прикладної ма-тематики і їх застосування до фундаментальних і прикладних дослі-джень у різних областях знань;

• методи штучного інтелекту, що моделюють методи логічного й аналі-тичного мислення в інтелектуальній діяльності людини;

• біоінформатика, що вивчає інформаційні процеси в біологічних сис-темах;

• соціальна інформатика, що вивчає процеси інформатизації суспільства;• методи машинної графіки, анімації, засобів мультимедіа;• телекомунікаційні системи і мережі, у тому числі, глобальні комп’ю-терні мережі, що поєднують усе людство в єдине інформаційне спів-товариство;

• різноманітні додатки (програми), що охоплюють виробництво, науку, освіту, медицину, торгівлю, сільське господарство і всі інші види гос-подарської і суспільної діяльності.

В інформатиці виділяють три нерозривно й тісно пов’язані части ни — технічні, програмні й алгоритмічні засоби.

8

Технічні засоби, або апаратура комп’ютерів, в англійській мові по-значається словом Hardware, що буквально перекладається як «тверді вироби».

Для позначення програмних засобів, під якими розуміється сукуп-ність усіх програм, що використовуються комп’ютерами, використо-вують слово Software (буквально — «м’які вироби»), що підкреслює рівнозначність самої машини і програмного забезпечення, а також здат-ність програмного забезпечення модифікуватися, пристосовуватися і розвиватися.

Програмуванню задачі завжди передує розробка способу її розв’язання у виді послідовності дій, що ведуть від вихідних даних до шуканого результату, іншими словами, розробка алгоритму розв’язання задачі. Для позначення частини інформатики, пов’язаної з розробкою алгорит-мів, вивченням методів і прийомів їх побудови, застосовують термін Brainware (англ. brain — інтелект).

Значення інформатики у розвитку суспільства надзвичайно велика. З нею пов’язаний початок революції в області зберігання, передачі й об-робки інформації. Ця революція, що слідує за революціями в оволодін-ні речовиною та енергією, торкається і докорінно перетворює не тільки сферу матеріального виробництва, але й інтелектуальну, духовну сфери життя. Швидке збільшення можливостей комп’ютерної техніки, розви-ток інформаційних мереж, створення нових інформаційних технологій призводять до значних змін у всіх сферах суспільства: у виробництві, науці, освіті, медицині і т. д.

Ï è ò à í í ÿ1. Що означає термін «інформатика» і яке його походження?2. Які галузі знань і адміністративно-господарської діяльності офі-

ційно закріплені за поняттям «інформатика» з 1978 року?3. Які сфери людської діяльності й у якому ступені торкається інфор-

матика?4. Що вивчає інформатика?5. Які частини виділяють в інформатиці? У чому полягає їх значення?6. Які напрямки досліджень виділяють у складі основного завдання

інформатики?7. У чому полягає предмет інформатики?

9

3. Ïðåäìåò ³ çàâäàííÿ ³íôîðìàòèêè

З викладеного вище зрозуміло, що інформатика дуже близька до тех-нології, тому її предмет називають інформаційною технологією.

Предмет інформатики становлять такі поняття:• апаратне забезпечення засобів обчислювальної техніки;• програмне забезпечення засобів обчислювальної техніки;• взаємодія апаратного та програмного забезпечення;• взаємодія людини з апаратними й програмними засобами.

Основним завданням інформатики є систематизація прийомів та ме-тодів роботи з апаратними та програмними засобами. Мета системати-зації — виділити й упорядкувати передові, найефективніші технології, а також методично забезпечити нові технологічні дослідження. У складі основного завдання виділяють наступні напрями досліджень:• прийоми та методи побудови обчислювальних систем;• прийоми, методи й засоби розробки програм (програмування);• програмні методи й апаратні засоби перетворення даних та їх тран-спортування;

• підвищення технічних характеристик зберігання, обробки й передачі даних;• розробка методів і засобів захисту даних;• автоматизація функціонування комп’ютерних систем;• стандартизація апаратних компонентів, програмних засобів і форматів подання даних з метою підвищення сумісності між обчислювальними системами.На всіх етапах вивчення інформатики ключовим поняттями є ефек-

тивність. Вивчаючи апаратні засоби, під ефективністю розуміють від-ношення продуктивності обладнання до його вартості. Під час вивчен-ня програмного забезпечення, ефективністю називають продуктивність людей, які працюють з обчислювальною технікою. Вивчаючи програму-вання, під ефективністю розуміють обсяг програмного коду, створе6 ого програмістом за одиницю часу. В інформатиці все орієнтоване на ефек-тивність. Питання, як здійснити ту чи іншу операцію, для інформати-ки є вступним. Основне ж — це питання, як здійснити таку операцію ефективно.

Ï è ò à í í ÿ1. Що є основним предметом інформатики?2. Що є основним завданням інформатики?

10

4. Ëþäèíà — ³íôîðìàö³ÿ — ñóñï³ëüñòâî

4.1. ²íôîðìàö³éíà êàðòèíà ñâ³òó

Ми живемо в макросвіті, тобто у світі, що складається з об’єктів, по своїх розмірах порівнянних з людиною. Звичайно макрооб’єкти роз-діляють на неживі (будинки, транспортні засоби, меблі, одяг, верстати і механізми і т. д.) і живі (рослини, тварини, сама людина).

Макрооб’єкти складаються з молекул і атомів, що, у свою чергу, скла-даються з елементарних часток, розміри яких надзвичайно малі. Цей світ називається мікросвітом.

Ми живемо на планеті Земля, що входить у сонячну систему, Сон-це разом з мільйонами інших зірок утворить нашу галактику Чумаць-кий шлях, а мільйони галактик утворять Всесвіт. Усі ці об’єкти мають величезні розміри й утворять мегасвіт. Усе різноманіття матеріальних об’єктів складається з речовини.

Усі матеріальні об’єкти взаємодіють один з одним і тому мають енер-гію. Види енергії переходять одна в одну виконуючи корисну роботу. Механічна енергія падаючої води обертає турбіни гідроелектростанцій, теплова енергія перетворюється в електричну на теплових електростан-ціях, атомна в електричну — на атомних станціях. Електрична енергія передається по проводах і за допомогою електродвигунів перетворюєть-ся в механічну енергію (рух потягів, ліфтів і т. д.).

Людина сприймає навколишній світ (одержує інформацію) за допомо-гою органів почуттів (зір, слух, нюх, дотик, смак). Для того щоб правильно орієнтуватися у світі, вона запам’ятовує отриману інформацію (зберігає інформацію). У процесі досягнення певної мети людина приймає рішення (обробляє інформацію). У процесі спілкування з іншими людьми людин передає і приймає інформацію. Людина живе у світі інформації.

Світ існує в трьох основних формах: речовина, енергія, інформація. Процеси, зв'язані з одержанням, збереженням, обробкою і передачею інформації, називаються інформаційними процесами.

Історія людського суспільства — це, у визначеному змісті, історія накопичення і перетворення інформації. Весь процес пізнання є проце-сом одержання і накопичення інформації. Для обміну інформацією між людьми використовуються мови. Збереження інформації здійснюється за допомогою книг, а останнім часом усе більше за допомогою електро-нних носіїв інформації.

11

Одержання і перетворення інформації є умовою життєдіяльності будь-якого організму. Навіть найпростіші одноклітинні організми по-стійно сприймають і використовують інформацію, наприклад, про тем-пературу і хімічний склад середовища для вибору найбільш сприятли-вих умов існування.

Інформаційні процеси характерні не тільки для людини, суспільства і живої природи, але і для техніки. Людиною створені технічні пристрої, зокрема комп'ютери, що спеціально призначені для автоматичної оброб-ки інформації.

Сама людина є носієм дуже великого обсягу інформації у виді зоро-вих образів, знання різних фактів і теорій. Людське мислення фактично реалізується у формі процесів обробки інформації в мозку людини.

Інформаційний підхід до дослідження світу реалізується в рамках ін-форматики, комплексної науки про інформацію й інформаційні процеси.

Інформатика — це наука, що вивчає інформаційні процеси в живій і неживій природі, суспільстві і техніку.

4.2. ²íôîðìàö³éíå ñóñï³ëüñòâî

Людське суспільство в міру свого розвитку пройшло етапи оволодіння речовиною, потім енергією, і, нарешті, інформацією. У первіснообщин-ному, рабовласницькому і феодальному суспільствах (в основі існування яких лежало ремесло) діяльність суспільства в цілому і кожної людини окремо була спрямована, у першу чергу, на оволодіння речовиною.

Але з самого початку людської історії, виникла потреба передачі і збе-реження інформації. Для передачі інформації спочатку використовувала-ся мова жестів, а потім людська мова. Першим способом збереження інформації стали наскальні малюнки, у IV тисячоріччі до н. е. з’явилася писемність і перші носії інформації (шумерські глиняні таблички і єги-петські папіруси).

Починаючи з XVII століття в процесі становлення машинного вироб-ництва, на перший план виходить проблема оволодіння енергією (машини і верстати необхідно було надавати руху). Оволодіння енергією дозволи-ло перейти до масового машинного виробництва споживчих товарів, було створено індустріальне суспільство. Основними показниками розвине-ності індустріального суспільства були кількісні показники, тобто скільки було добуто вугілля і нафти, скільки зроблено верстатів і т. д.

У цей період відбувалися також істотні зміни в способах збереження і передачі інформації. У середині XV століття було винайдене друкар-

12

ство, що дозволило зробити інформацію доступної для набагато більшої кількості людей. З кінця XIX століття для передачі інформації на дале-кі відстані по проводах стали широко використовуватися телеграф і те-лефон, а в XX столітті — електромагнітні хвилі (радіо, телебачення). Першою спробою автоматизованої обробки інформації стало створення Чарльзом Беббіджем у середині XIX століття механічної цифрової ана-літичної машини.

З середини XX століття почався поступовий перехід від індустріаль-ного до інформаційного суспільства. В інформаційному суспільстві го-ловним ресурсом є інформація, саме на основі володіння інформацією про всілякі процеси і явища можна ефективно й оптимально будувати будь-яку діяльність. Важливо не тільки зробити велику кількість про-дукції, але зробити потрібну продукцію у визначений час, з визначени-ми витратами і т. д. Тому в інформаційному суспільстві підвищується не тільки якість споживання, але і якість виробництва, людина, що ви-користовує інформаційні технології, має кращі умови праці, праця стає творчою, інтелектуальною і т. д.

У наш час розвинуті країни світу фактично вже вступили в інформа-ційне суспільство. Як критерії розвиненості інформаційного суспільства можна взяти три: наявності комп’ютерів, рівень розвитку комп’ютерних мереж і кількість населення що зайняте у інформаційній сфері та вико-ристовує інформаційні технології у своїй повсякденній діяльності.

Перші електронно-обчислювальні машини (ЕОМ), що автоматично, по заданій програмі, обробляли великі обсяги інформації, були створені в 1946 році в США (ЭНІАК) і в 1950 році в СРСР (МЕОМ). У 40–60-х роках ХХ століття виробництво ЕОМ вимірялася одиницями, десятками і, у кращому випадку, сотнями штук. ЕОМ були дуже дорогими і дуже великими (займали величезні зали) і тому залишалися недоступними для масового споживача.

Масове виробництво порівняно недорогих персональних комп’ютерів почалося із середини 1970-х років з комп’ютера Apple II. Кількість зро-блених персональних комп’ютерів почало нараховувати десятки тисяч у рік, що на ті часи було значним досягненням.

На початку 80-х років ХХ століття приступила до масового вироб-ництва персональних комп’ютерів корпорація IBM. Незабаром IBM-сумісні комп’ютери почали випускати багато фірм, і їх виробництво досягло сотень тисяч у рік. Виробництво персональних комп’ютерів по-стійно росло і до кінця 1990-х років досягло 100 млн у рік.

13

Персональний комп’ютер став доступний масовому споживачу, і те-пер у розвинутих країнах світу комп’ютер присутній на більшості робо-чих місць і в більшості родин.

В наш час тенденцією в інформатизації суспільства є перехід від ви-користання комп’ютерів в автономному режимі до використання їх в ін-формаційних мережах. Інформаційні мережі створюють реальну мож-ливість швидкого і зручного доступу користувача до всієї інформації, накопиченої людством за свою історію. Електронна комп’ютерна пош-та, комп’ютерні телеконференції і відеоконференції, пошук інформації в «Всесвітній павутині» стали повсякденною практикою користувачів комп’ютерів у розвитих країнах.

Розвиток глобальних комп’ютерних мереж почалося в 80-і роки ХХ сто -ліття. У 1981 році в мережі Інтернет нараховувалося лише 213 ком-п’ютерів, до кінця 80-х кількість підключених до мережі комп’ютерів зросло до 150 тисяч, однак найбільш швидкий експонентний ріст їх кіль-кості відбувався в 90-і роки ХХ століття. Щоб переконатися в цьому, до-сить простежити зростання кількості серверів у глобальній комп’ютерній мережі Інтернет (дані на січень кожного року) (рис. 1).

0,4 0,7 1,3 2,2 4,9 9,5 16,129,7

43,268,7

91,3104,4

124,5

195,8

243,7

0

50

100

150

200

250

300

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005гê

Рис.1 . Зростання кількості серверів Internet

Розвиток глобальної комп’ютерної мережі вимагає наявності каналів зв’язку з високою пропускною здатністю. У 1999 році почалася реалі-

14

зація міжнародного проекту по створенню мережі волоконно-оптичних надшвидкісних каналів зв’язку, які об’єднують 174 країни.

Про ступінь інформатизації окремих країн можна судити по кількості серверів Інтернет і кількості користувачів його ресурсами (рис. 2).

Рис. 2. Розподіл серверів Internet по країнах світу

Комп’ютери й інформаційні технології інтенсивно проникають і в сфе-ру матеріального виробництва; інженер, фермер, фахівці інших традицій-них професій усе частіше мають на своєму робочому місці комп’ютер.

Інформаційне суспільство — це суспільство, у якому велика частина населен-ня зайнята одержанням, переробкою, передачею і збереженням інформації.

4.3. ²íôîðìàö³éíà êóëüòóðà

Кількість інформації в сучасному суспільстві стрімко зростає, люди-на виявляється зануреною у море інформації. Для того щоб у цьому морі «не потонути», необхідно володіти інформаційною культурою, тобто знаннями й уміннями в області інформаційних технологій, а також бути знайомим з моральними і юридичними нормами у даній сфері.

Для життя в інформаційному суспільстві людина повинна мати певні знання, вона повинна мати представлення про інформацію і інформа-ційні процеси, пристрої комп’ютера і програмне забезпечення, інфор-маційне моделювання і розв’язування задач за допомогою комп’ютера.

Процес інформатизації суспільства змінює традиційні погляди на пе-релік умінь і навичок, необхідних для соціальної адаптації. Візьмемо традиційну навичку писання. На зорі цивілізації (Шумер, Єгипет), в античному світі (Еллада, Римська імперія й ін.) і в середні століття

15

(до винаходу друкарства) навичка каліграфічного письма була запору-кою успішного просування по соціальним сходам. В індустріальному суспільстві (до винаходу персональних комп’ютерів) навички письма ручкою необхідна для будь-якого члена суспільства. Нарешті, у наш час, на порозі інформаційного суспільства соціальна значимість писання ручкою знижується і, навпаки, соціальна значимість навички введення інформації за допомогою технічних засобів — зростає.

Створення і редагування документів на комп’ютері стає в інформа-ційному суспільстві соціально необхідним умінням.

Сучасні інформаційні технології дозволяють включати до складу до-кумента будь-які мультимедійні об’єкти (графіку, звук, анімацію. відео). Уміння працювати з інформацією, представленої у всіх цих формах, стає також соціально значимим.

У сучасному інформаційному суспільстві необхідні не тільки нави-чки традиційного креслення на ватмані, а й корисно мати первісне пред-ставлення про призначення і можливості комп’ютерних систем автома-тизованого проектування (САПР), що, наприклад, дозволяють швидко розглянути різні варіанти розміщення меблів у квартирі.

Характерною ознакою сучасної України є перехід до ринкової економі-ки. На цьому етапі виникає потреба у великій кількості фахівців в області економіки і бухгалтерського обліку. Робота фахівців у цих галузях діяль-ності немислима без використання комп’ютерів і інформаційних техно-логій.

Найважливішою складовою частиною інформаційної культури сучасної людини є комунікативна культура з використанням сучасних інформацій-них технологій. Розвиток мережних інформаційних технологій зробило ін-формаційні ресурси глобальної комп’ютерної мережі Інтернет потенційно доступними більшості людства. Одержання необхідної інформації з мережі стає невід’ємною частиною інформаційної культури людини.

Робота в комп’ютерних мережах вимагає знання і дотримання пра-вил поведінки, прийнятих у мережі. Існують визначені правила роботи з електронною поштою й участі в телеконференціях, комп’ютерним спів-товариством засуджується розміщення на сторінках Інтернет насиль-ства, пропаганди наркотиків і порнографії.

Необхідно знати і виконувати існуючі закони, що забороняють нелегаль не копіювання і використання програмного забезпечення. Ком-п’ютерні пірати, нелегально тиражуючи програмне забезпечення, знеці-

16

нюють працю програмістів і нерідко пропонують користувачам недо-працьовані програмні продукти.

Усе перераховане вище вивчається в курсі ІКТ, яка як загальноосвіт-ній предмет відіграє особливу роль в епоху переходу від індустріального до інформаційного суспільства.

4.4. ²íôîðìàö³éí³ ðåñóðñè é ³íôîðìàö³éí³ òåõíîëî㳿.

Інформаційні ресурси — це ідеї людства і вказівки по їхній реалізації, накопичені у формі, що дозволяє їхнє відтворення.

До інформаційних ресурсів відносять книги, статті, патенти, дисер-тації, науково-дослідна і дослідно-конструкторська документація, тех-нічні переклади, дані про передовий виробничий досвід і ін..

Інформаційні ресурси (на відміну від всіх інших видів ресурсів — трудових, енергетичних, мінеральних і т. д.) тим швидше зростають, чим більше їх витрачають.

Інформаційна технологія — це сукупність методів і засобів, які використо-вують люди для обробки інформації.

Людство займалося обробкою інформації тисячі років. Перші інфор-маційні технології ґрунтувалися на використанні лічби і писемності. В середині ХХ століття почався винятково швидкий розвиток цих тех-нологій, що в першу чергу пов’язано з появою комп’ютерів.

В даний час термін «інформаційна технологія» вживається в зв’язку з використанням комп’ютерів для обробки інформації. Інформаційні технології охоплюють всю обчислювальну техніку і техніку зв’язку і, частково, — побутову електроніку, телебачення і радіомовлення.

Вони знаходять застосування в промисловості, торгівлі, управлінні, банківській системі, освіті, охороні здоров’я, медицині і науці, транспор-ті і зв’язку, сільському господарстві, системі соціального забезпечення, служать підмогою людям різних професій і домогосподаркам.

Удосконалювання інформаційних технологій являє собою важливу, хоча дорогу і важку задачу.

17

4.5. ²íôîðìàòèçàö³ÿ ñóñï³ëüñòâà

Інформатизація суспільства — організований соціально-економічний та науково-технічний процес створення оптимальних умов для задоволення інформаційних потреб і реалізації прав громадян, органів державної вла-ди, органів місцевого самоврядування організацій, суспільних об’єднань на основі формування і використання інформаційних ресурсів.

Мета інформатизації — поліпшення якості життя людей за рахунок збільшення продуктивності і полегшення умов їхньої праці.

Інформатизація — це складний соціальний процес, пов’язаний із значни-ми змінами в способі життя населення. Він вимагає серйозних зусиль на ба-гатьох напрямках, включаючи ліквідацію комп’ютерної неграмотності, формування культури використання нових інформаційних технологій і ін.

4.6. ²íôîðìàö³éí³ ðåâîëþö³¿

4.6.1. ²íôîðìàòèçàö³ÿ é åòàïè ðîçâèòêó ñóñï³ëüñòâà

Багато століть суспільство було аграрним. Головний розвиток у ньо-му одержало сільське господарство, спрямоване на задоволення людей у звичайній їжі й одязі. Але вже тоді люди прагнули освоїти прийоми обчислень, часом досить складних. Завдяки цьому отримали розвиток різні науки, зокрема геометрія й стереометрія. Ці області математики були потрібні для поділу земельних ділянок, обчислення їх площі й т.ін., з урахуванням нерівності поверхні землі. Бурхливий розвиток одержала астрономія, оскільки закони руху Землі вели до зміни клімату, впливали на врожайність сільськогосподарських культур. Це був один з перших етапів інформатизації суспільства на відповідному рівні розвитку.

Потім наступив етап індустріалізації, що характеризується бурхли-вим розвитком техніки й створенням великої промислової індустрії. За-вдяки цьому різко зросла продуктивність людей у сфері виробництва товарів масового споживання — їжі, одягу, технічних товарів і т.ін.. По-трібні були знання в багатьох розділах математики, почал розвиватися нові напрямки науки розширюватися коло вже існуючих: математичне моделювання, математична фізика, механіка, электро- і радіотехніка, біологія, астрономія.

Тріумфом даного етапу розвитку суспільства стало освоєння атомної й термоядерної енергії й освоєння космосу.

18

Поступово економіка стала розподільною, оскільки виникла потреба вирішувати величезні по масштабах завдання розподілу матеріальних і інших цінностей, вироблених на локальних об’єктах (заводах, фабри-ках й інших підприємствах) по усьому світі. Це призело до необхідності оволодіння спеціальними знаннями по плануванню обсягів продукції (лінійне програмування), по плануванню оптимальних маршрутів для потоків товарів (теорія оптимізації й теорія графів) і ін.

4.6.2. ²íôîðìàö³éíèé âèáóõ

Для створення потужної промисловості та технічних об’єктів (мор-ських суден, літаків, космічних кораблів, військових засобів й ін.) по-трібні величезні обсяги знань. Це привело до величезни темпів розквіту науки й техніки. Вчені помітили характерну для цього часу (приблизно два останніх сторіччя) залежність — за деякий проміжок часу обсяг ін-формації зростає у певну кількість раз. При цьому проміжок чау щоразу скорочується.

Встановлено, що до 1900 року обсяг знань подвоювався за кож-ні 50 років, до 1950 року за — за 10 років, до 1970 року — за 5 років, до 1990 року — вже за кожний рік, а в наш час ще швидше. Такий лави-ноподібний процес характерний для хімічної реакції — вибуху. Тому й виникло поняття «інформаційного вибуху».

Поступово все більше число членів суспільства зі сфери матеріаль-ного виробництва й розподілу товарів і послуг почали переходити в сфе-ру накопичення, обробки й аналізу інформації. Основним пристроєм на-копичення, зберігання й швидкого опрацювання інформації в наш час є комп’ютери. В недалекому минулому, наприкінці 40-х років ХХ ст., з’явилися перші електронні обчислювальні машини (ЕОМ), а персо-нальні комп’ютери (ПК) з’явилися взагалі на початку 80-х років. Але вже у 2002 року число комп’ютерів в усьому світі перевищило 1 мільярд, а це в свою чергу означчає, що бідьш ніж одна четверта населення пла-нети у наш час мають справу з ПК.

Світ вкрився мережею дротових, радіо- і оптоволоконних ліній зв’язку. Стільникові телефони дозволили людям носити їх із собою й користуватися в будь-де, куди проникають радіохвилі. З’явилися переносні комп’ютери (но-утбуки) і навіть кишенькові персональні комп’ютери (КПК), які по обчислю-вальній потужності набагато переважають 30-тонну «ЭНИАК» і які важать менше 200 грамів. Такі зримі досягнення нових інформаційних технологій.

Але ящо вважати даний процес першою інформаційною революці-ює — то це буде помилка.

19

4.6.3. ²íôîðìàö³éí³ ðåâîëþö³¿

Накопичення інформації відбувається доволі повільно, не зважаючи на те, що даний процес має тенденцію до прискорення. Значні накопи-чення інформації відбуваються в періоди історії, які пов’язані із значни-ми відкриттями та технічним досягненями. В такому випадку кількість інформації збільшується лавинообдазно. Причому дана інформація має на людське життя такий вплив, що відбувається інформаціна револю-ція — докорінна зміна в значимовсті та технології використання інфор-мації що має вплив на життя суспільства та еконоімку світу.

Виділяють чотири інформаійні революції в історії людства:1. Виникнення письменності як засіб представлення та тривалого

зберігання інформації.2. Виникнення друкарства в середині XIV ст., що дозволило масово

теражувати інформацію.3. Використання електрики та радіохвиль на прикінці ХІХ ст. для пе-

редачі інформації на великі відстані, що призвело до появи засобів теле-комунікації (телефону, телеграфу, радіо, телебачення).

4. Створення мікропроцесорв та розробка ПК, що призвело до ефек-тивного орацювання інформації.

Зрозуміло, що в історії людства відбувалися й інші революції (ви-нахід фотоапарату, кінемотографія, розчеплення ядра атому та ін.), але не зважаючи на свою значимість, вони не маль такого значного впдиву на життя людства як зазначені вище чотири події.

Ï è ò à í í ÿ1. Що розуміють під інформаційною картиною світу?2. Які уміння необхідні в інформаційному суспільстві в першу чергу?3. Чому комп’ютерне піратство завдає шкоди суспільству?4. Чим відрізняється інформаційне суспільство від індустріального?5. По яких основних параметрах можна судити про ступінь розви-

неності інформаційного суспільства і чому?6. Що розуміють під інформаційним суспільством?7. Що можна сказати про зростання виробництва комп’ютерів?8. Що можна сказати про розвиток глобальної комп’ютерної мережі

Інтернет?9. Що розуміють під інформаційними технологіями та інформацій-

ними ресурсами.

20

10. Що розуміють під інформатизацією та інформатизацією суспіль-ства зокрема?

11. Як відбувається інформатизація у закладі освіти де Ви навчались.12. Що розуміють під інформаційним вибухом.13. Що розуміють під інформаційною революцією.

5. Îñíîâí³ ïîíÿòòÿ ³íôîðìàö³¿

5.1. Äàí³ ÿê äæåðåëî ³íôîðìàö³¿

Ми живемо в матеріальному світі. Усе, що нас оточує й з чим ми сти-каємося щодня, належить або до фізичних тіл, або до фізичних полів. З курсу фізики відомо, що тіла перебувають у безперервному русі, тобто стану абсолютного спокою не існує. Це ж твердження стосується й фі-зичних полів: вони перебувають у стані безперервних змін, пов’язаних з обміном енергією та її переходом з однієї форми в іншу.

І зміни тіл, і зміни полів може супроводжуватися поява сигналів. Усі види сигналів мають енергетичну природу, і її можна реєструвати. У мо-мент реєстрації сигналів утворюються дані. Коли ці дані будуть викорис-тані, вони стануть інформацією. Якщо сигнал згасає до того, як він буде зареєстрований, дані не утворюються і з них не утворюється інформація.

Приклад. Уявімо собі падіння великого метеорита на Землю 60 міль-йонів років тому, задовго до появи людини. Якщо внаслідок цього падін-ня утворилася велика вирва, то для науковців це зареєстровані дані. До-сліджуючи їх, вони можуть дістати інформацію про метеорит. Якби вирви не було й метеорит розсіявся б в атмосфері, не було б і інформації про його падіння. У цьому разі реєстрація падіння метеорита відбулася без участі людини й відобразилася в зміні форми земної поверхні.

Спостерігаючи за тим, як змагаються бігуни, ми дістаємо інформа-цію про час, витрачений на подолання дистанції, за допомогою стрілки секундоміра. Проте насправді ми реєструємо не час, а тільки переміщен-ня стрілки. Зверніть увагу на те, що дані подає кут повороту стрілки, але вони інформують про час проходження дистанції.

В електронному годинникові, який не має стрілок, дані подаються за допомогою кількості коливань, що минули за період від початку реє-страції. Якщо годинник пісковий, то дані подаються за допомогою кіль-кості піщинок, що перемістилися з верхньої камери у нижню.

Отже, зміни у фізичних тілах та енергетичних полях спричинюються до появи сигналів. Ці сигнали можуть викликати зміни в інших тілах у про-

21

цесі реєстрації. При цьому утворюються дані. Спостерігаючи за даними або використовуючи їх іншим способом, дістаємо відомості, що й становлять інформацію. Дані, які не використовують, не становлять інформації.

Приклад. Пояснюючи матеріал теми, учитель створює звукові сигнали, що поширюються в повітрі у вигляді звукових хвиль. У вухах ці звукові хвилі створюють сигнали іншої фізичної природи, які, зареє-струвавшись у мозку, стають даними. Якщо ці дані засвоїти, то вони стають інформацією й збільшують обсяг знань людини що їх сприйня-ла. Коли б учитель розмовляв незнайомою мовою, його так само почули б, але інформації не дістали б. Вона так і залишилася б набором даних, що поступово були б втрачені.

5.2. Íîñ³¿ äàíèõ

У прикладі з метеоритом видно, як земна поверхня може стати носієм даних. Це досить незвичний носій, який використовують деякі науковці. У повсякденному житті використовують інші носії даних. Наприклад, електромагніті сигнали, що несуть дані про звук, музику або відео зобра-ження, можна реєструвати на магнітній стрічці у вигляді ділянок різної намагніченості. Дані графічної інформації можна реєструвати на папері у вигляді ділянок різної яскравості. Зображення на фото- й кіноплівці зареєстровані у вигляді ділянок різного кольору й різної прозорості. Текстові дані зареєстровані в книжці або зошиті, утворюють візерунок, який можна прочитати й дістати за його допомогою інформацію (про-те для цього треба, щоб читач мав відповідну підготовку: він має знати абетку цієї мови, без цих знань текстової дані не стануть інформацією). Таким чином, щоб дані стали інформацією, може постати необхідність виконання певних умов, які залежать від виду даних.

5.3. Ùî òàêå ³íôîðìàö³ÿ?

Як було показано вище термін «інформація» походить від латинсько-го слова «informatio», що означає відомості, роз’яснення, викладення. Незважаючи на широке поширення цього терміна, поняття інформації є одним із самих дискусійних у науці. В даний час наука намагається знайти загальні властивості і закономірності, властиві багатогранному поняттю інформація, але поки це поняття багато в чому залишається ін-туїтивним і одержує різні значеннєві наповнення в різних галузях люд-ської діяльності:• у побуті інформацією називають будь-які дані або відомості, що кого-небудь цікавлять. Наприклад, повідомлення про які-небудь події, про

22

або діяльність і т. п. «Інформувати» у цьому змісті означає «повідоми-ти щось, невідоме раніше»;

• у техніці під інформацією розуміють повідомлення, передані у формі знаків або сигналів;

• у кібернетиці під інформацією розуміє ту частину знань, що викорис-товується для орієнтування, активної дії, керування, тобто з метою збе-реження, удосконалювання, розвитку системи (Н. Вінер).Люди обмінюються інформацією у формі повідомлень. Повідомлен-

ня — це форма представлення інформації у виді мови, текстів, жестів, поглядів, зображень, цифрових даних, графіків, таблиць і т. п.

Повідомлення — MESSAGE — упорядкована послідовність символів, призначена для передавання інформації, що сприймається користувачем як одне ціле.

Одне й те саме інформаційне повідомлення (стаття в газеті, оголо-шення, лист, телеграма, довідка, розповідь, креслення, радіопередача і т. п.) може містити різну кількість інформації для різних людей — в за-лежності від їх попередніх знань, від рівня розуміння цього повідомлен-ня та інтересу до нього.

Так, повідомлення, складене японською мовою, не несе ніякої нової інформації людині, що не знає цієї мови, але може бути високоінфор-мативним для людини, що володіє японською. Ніякої нової інформації не містить і повідомлення, викладене знайомою мовою, якщо його зміст незрозумілий або вже відомий.

Інформація є характеристика не повідомлення, а співвідношення між повідомленням і його споживачем. Без наявності споживача, хоча б по тен-ційного, говорити про інформацію безглуздо.

У випадках, коли говорять про автоматизовану роботу з інформаці-єю за допомогою певних технічних пристроїв, в першу чергу цікавляться не змістом повідомлення, а тим, скільки символів це повідомлення містить.

Стосовно до комп’ютерної обробки даних, під інформацією розуміють деяку послідовність символічних позначень (букв, цифр, закодованих графічних образів і звуків і т. п.), що несе смислове навантаження і пред-ставлену в зрозумілому комп’ютеру виді. Кожен новий символ у такій послідовності символів збільшує інформаційний обсяг повідомлення.

23

5.4. Ó ÿêîìó âèä³ ³ñíóº ³íôîðìàö³ÿ?

Інформація, як матерія й енергія, є основою світу й навколишньої природи, насамперед живої. Характерною ознакою живих організмів стала можливість сприйняття ними інформації про навколишнє серед-овище, опрацювання даної інформації й здатності робити з неї висновки, важливі для подальшого їх життя.

Інформація існуєй у живій й неживі природі у виді: текстів, малюнків, креслень, фотографій; світлових або звукових сигналів; радіохвиль; магніт-них записів; жестів і міміки; запахів і смакових відчуттів; хромосом, за до-помогою яких передаються в спадщину ознаки і властивості організмів і т. д.

Предмети, процеси, явища матеріальної або нематеріальної власти-вості, розглянуті з погляду їх інформаційних властивостей, називаються інформаційними об’єктами.

В інформатиці виділяють такі види інформації:

1) текстова (символьна);2) графічна;3) звукова;

4) числова;5) керуюча.

5.5. Ùî òàêå êîìàíäà ³ ÿê âîíà âèêîíóþòüñÿ?

Команда — це опис елементарної операції, що повинен виконати комп’ютер.

У загальному випадку, команда містить наступну інформацію:1) код виконуваної операції;2) вказівку по визначенню операндів (або їх адрес);3) вказівку по розміщенню одержуваного результату.В залежності від кількості операндів, команди бувають:

- одноадресні;- двоадресні;- трьоадресні;- змінноадресні.

Команди зберігаються в комірках пам’яті у двійковому коді.Як правило, цей процес розбивається на наступні етапи:1) з комірки пам’яті, адреса якої зберігається в лічильнику команд,

вибирається чергова команда; зміст лічильника команд при цьому збіль-шується на довжину команди;

2) обрана команда передається в пристрій керування на регістр команд;

24

3) пристрій керування розшифровує адресне поле команди;4) по сигналах ПУ операнди зчитуються з пам’яті і записуються

в АЛП на спеціальні регістри операндів;5) ПУ розшифровує код операції і видає в АЛП сигнал виконати від-

повідну операцію над даними; результат операції або залишається в про-цесорі, або відправляється в пам’ять, якщо в команді була зазначена адреса результату;

6) усі попередні етапи повторюються до досягнення команди «зупи-нитися»

Виконання команди можна простежити за схемою (схема 1).

’

Схема 1. Етапи виконання команди (пунктирними стрілками вказані шляхи та напрямки руху інформації,

а простими – шляхи та напрямки передачі сигналів управління)

5.6. Äàí³ òà êîìàíäà

Дані — важлива, але не єдина частина будь-якої інформації. Вони визна-чають її зміст.

Досі інформацію розглядали як набір зареєстрованих і використаних да-них. Слід, залишений метеоритом, — це дані для дослідників. Фотографія цього сліду — також дані. Результат спортсмена, зареєстрований на змаган-нях, — це дані, що можуть бути використані. Коли визначатимуть перемож-ця. Конспект лекцій — це дані, за допомогою яких закріплюють свої знання про навколишній світ. Цінники у крамницях — це дані, за допомогою яких

25

приймають рішення про купівлю певного товару або про відмову від неї. Зміст книжок, газет, часописів, програм телепередач — усе це дані.

Приклад. Під час заняття пролунав дзвоник, але ніхто з не під-нявся зі свого місця — усі писали далі контрольну роботу. Через п’ять хвилин, коли викладач сказав, що заняття закінчилося, всі здали зошити й вийшли з аудиторії.

Спробуємо відповісти на три питання:1. Чи передав викладач інформацію?2. Чи була ця інформація нова для студентів?3. Що ж нового викладач повідомив студентам?З першим питанням усе просто. Так, викладач передав сигнал, який

почули студенти й сприйняли. Отже, він передав інформацію.Значно складніше з другим питанням — тут виникає парадокс. Очевидно,

що жодних нових даних викладач не повідомив, бо те, що заняття закінчено, студенти й так знали за іншим сигналом (за дзвоником). Але також очевидно й те (третє питання) що викладач усе-таки щось нове повідомив, адже після дзвінка студенти не залишили аудиторію, а після слів викладача — так.

Цей парадокс можна розв’язати, якщо припустити, що інформація складається не тільки з даних, але й ще з чогось. Тож що містила інфор-мація викладача?

У словах викладача була прихована команда. Діставши її, студенти:• обробили раніше отримані дані (дзвоник)…• …і ухвалили рішення здати зошити.

Цей приклад наочно показує, що інформація може містити в собі не тільки дані, але й команди. Принцип поділу інформації на дані й ко-манди надзвичайно важливий для інформатики. Він лежить в основі ро-боти усієї сучасної обчислювальної техніки.

5.7. Ñòðóêòóðà äàíèõ

Роботу з великими наборами даних автоматизувати простіше, коли дані впорядковані, тобто утворюють задану структуру.

Якщо уявити собі книжку у вигляді окремих аркушів, на яких немає но-мерів сторінок, то, напевно, користуватися такою книжкою можна, проте це користування можна порівняти із сізіфовою працею. Спочатку доведеть-ся багато попрацювати над упорядкуванням даних, тобто зібрати сторінки у правильній послідовності. При цьому треба відновити нумерацію сторі-нок, тобто поставити на кожній сторінці її номер (зі збільшенням обсягу книжки трудомісткість упорядкування зростає, до того ж непропорційно).

26

Великі набори однорідних даних називають масивами.

Книжка без ілюстрацій — це один масив текстових даних (упорядко-ваний набір символів). Якщо в книжці є малюнок, то кожен малюнок — це окремий масив графічних даних (упорядкований набір кольорових або чорних, більш і сірих крапок).

Упорядковують дані так, щоб вони становили цілком визначені структури. Такі структури називають структурами даних. Найпростіші такі структу-ри: лінійна, таблична, ієрархічна.

Ці види структур зустрічаються у нашому щоденному житті.

5.7.1. ˳í³éí³ ñòðóêòóðè (ñïèñêè äàíèõ, âåêòîðè äàíèõ)

Лінійні структури — це добре знані вам списки. Список — це найпростіша структура даних, яка вирізняється тим, що кожний елемент даних одно-значно визначається своїм порядковим номером у масиві.

Позначаючи номери на сторінках незшитої книжки, ми створюємо структури списку. Звичайний журнал групи також має структуру списку, оскільки всі студенти групи зареєстровані в ньому під своїми унікальними номерами. Ми називаємо номер унікальним, оскільки в одній групі не мо-жуть бути зареєстровані два студенти з одним і тим самим номером.

Створюючи будь-яку структуру даних, слід розв’язати два питання: як поділити елемент даних між собою і як знайти потрібні елементи.

Приклад. У журналі групи це розв’язується наступним чином: ко-жен новий елемент списку заноситься з нового рядка, тобто рядок стає розділювачем. Тоді потрібний елемент можна знайти за номером рядка.

№ Прізвище, Ім’я, По батькові1 Андрійченко Катерина Іванівна2 Бондар Степан Володимирович3 Ворон Ольга Борисівна… … … … … … … … … … … … … … … … 31 Яковлева Анна Олексіївна

27

Розділювачем може бути і певний спеціальний символ. Розділю-вач між словами — пробіли. В українській мові, як і в багатьох єв-ропейських мовах, загальноприйнятим розділювачем речень є крапка. У розглянутому журналі як розділював можна використати будь-який символ, не задіяний у самих даних, наприклад «*». Тоді журнал мав би наступний вигляд:

Андрійченко Катерина Іванівна * Бондар Степан Володимирович * Ворон Ольга Борисівна * ….. * Яковлева Анна Олексіївна

У цьому разі для пошуку елемента з номером n треба проглянути список, починаючи з самого початку, і перерахувати розділювачі, що трапляються у тексті. Коли буде відраховано (n-1) розділювач, по-чнеться потрібний елемент. Він закінчиться, коли зустрінеться на-ступний розділювач.

Ще простіше можна діяти, якщо всі елементи в списку мають однакову довжину. Такий список можна використовувати як шифрувальну абетку.

Приклад. 001 АА002 АБ003 АВ…. ….

У списку елементів з однаковою довжиною розділювачі не потрібні. Для пошуку елемента з номером n треба проглянути список із самого початку й відрахувати а (n-1) символ, де а — довжина одного елемента. З наступного символу починається потрібний елемент. Його довжина також а, тому його кінець визначити нескладно.

Такі спрощені списки, що складаються з елементів однакової довжини, називають векторами даних. Працювати з ними особливо зручно. Лінійні структури даних (списки) — це впорядковані структури,

у яких адреса елемента однозначно визначається його номером.

5.7.2. Òàáëè÷í³ ñòðóêòóðè (òàáëèö³ äàíèõ, ìàòðèö³ äàíèõ)

Табличні структури відрізняються від облікових тим, що елементи даних визначаються адресою чарунки, яка складається не з одного параметру, як у списках, а з кількох.

28

Приклад. Для таблиці множення адресу чарунки визначає номер рядка й стовпчика.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101 1 2 3 4 5 6 7 8 9 102 2 4 6 8 10 12 14 16 18 203 3 6 9 12 15 18 21 24 27 304 4 8 12 16 20 24 28 32 36 405 5 10 15 20 25 30 35 40 45 506 6 12 18 24 30 36 42 48 54 607 7 14 21 28 35 42 49 56 63 708 8 16 24 32 40 48 56 64 72 809 9 18 27 36 45 54 63 72 81 9010 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Потрібна чарунка розміщується на їх перетині, а елемент вибира-ють з чарунки.

Зберігаючи табличні дані, необхідно використовувати більшу кіль-кість розділювачі, ніж для зберігання даних, що мають структури списку.

Приклад. Коли таблиці друкують у книжках, рядки й колонки роз-діляють графічними елементами — лініями вертикальної й горизон-тальної розмітки.

Рік Держава — організатор 1 місце 2 місце 3 місце

1930 Уругвай Уругвай Аргентина США1934 Італія Італія Перу Німеччина

… …. … … … … … … …..

… … … … … … …..

… … … … … … …..

… … … … … … …..

1998 Франція Франція Бразилія Хорватія

Якщо треба зберігати таблицю у вигляді довгого символічного рядка, використовують один символ-розділювач між елементами, що належать до одного рядка, та інший, для визначення рядків.

Приклад. 1930 * Уругвай * Уругвай * Аргентина * США # 1934 * Італія * Італія * Перу * Німеччина * # … ….# 1998 * Франція * Франція * Бразилія * Хорватія

Для пошуку елемента що має адресу чарунки (m, n), треба прогляну-ти набір даних із самого початку й перерахувати зовнішні розділювачі (#). Коли буде відраховано (m-1) розділювач, треба перелічити внутріш-

29

ні розділювачі (*). Після того, як буде знайдено (n-1) розділювач, по-чнеться потрібний елемент. Він закінчиться, коли з’явиться будь-який наступний розділювач.

Дії пошуку спрощуються, якщо всі елементи таблиці мають однакову довжину. Такі таблиці називаються матрицями. У цьому випадку розді-лювачі не потрібні, оскільки всі елементи рівні і їх кількість відома. Для пошуку елемента з адресою (m, n) у матриці з M рядків та N стовпчи-ками треба переглянути її з самого початку й відрахувати а [N (m-1)+ (n-1)] символ, де а — довжина одного елемента. З наступного символу починається необхідний елемент. Його довжина так само дорівнює а, тому його кінець визначити неважко.

Табличні структури даних (матриці) — це впорядковані структури, у яких адреса елемента визначається номером рядка й номером стовпчи-ка, на перетині яких знаходиться чарунка, що містить шуканий елемент.

Багатомірні матриці. Вище ми розглянули таблиці, що мають два виміри (рядок і стовпчик), але в житті часто трапляються таблиці з біль-шою кількістю вимірів.

Приклад. Таблиця, за допомогою якої можна організувати збері-гання книжок у великій бібліотеці.

Номер сховища Номер

ряду Номер стелажа Номер

полиці Номер книжки Автор Назва3 16 6 36 14

3037 15

2234

7 5 1717 1 11 2318 2 1 2

5 544 1 32 6 34

….. …. …. ….36 2 9 5

… …. …. …. ….

30

Номер сховища: 3Номер ряду (у сховищі): 16Номер стелажа (у ряді): 6Номер полиці (на стелажі): 36Номер книжки (на полиці): 14У таблиці це має вид:Розмірність такої таблиці дорівнює п’яти, і для однозначного знахо-

дження потрібної книжки в такій структурі необхідно знати всі п’ять параметрів (координат).

5.7.3. ²ðàðõ³÷í³ ñòðóêòóðè äàíèõ

Нерегулярні дані, які важко подати у вигляді списку чи таблиці, часто подані у вигляді ієрархічних структур.

З такими структурами ми знайомі з повсякденного життя, їх широко ви-користовують у наукових систематизаціях і класифікаціях.

Приклад. З курсу біології нам відома система класифікації тварин і рослин є ієрархічно. Ще одна ієрархічна структура притаманна сис-темі поштових адрес.

В ієрархічні структурі адресу кожного елемента визначають шляхом до-ступу (маршрутом), що веде від вершини структури до певного елемента.

Приклад. Коробко В. А. вул. Зелена будинок 12 кварти-ра 86 місто Вишневе Київська область Україна.

Прізви

ще,

Ім’я

, По ба

тько

ві

Вули

ця

Буди

нок

Квар

тира

Населе

ний пу

нкт

Обл

асть

, республ

іка

Країна

Коли ми розглядали книжку як сукупність сторінок, то говорили про її лінійну структуру. А якщо розглядати книжку як сукупність розділів,

31

частин і параграфів, то виходить, що вона має ієрархічну структуру. Тобто в книжці подвійна структура. Завдяки цьому можна кожному еле-ментові ієрархічної структури (наприклад, будь-якому розділу) постави-ти у відповідність елемент лінійної структури (номер сторінки), тобто здійснити перетворення. Це перетворення виконують за допомогою спе-ціальної таблиці відповідності, яка кожному добре знайома. У книжках вона називається змістом. У діловодстві такі таблиці називають реєстра-ми. Цей термін іноді використовують і в інформатиці на позначення де-яких спеціалізованих баз даних.

5.7.4. Âïîðÿäêóâàííÿ áàç äàíèõ

Спискові та табличні структури прості для користування, оскільки адреса кожного елемента задана числом (для списку), двома числами (для двомірної таблиці) або кількома числами (для багатомірної таблиці). Вони так само легко впорядковуються.

Основний метод впорядкування — сортування. Дані можна сортувати за будь-яким обраним критерієм (наприклад, за абеткою, за зростанням порядкового номеру чи будь-якого параметру).

Приклад. Студентів групи інколи сортують за успішністю.Незважаючи на численні зручності, у простих структурах даних є й

недоліки — їх важко поновлювати. Усім добре відомий приклад, коли до групи зараховують нового студента. Із записом його імені в журнал виникає низка проблем. Якщо його вписати в кінець журналу, то в струк-турі списку порушується упорядкованість (студента реєструють у жур-налі не за абеткою). Якщо ж зберегти впорядкованість й зареєструвати його відповідно до абетки, то на одиницю змінюються порядкові номери інших студентів, що йдуть за ним.

Під час додавання довільного елемента в упорядковану структуру може відбутися зміна адресних даних інших елементів. У групі це неваж-ко пережити, але для автоматизованої обробки величезних масивів даних оновлення простих лінійних і табличних структур є певною проблемою.

Таких проблем немає в більш складних ієрархічних структурах даних. Від того, що в місті прокладуть нову вулицю або на вулиці збудують но-вий будинок, ніяк не зміняться адресні дані мешканців сусідніх вулиць та сусідніх будинків. Ієрархічні структури зручні ще й тим, що їх можна лег-ко розвивати шляхом створення нових рівнів. Якщо уявити, що в майбут-ньому поштовий зв’язок охопить усю галактику, то адреса кожної людини

32

зміниться незначно — до назви країни додадуть назву зоряної системи та назву планети. Добре відомий приклад, коли на одній вулиці зводять кілька нових будинків з однаковими номерами. При цьому створюють до-датковий рівень ієрархічної структури — номер корпусу.

Приклад. Вул. Героїв космосу будинок 42 корпус 12 квар-тира 324.

Недоліком ієрархічної структури є відносна трудомісткість запису адреси елемента даних. Він може виявлятися надто довгим. Часто бу-ває так, що розмір шляху доступу виявляється набагато більшим, аніж розмір самого елемента, до якого він веде. Під час автоматичної оброб-ки величезних обсягів інформації це призводить до значних перевитрат ресурсів (це схоже на карбування монет номіналом в одну копійку, коли вартість карбування — одна гривня).

5.8. Ñòðóêòóðè êîìàíä

Інформація — це не лише дані, але ще й команди. Очевидно, що ко-манди теж можна створювати, реєструвати, зберігати й передавати. Цим вони схожі на дані. Відмінність виявляється лише на етапі використання.

Дані обробляють і перетворюють з однієї форми в іншу, а команди — ви-конують. Оскільки впродовж більшої частини інформаційного процесу команди нічим не відрізняються від даних, до них можна підходити так само, як і до даних — зберігати їх у списках, таблицях та інших струк-турах. При цьому утворюються упорядковані послідовності команд, які називають програмами. Програмою є не будь-яка послідовність команд, а саме впорядкована.

Річ у тім, що одні й ті самі команди, виконані в різній послідовності, приводять до абсолютно різних результатів.

Приклад. Візьмемо аркуш паперу в клітинку й виконаємо такі ко-манди:

Схема 2 Схема 3

↑ ↑

↑

↑

↑ ↑

↑

33

Три кроки вперед Поворот ліворуч Два кроки вперед Пово-рот праворуч Крок уперед (схема 2).

Крок уперед Поворот праворуч три кроки вперед Поворот ліворуч Два кроки вперед (схема 3).

Як і дані, програми мають структуру. Найпростіша структура — лі-нійна (спискова). Виконують першу команду, за нею другу тощо, доки список не закінчиться. Однак на практиці так буває лише в дуже простих програмах. Більшість програм мають складнішу структуру (і від цього вони стають не складнішими, а простішими). Так, є команди, власне й призначені для зміни послідовності виконання інших команд. Така зміна може бути безумовною (за будь-яких умов) або умовною (за умови на-стання заданої події чи досягнення якогось результату).

Програми створюють програмісти. Їх робота — це творчий авторський процес. Створення програм автоматизувати важче, ніж обробку даних, тому структури програм не формалізують так, як структури даних. Головних ви-мог всього дві: структура програми має бути ефективною та зрозумілою. Ефективність необхідна для того, щоб програма виконувала задані роботи з мінімальними витратами часу та інших ресурсів, а зрозумілість необхідна самому ж програмісту. Без цього він може заплутатися у структурі команд, припустити логічні помилки або витратити багато часу на перевірку (нала-годження) програми, або випустити у світ дефективний продукт. Це особли-во важливо, коли одну програму розробляють великі колективи (з десятків і сотень чоловік), а саме так найчастіше сьогодні й буває.

5.9. ßê ïåðåäàºòüñÿ ³íôîðìàö³ÿ?

Американським вченим Клодом Шенноном, одним із засновників те-орії інформації, була запропонована схема процесу передачі інформації з технічних каналів зв’язку, представлена на схемі 4.

Схема 4. Принцип передачі інформації.

Джерело інфо

рмації

Пристрій кодування

Пристрій декодування

Прийм

ач інфо

рмації Шум

Канал зв’язку

Захист від шуму

34

Роботу такої схеми можна пояснити на процесі розмови по телефону. Джерелом інформації є мова людина. Пристроєм кодування — мікрофон слухавки, за допомогою якого звукові хвилі (мова) перетворяться в елек-тричні сигнали. Каналом зв’язку є телефонна мережа (дроти, комутатори телефонних вузлів через які проходить сигнал)). Пристроєм декодування є слухавка (навушник) людини яка приймає інформацію — приймач ін-формації, де електричний сигнал, що проходить, перетворюється у звук.

Під кодуванням розуміється будь-яке перетворення інформації, що йде від джерела, у форму, придатну для її передачі по каналі зв’язку.

Терміном «шум» називають різного роду перешкоди, що спотворю-ють переданий сигнал і призводять до втрати інформації. Такі перешкоди, насамперед, виникають із технічних причин: погана якість ліній зв’язку, незахищеність один від одного різних потоків інформації, переданої по тим самим каналам. У таких випадках необхідний захист від шуму.

У першу чергу застосовуються технічні способи захисту каналів зв’язку від впливу шумів. Наприклад, використання екранного кабелю замість «голого» дроту; застосування різного роду фільтрів, що відо-кремлюють корисний сигнал від шуму та ін.

Клодом Шенноном була розроблена спеціальна теорія кодування, що дає методи боротьби із шумом. Одна з важливих ідей цієї теорії полягає в тому, що переданий по лінії зв’язку код повинен бути надлишковим. За рахунок цього втрата якоїсь частини інформації при передачі може бути компенсована.

Однак, не можна робити надмірність занадто велику. Це призведе до затримок і подорожчання зв’язку. Теорія кодування К. Шеннона саме й дозволяє одержати такий код, що буде оптимальним. При цьому над-мірність переданої інформації буде мінімально-можливою, а вірогід-ність прийнятої інформації — максимальною.

У сучасних системах цифрового зв’язку часто застосовується наступ-ний прийом боротьби із втратою інформації при передачі: все повідо-млення розбивається на порції — блоки; для кожного блоку обчислю-ється контрольна сума (сума двійкових цифр), що передається разом з даним блоком; у місці прийому заново обчислюється контрольна сума прийнятого блоку, і якщо вона не збігається з первісною, то передача даного блоку повторюється (так буде відбуватися доти, поки вихідна і кінцева контрольної суми не збіжаться).

Приклад. Повідомлення, що містить інформацію про прогноз по-годи, передається приймачу (телеглядачу) від джерела — фахівця-ме-

35

теоролога за допомогою каналу зв’язку — телевізійної передавальної апаратури і телевізора.

Жива істота своїми органами відчуття (око, вухо, шкіра, мова і т. д.) сприймає інформацію з зовнішнього світу, переробляє її у визначену по-слідовність нервових імпульсів, передає імпульси по нервових волок-нах, зберігає в пам’яті у виді стану нейронних структур мозку, відтво-рює у виді звукових сигналів, рухів і т. п., використовує в процесі своєї життєдіяльності.

Передача інформації з каналів зв’язку часто супроводжується впли-вом перешкод, що викликають перекручування і втрату інформації. До цих перешкод відносять також шум.

5.10. Ùî ìîæíà ðîáèòè ç ³íôîðìàö³ºþ?

Коли говорять про опрацювання інформації, насправді мають на ува-зі опрацювання даних шляхом виконання команд.

Опрацювання даних охоплює велику кількість різноманітних опера-цій. З розвитком науково-технічного поступу й загальним ускладненням зв’язків у людському суспільстві неухильно зростають витрати на об-робку даних. Цей процес зумовлений значним ускладненням умов керу-вання виробництвом і суспільством, характерним для кінця ХХ початку ХХІ століття. Для прийняття правильних рішень потрібно проаналізу-вати велетенський обсяг даних, причому щороку ці дані все більше й більше переплітаються.

Приклад. Неправильне рішення в економіці може негативно впли-нути на виробництво, культуру й соціальне життя людей, а соціальне напруження, у свою чергу, негайно впливає на економіку й виробництво.

Інформацію можна:створювати;передавати;сприймати;використовувати;запам’ятовувати;приймати;копіювати;

формалізувати;поширювати;перетворювати;комбінувати;обробляти;поділяти на частини;спрощувати;

збирати;зберігати;шукати;вимірювати;руйнувати;та ін.

Усі ці процеси, зв’язані з визначеними операціями над інформацією, називаються інформаційними процесами.

36

Збирання даних — накопичення необхідної повної інформації для прийняття рішень.

Формалізація даних — зведення даних, що надходять з різних дже-рел, до однакової форми, щоб зробити їх зіставними між собою.

Фільтрація даних — відсівання «зайвих» даних, які не потрібні для прийняття рішень. Рівень «шуму» зменшується, а вірогідність і адекват-ність інформації зростають.

Сортування даних — упорядкування даних за заданою ознакою для зручності використання. Підвищує доступність інформації.

Архівація даних — організація зберігання даних у зручній і легко-доступній формі.

Транспортування даних — приймання й передавання даних між віддаленими учасниками інформаційного процесу. При цьому джерело даних в інформатиці називають сервером, а споживача — клієнтом.

Перетворення даних — перетворення даних з однієї форми в іншу. Перетворення даних часто пов’язане зі зміною типу носія (книжки збе-рігають у паперовій формі, або використовують електронну форму чи мікроплівку). Потреба в багаторазовому перетворенні даних постає та-кож під час їх транспортування (телефонні лінії виникли, коли електро-нного зв’язку ще не було, і тому вони призначені лише для голосового зв’язку; щоб передати каналом телефонного зв’язку текст, ілюстрацію, фото- або відеодокументи, їх треба перетворити на інший різновид да-них, який віддалено нагадує звук).

Для пошуку і збирання повідомлень, що несуть необхідну інформа-цію, використовують різноманітні засоби і методи:• опитування;• спостереження, досліди;• анкетування;• читання відповідної літератури;• робота в бібліотеках, архівах;• запити до інформаційно-довідникових систем;• консультації з фахівцями з питань, що виникають.

5.11. Âëàñòèâîñò³ ³íôîðìàö³¿

Властивості інформації:достовірність;повнота;цінність;

своєчасність;точність;зрозумілість;

доступність;стислість;адекватність та ін.

37

Інформація достовірна, якщо вона відбиває дійсне положення справ. Недостовірна інформація може привести до неправильного розуміння або прийняття неправильних рішень.

Достовірна інформація згодом може стати недостовірною, тому що вона має властивість застарівати, тобто перестає відбивати дійсне по-ложення справ.

Інформація повна, якщо її досить для розуміння і прийняття рішень. Як неповна, так і надлишкова інформація стримує прийняття рішень або може спричинити помилки.

Точність інформації визначається ступенем її близькості до реально-го стану об’єкта, процесу, явища і т. п.

Цінність інформації залежить від того, наскільки вона важлива для розв’язання задачі, а також від того, наскільки надалі вона знайде засто-сування в яких-небудь видах діяльності людини.

Своєчасна інформація. Тільки вчасно отримана інформація може принести очікувану користь. Однаково небажані як передчасна подача інформації (коли вона ще не може бути засвоєна), так і її затримка.

Якщо цінна і своєчасна інформація виражена незрозумілим образом, вона може стати некорисною.

Інформація стає зрозумілою, якщо вона виражена мовою, якою воло-діють ті, кому призначена ця інформація.

Доступність інформації. Інформація повинна підноситися в доступ-ній (за рівнем сприйняття) формі. Тому ті самі питання по різному ви-кладаються в підручниках і наукових виданнях.

Інформацію з одного й того самого питання можна викласти стисло (коротко, без несуттєвих деталей) або докладно (ретельно, багатослівно). Стислість інформації необхідна в довідниках, енциклопедіях, інструкціях.

Виділяють три форми адекватності інформації:— Синтаксична адекватність відображає формально-структурні ха-

рактеристики інформації. На даному рівні до уваги береться типи носіїв інформації, спосіб її подання (кодування), надійність та точність пере-творення відповідних кодів. Таку інформацію називають даними.

— Семантична (змістова) адекватність визначає рівень відповіднос-ті образу об’єкта самому об’єкту, вона стосується «суті» інформації й необхідна для формування понять, уявлень, розкриття змісту інформації та її узагальнення.

— Прагматична адекватність характеризує те, яким чином інформа-ція відповідає потребам її користувача.

38

5.12. Âèì³ðþâàííÿ ê³ëüêîñò³ ³íôîðìàö³¿

Яка кількість інформації міститься, приміром, у тексті роману «Вой-на и мир», у фресках Рафаеля або в генетичному коді людини? Відповіді на ці питання наука не дає і, цілком ймовірно, дасть не швидко. А чи можливо об’єктивно вимірити кількість інформації?

Оскільки при вимірюванні інформації використовують два параме-три: кількість інформації — І, об’єм даних — Vд, а отримувача інфор-мації дуже важливою її характеристикою є адекватність, то для кожної з форм адекватності ставиться у відповідність певна міра кількості ін-формації та об’єм даних.

При визначенні синтаксичної міри інформації абстрагуються від її змісту. Об’єм даних даних Vд у повідомленні вимірюється кількістю символів (розрядів).

У різних системах числення один розряд має різну вагу: у двійкові системі числення обиницею виміру є біт, у десятковій системі числен-ня — діт.

Кількість інформації І на синтаксичному рівні не можна визначити без введення поняття невизначеності стану (ентропії) ( )αH системи.

Кількість інформації ( )αβI системи, що міститься в повідомленні, визначають:

( ) ( ) ( )αβααβ HHI −=

де: ( )αH — ентропія системи, ( )αβH — скінченна невизначеність;т. б. кількість інформації вимірюється зменшення невизначеності стану системи.

Скінченна невизначеність може перетворитися на нуль, якщо пер-винне неповне знання замінити повним знанням і кількість інформації дорівнюватиме:

( ) ( )ααβ HI =Отже, кількість інформації І, якщо ймовірності окремих подій різні

(монета, піраміда та куб несеметричні, рулетка — «нечесна»), то відпо-відно формули Шенона (обчислення кількості інформації на основі ймо-вірнісного підходу, запропонована у 1948 році) визначаєтья:

∑=

−=N

jii PPI

12log

де: І — кількість інформації, iP — ймовірність того, що система пере-буває в і-му стані, N — кількість можливих станів.

39

Для часного випадку, коли події рівно ймовірні, т. б. N

Pi1= , величи-

на кількості інформації прийматиме максимальне значення:

NNN

IN

j2

12 log1log1 =−= ∑

=

.

Розглянемо випадки, коли N подій рівно ймовірні: монета, пірамі-да, куб — симетричні й однородні, рулетка — «чесна» та має 64 сектори. В такому ви падку кількість інформації, яка буде отримана дорівнюватиме:- для монети N = 2: 2log2=I = 1 біт;- для піраміди N = 4: 4log2=I = 2 біт;- для куба N = 6: ≈= 6log2I 2,6 біт;- для рулетки N = 64: logI = 2 64 = 6 тіб.

Як одиницю інформації американський вчений Клод Шеннон запро-понував прийняти один біт (англ. bit — binary digit — двійкова цифра).

Біт у теорії інформації — кількість інформації, необхідне для розрізнення двох рівноймовірних повідомлень (типу «орел» — «решка», «пара» — «непара», «намагнічено» — «розмагнічено» і т. п.). В обчислювальній техніці бітом називають найменшу «порцію» пам’яті комп’ютера, необхідну для збереження одного з двох знаків «0» і «1», використовуваних для внутрімашинного представлення даних і команд.

Біт — занадто дрібна одиниця виміру. На практиці частіше застосо-вується більш велика одиниця — байт, (1 байт = 8 біт). Саме вісім бітів потрібно для того, щоб закодувати кожної з 256 символів алфавіту клаві-атури комп’ютера (256=28).

Широко використовуються також ще більш великі похідні одиниці інформації:

1 Кілобайт (Кбайт) (Кб) = 1024 байт = 210 байт,1 Мегабайт (Мбайт) (Мб) = 1024 Кбайт = 220 байт,1 Гігабайт (Гбайт) (Гб) = 1024 Мбайт = 230 байт.Останнім часом у зв’язку зі збільшенням обсягів інформації що опра-

цьовується, входять у вживання такі похідні одиниці, як:1 Терабайт (Тбайт) (Тб) = 1024 Гбайт = 240 байт,1 Петабайт (Пбайт) (Пб)= 1024 Тбайт = 250 байт.

40

За одиницю інформації можна було б вибрати кількість інформації, необхідне для розрізнення, наприклад, десяти рівноймовірних повідо-млень. Це буде не двійкова (біт), а десяткова (діт) одиниця інформації.

Використовуючи формулу Шенона, досить легко визначити, яку кількість біт інформації або двійкових розрядів необхідно для кодування 256 різних символів. 256 різних символів можна розглянути як 256 різ-них, рівно ймовірних станів. У відповідності до ймовіністного підходу до виміру кількості інформації маємо:

256log2=I =8 біт = 1 байт.Отже, для двійкового кодування 1 символа необхідно 1 байт інформа-

ції або 8 двійкових розрядів.Аналогічно можна розрахувати кількість інформації, необхідну для

збереження стану крапки екрану при різні кількості кольорів що відо-бражаються. Кожний колір являє собою один з ймовірних станів крапки екрану. Так, для режиму True Color (16777216 кольоів) маємо:

16777216log2=I =24 біт.Інформація може кодуватися числовими кодами в різних системах

числення. Одна й та сама кількість розрядів в різних системах числення може передавати різну кількість станів об’єкта що відображає, й обчис-люється за формулою:

NMN = ,де: M — основа системи числення, N — кількість розрядів у повідомленні.

На практиці часто використовують двійкові та десяткові логарифми, відповідно одиниці виміру будуть біт ат діт.

5.13. Îïðàöþâàííÿ ³íôîðìàö³¿ òà ¿¿ çàõèñò

Опрацюванням інформації — одержання одних інформаційних об’єктів з ін-ших інформаційних об’єктів шляхом виконання деякої послідовності дій.

Обробка є однією з основних операцій, виконуваних над інформацією, і головним засобом збільшення обсягу і розмаїтості інформації.

Засоби обробки інформації — це всі пристрої і системи, створені людством, і в першу чергу, комп’ютер — універсальна машина для об-робки інформації.

Комп’ютери обробляють інформацію шляхом виконання деяких ал-горитмів (послідовності дій).

41

Живі організми і рослини обробляють інформацію за допомогою сво-їх органів і систем.

Захистом інформації називають забезпечення неможливості: 1) доступу до інформації сторонніх осіб; 2) незумисного (недозволеного) викори-стання, зміни або руйнування інформації.

Ï è ò à í í ÿ1. Що є носіями даних?2. Чи не несе одне й те саме повідомлення різну інформацію? Чому

і коли.3. Характеристикою чого є інформація?4. Що розуміють під іфномрацією при комп’ютерному опрацюванню

даних?5. Що мається на увазі під поняттям «інформація» у побутовому, при-

родно-науковому і технічному змістах?6. Приведіть приклади знання фактів і знання правил. Назвіть нові

факти і нові правила, що Ви довідалися за сьогоднішній день.7. Які види інформації існують? Наведіть приклади.8. Що розуміють під командою?9. Які види команд бувають.10. Як між собою пов’язані інформація, дані та команда? Наведіть

приклади.11. Які найпростіші структури даних існують? В чому їх суть?12. Що таке матриця в структурі даних?13. Що таке вектор даних?14. Який основний метод впорядкування? Наведіть приклад.15. Що таке система команд комп’ютера?16. Опишіть основний цикл процесу обробки команд.17. Як пов’язані між собою команди та програми?18. З яких найпростіших елементів складається програма?19. Від кого (або чого) людина приймає інформацію? Кому передає

інформацію?20. Де і як людина зберігає інформацію?21. Що називається інформаційними процесами?22. Як людина сприймає інформацію?23. Чи існує інформація в живій природі? Неживій природі? Наведіть

приклади.

42

24. Дайте коротку характеристику речовини, енергії й інформації.25. Що необхідно додати в систему «джерело інформації — приймач

інформації», щоб здійснювати передачу повідомлень?26. Перелічите основні і похідні одиниці виміру кількості пам’яті.27. Що означає термін «біт» у теорії інформації й в обчислювальній

техніці?28. Від чого залежить інформативність повідомлення, прийнятого

лю диною?29. Приведіть приклади повідомлень, інформативність яких можна

однозначно визначити.30. Як визначається одиниця виміру кількості інформації?31. Приведіть приклади повідомлень, що містять один (два, три) біти

інформації.32. Які типи дій виконує людина з інформацією?33. Приведіть приклади ситуацій, у яких інформація

а) створюється; д) копіюється; и) передається;б) обробляється; е) сприймається; к) руйнується;в) запам’ятовується; ж) вимірюється; л) шукається;г) поділяється на частини; з) приймається; м) спрощується.

35. Приведіть приклади обробки інформації людиною. Що є резуль-татами цієї обробки? Приведіть приклади інформації:

а) достовірної і недостовірний;б) повної і неповний;в) коштовної і малоцінний;г) своєчасної і несвоєчасний;д) зрозумілої і незрозумілий;е) доступної і недоступний для засвоєння;ж) стислої і об’ємної.36. Назвіть системи збору й обробки інформації в тілі людини.37. Наведіть приклади технічних пристроїв і систем, призначених

для збору й обробки інформації.38. Що розуміють під захистом інформації?

 ï ð à â è1. Запишіть множину варіантів загоряння двох світлофорів, розташо-

ваних на сусідніх перехрестях. 2. Три учня, Іванов, Петров і Сідоров, утворили чергу. Запишіть усі

можливі варіанти утворення цієї черги.

43

3. Назвіть усі можливі комбінації з двох різних нот (усього нот сім: до, ре, мі, фа, сіль, ля, сі).

4. Нехай голосують 3 людей (голосування «так»/»ні»). Запишіть усі можливі результати голосування.

5. Маємо 3 автомобільні дороги, що йдуть від Парижу до Тулузи, і 4 — від Тулузи до Мадрида. Скількома способами можна вибрати до-рогу від Парижа до Мадрида через Тулузу? Спробуйте знайти система-тичний метод для послідовного знаходження рішення так, щоб можна було скласти список способів, не пропустивши жодного з них.

6. Потяг знаходиться на одному з восьми шляхів. Скільки біт інфор-мації містить повідомлення про те, де знаходиться потяг?

7. Скільки існує різних двійкових послідовностей з одного, двох, трьох, чотирьох, восьми символів?

8. Який інформаційний обсяг повідомлення «Я помню чудное мгнове-нье» за умови, що один символ кодується одним байтом і сусідні слова-ми розділені одним пропуском?

9. Наведіть приклади різних видів інформації.10. Скільки біт необхідно, щоб закодувати оцінки: «незадовільно»,

«задовільно», «добре» і «відмінно»?11. Скільки різних символів, закодованих байтами, міститься в по-

відомленні: 1101001100011100110100110001110001010111?12. Скільки байт пам’яті необхідно, щоб закодувати зображення

на екрані комп’ютерного монітора, що може відображати 1280 крапок по горизонталі і 1024 крапок по вертикалі при 256 кольорах?

13. Визначте правила формування наведених нижче послідовностей і вставте пропущені числа:

а) 1, 3, 5, …, 9; ж) 128, 64, 32, …, 8; н) 15 (27) 42б) 20, 15, …, 5; з) 4, 9, 17, 35, …, 139; 30 (…) 55;в) 1, 2, 4, …, 16; и) 1, 2, 2, 4, 8, …, 256; о) 10 (50) 15г) 1, 4, 9, …, 25; к) 2, 3, 10, 15, …, 35; 17 (…) 20;д) 1, 8, 27, …, 125; л) 1, 3, 3, 9, …, 6561; п) 143 (56) 255е) 1, 2, 6, …, 120; м) к, о, ж, з, г, …, ф; 218 (…) 114.

Ç à â ä à í í ÿ1. Використовуючи п’ять різних розділювачі оформите один і той са-

мий масив даних лінійної структури. Опишіть, які переваги і недоліки має кожний розділювач у наведеному прикладі.

2. Обчислити кількість інформації, необхідну для кодування однієї крапки зображення у палітрі з: 16 кольорів, 256 кольрів, 1024 кольорів.

44

6. Êîäóâàííÿ ³íôîðìàö³¿

6.1. Êîäóâàííÿ ³íôîðìàö³¿

Для того, щоб з інформацією можна було працювати, її слід кодувати, причому на всіх етапах інформаційного процесу. У повсякденному житті ми часто під кодуванням розуміємо шифрування, однак це різні речі. По-няття кодування ширше, ніж шифрування. З кодованою інформацією ми стикаємося практично на кожному кроці, а з шифрованою інформацією працюють окремі групи спеціалістів.

Приклад. Записуючи слова вчителя в зошит, ми кодуємо інформа-цію шляхом заміни звуків спеціальним кодом — буквами. Під час цього ми користуємося таблицею кодування, що має назву абетка. Різні наро-ди мають різні абетки і, відповідно, різні методи кодування текстової інформації.

Код (фр. code — кодекс, зведення законів). Починаючи з середини ХІХ ст.. це слово крім основного значення означало книгу, в якій словам природної мови були зіставленні групи цифр або букв.

Кодують не лише текстову, а й будь-яку іншу інформацію (графічну, числову, звукову, керуючу).

У системах передачі та обробки інформації сигнали неодноразово пе-ретворюються. При цьому їх фізична пирода може мінятися без втрати інформації.

Кодом називається правило для перетворення одного набору знаків в інший набір знаків. Під знаком розуміють елемент кінцевої множини відмінних один від одно-го елементів. Знак разом з його значенням називають символом.

6.2. Ìîâè êîäóâàííÿ.

Набір знаків, в якому визначається їх порядок, називається алфавітом мови кодування. Будь-який текст складається з окремих знаків — букв і цифр. Сукупність таких знаків утворює алфавіт мови кодування, а правила застосування — синтаксис мови кодування.

Для роботи з більшістю мов (за винятком, можливо, китайських і японського) цілком достатньо двох-трьох сотень знаків. Із цих знаків бу-дуються слова, речення, абзаци й глави текстових документів.

45

У цифрових інформаційних системах і комп’ютерах кожний знак ко-дується деяким кодом — звичайно цілим числом від 0 до 255. Таким чином, задається 256 знаків (2 у ступені 8). Цього цілком достатньо. 2 у ступені 7 дасть 128 значень — цього мало, а от 2 у ступені 9 — уже 512 значень. До того ж число 8 кратне двом, от чому саме одиниця пам’яті байт (28 станів) стала основною.

Одне й те саме повідомлення можна закодувати різними способа-ми, тобто виразити різними мовами. В процесі розвитку людства люди створили велику кількість мов кодування: Розмовні мови; Мова міміки і жестів; Мова малюнків і креслень; Мова науки (математичні, хімічні, біологічні і інші символи); Мова мистецтва (музики, живопису, скуль-птури); Спеціальні мови (есперанто, морський семафор, азбука Морзе, азбука Брайля для незрячих ті ін.)

Приклад. Брайлевська абетка (рис. 3) — це рельєфно-крапкове письмо. Він призначений для «читання» пальцями сліпими. Також від застосовується для запису нот.

Рис.3. Брайлевська абедка

а б в г д е ё ж ч ш щ ъ ы ь э ю

Приклад. Абетка прапорцевої семафорної мови (рис. 4). Сигнали передаються прапорцями (по одному прапорцю в кожній руці). Сема-форна азбука широко застосовувалась на флоті, але з появою нових ви-дів зв’язку вона втратила своє значення.

Рис.4. Прапорцева семафорна мова

46

Приклад. Дорожні знаки (рис. 5). У всьому світі використовуєть-ся єдина мова дорожніх знаків, яка зрозуміла будь-які людині, незалеж-но від того, в які країні вона мешкає на якою мовою говорить.

Рис.5. Дорожні знаки

Приклад. Дактимна абетка (рис. 6) — це мова знаків, у якій роз-ташування пальців та долоні передають букви, слова та поняття. Нею користуються німі, глухі та глухонімі люди.

Рис.6. Дактимна абетка

Приклад. Стягова абедка (рис. 7). Сигнали передаються прапорця-ми (кожний прапорець має власне забарвлення та малюнок; вивішують-ся на кораблі). Пропрцева азбука широко застосовувалась на флоті, але з появою нових видів зв’язку вона втратила своє значення та використову-ється як правило під час урочистих подій на кораблях.

Рис.7. Прапорцеві абетка. Букви “В” та “І” відповідно

Приклад. Азбука «Морзе» (рис. 8) — літери та цифри складаються з комбінації крапок та тире (можна пересилати сигнали використовуючи світло, звук, прапорці та ін.).

47

Рис.8. Азбука Морзе

Приклад. Сигнали «земля-повітря» (рис. 9) — їх викладають на землі використовуючи підручні матеріали. Вони повинні бути помітні з літака або гелікоптера (довжина одного знаку не менш 6 м та ширина ліній не менш 0,5 м).

Рис.9. Сигнали “земля-повітря”

1. 2. 3.

1 - Не маємо можливості пересуватися далі.2 – Потрібні продукти харчування та вода.

3 – У даному місці можна здійснити безпечну посадку

Приклад. При побудові діалогу в мережі Internet через ICQ, mIRC або e-mail, досить часто використовують для позначення емоційних від-тінків використовують смайли та акроніми.

Смайл (Smiley, emoticon) — назва текстового або графічного символу, який надає повідомленню емоційний відтінок. Існують західні горизонталь-ні (знак:) — посмішка, 8-] — зацікавленість у темі розмови) та японські — горизонтальні (знак (^_^) — на сході таким знаком позначають радість, (^3^) — поцілунок по-японські, (@ @) — «Ти мене здивував, друже»).

Акроніми (acronyms) — висловлювання або слово, утворене від по-чаткових літер (BB [Bye Bye] — «Бувай», LOL [Laughing Out Loud] — «Голосно посміхаюсь».

Для кодування інформації подвної у формі цифр використовують та-кож разноманітні систми числення (Див. Частину 1 Розділ 2).

6.3. Êîäóâàííÿ ³íôîðìàö³¿ äâ³éêîâèì êîäîì

В обчислювальній техніці для роботи з інформацією використовують свій метод кодування — двійковий. Код, який отримують під час цього, називають двійковим кодом. Цей метод обрали через його зручність для електронних вузлів комп’ютера. Якщо б у їх основі лежали інші фізичні явища, можливо, й кодування було б іншим.

48

Найменшою одиницею двійкового коду є біт. Слово походить від ско-рочення binary digit — війкова цифра. Зручність такої одиниці виявляється ще й у тому, що залежно від ситуації її можна інтерпретувати по-різному:

1 – 0;Так – Ні;

Увімкнено – Вимкнено;Праворуч – Ліворуч;Чорний – Білий тощо

Числова інформація. Найпростіше двійковим кодом можна подати цілі числа:

0 – 01 – 12 – 103 – 114 – 1005 – 101

Є способи й для подання будь-яких дійсних чисел, хоча при цьому не уникнути похибок, пов’язаних з округленням. В обчислювальній тех-ніці, наприклад, прийнято кодувати дійсні числа вісімдесятьома двійко-вими одиницями (бітами), що забезпечу точність порядку 10–31.

Графічна інформація. Якщо через лупу розглянути малюнок, надру-кований у книжці, то можна побачити, що він складається з регулярного візерунка великих та малих крапок (пікселів) різних відтінків (рис. 10). Такий візерунок називається растром. Растр — це метод кодування, що використовують у поліграфії для подання зображень на папері.

Рис.10.

Подібний метод використовують і на телебаченні. Якщо розглянути через лупу одну крапку екранного зображення, можна побачити, що її складають три кольори: червоний, зелений і синій — ці кольори назива-ються основними. Жодних рожевих крапок на екрані немає, але ми бачи-

49

мо зображення на екрані в багатьох кольорах. Річ у тім, що всі кольори передає комбінація трьох основних кольорів. Це теж приклад кодування.

Будь-який колір можна подати у вигляді суми яскравості трьох основних кольорів — червоного, зеленого, синього.

Для кодування графічної інформації в обчислювальній техніці необ-хідно закодувати растр. Для нього кодують двійковим кодом його ко-ординати (на екрані або у малюнку) та колір, яким він відображається. В наш час виділяють для кольору чорно-білий режим, режим 16 кольо-рів, режим 256 кольорів, режими 16-, 32-, 48-, 64-біт.

Колір Яскравість Червоний Зелений СинійЧорний 0 0 0 0Сірий 1 0 0 0Синій 0 0 0 1Світло-зелений 1 0 1 0Блакитний 0 0 1 1Червоний 0 1 0 0Коричневий 0 1 1 0Жовтий 1 1 1 0Світло-сірий 0 1 1 1Білий 1 1 1 1

Приклад. Кодування кольору у 4-бітній палітрі (в наш час майже не використовується).

Щільність пікселів вимірюється як кількість пікселів на одиницю до-вжини — dpi (dots per inch — кількість крапок на дюйм, 1 дюйм=2,54 см).

Для відображення великої кількості кольорів, пікселі повинні містити більше бітів інформації. Кількість доступних кольорів N обчислюється формулою: N=2d, де d — кількість бітів у пікселі.

Звукова інформація. З курсу фізики відомо, що всі звуки являють собою ділянки коливання повітря. Ділянка стиснутого повітря виникає за ділянкою розрідженого повітря, які поширюються у просторі. Пі від-творенні звуку за допомогою колонок, які під’єднані до комп’ютера, до колонок підводиться електричний сигнал, який змушує їх звучати. Незважаючи на те, що відтворений за допомогою колонок сигнал інколи важко відрізнити від природного оригіналу, вони відрізняються, оскіль-ки звук відтворений колонками зазнав певних перетворень.

50

Неперервний сигнал звуку при оцифровці (запису за допомогою мікро-фона або інших пристроїв до комп’ютера) перетворюється на дискретний сигнал. Розмір імпульсів дискретного сигналу має дорівнювати амплітуді аналогового сигналу від джерела. Для того, щоб перетворення у дискретний сигнал було досить точним, імпульси повинні слідувати один за одним. Амп-літуди імпульсів зображують, наближено, як двійкові числа. Весь діапазон звукових частот поділяють на інтервали (множину дискретних значень), різ-ниця між двома сусідніми повинна бути ледь вловима (інтервали нумерують і кодуванню підлягає порядковий номер звукового інтервалу). Як правило, це 216=65536 значень. Амплітуді імпульсу надається найближче дискретне зна-чення, й звуковий сигнал утворює послідовність двійкових чисел. Пристрій відтворення (сприймання) відповідному код порядкового номера надає відпо-відний звуковий інтервал — перетворює дискретний звук у аналоговий.

Текстова інформація кодується дуже просто. Є спеціальна табли-ця (кодова таблиця), згідно якої за кожним символом абетки закріплене певне ціле число, а подавати це число двійковим кодом вже простіше.

За основу кодування символів у ПК взята кодова таблиця ASCII (читаєть-ся — [а-с-ц-і]) — American Standard Code for Information Interchange (Амери-канський стандарт кодів для обміну інформацією). У даній таблиці кожний символ кодується двійковим числом, що складається з семи розрядів.

Семирозрядні числа дають можливість пронумерувати 27=128 сим-волів — досить для кодування літер англійського алфавіту (або якого-небудь іншого одного алфавіту) і керуючих та спеціальних символів. Для кодування символів двох мов використовується 8-бітний код. Двій-ковим кодом завдовжки 8 бітів можна закодувати 28=256 символів. Кож-ному символу відповідає своя унікальна послідовність з восьми 0 та 1, яка може набувати значень від (00000000)2 до (11111111)2.

Для кожного алфавіту розробляється своя кодова сторінка (Додаток 1).Існує дуже багато різних систем кодування. Найчастіше ми викорис-

товуємо систему кодування Windows, але в Україні діє ще кілька різних стандартів кодування. Під час роботи з документами може вникнути необ-хідність налаштовувати програму на роботу з тим кодуванням, яким вико-нано документ, інакше його не можна буде прочитати. Існують також спе-ціальні програми для перетворення текстів з одного кодування на інше.

Приклад. Слово КОДУВАННЯ різними кодуваннями. КОДУВАННЯ — кириліца Windows кодування; ╩╬─╙┬└══▀ — кириліца DOS кодування; ЪЮФгТРЭЭп — кириліца ISO кодування; Йндсбюммъ — кириліца КОИ8-Р кодування.

51

Аналогічно й будь-яку іншу інформацію, яку можна подати числами, можна подати й двійковим кодом.

У операційних системах (Windows 98/2000/NT/XP), застосовуються й двубайтні коди (Unicode), що дозволяють довести число кодуємих зна-ків до 65536 символів. Цього досить для кодування самих складних мов.

У комп’ютері або іншому інформаційному пристрої є також один або кілька наборів знаків (так званих таблиць знакогенератора), які ставлять в однозначну відповідність код знака з його відображенням на екрані дисплея. У результаті за допомогою спеціальної алфавітно-цифрової клавіатури можна перетворити знак будь-якої мови на будь-якій кла-віші в код, а за допомогою знакогенератора дисплея вивести цей знак на екран дисплея.

Перетворивши символи в коди, неважко автоматизувати операції з текстами використовуючи текстові редактори й текстові процесори.

6.4. Ñïåö³àëüí³ âèäè êîäóâàííÿ é êðèïòîãðàô³ÿ

Розглянуте вище кодування інформації є найпростішим, але існує безліч інших систем кодування:− кодування з метою скорочення обсягу інформації шляхом видалення з її надлишкової інформації;

− кодування для оперативного шифрування інформації;− завадостійке кодування для усунення впливу перешкод і випадкових збоїв у каналах зв’язку;

− кодування для усунення несанкціонованого доступу до інформації або до інформаційних пристроїв.Найбільш актуальним є кодування для заборони несанкціонованого

доступу до даних або просто до інформаційних пристроїв — програмам, комп’ютерів, стільникових телефонам, засобів Internet та ін.. Розробкою методів такого кодування займається спеціальна наука — криптографія.

Є багато цілком очевидних способів кодування повідомлення. У ди-тинстві всі ми кодували слова, вимовляючи їх задом наперед. Наприклад, слово «привіт» при цьому звучало як «тевирп». Юрій Цезар ще до нашої ери небагато перевершив дітей. У його листах кожна буква з початку алфавіту замінялася однією, такою саме по порядку але з кінця алфавіту.

Застосування комп’ютерів дозволяє використовувати в ході кодування складні коди, отримані в результаті складних математичних розрахунків, що вводяться з допомогою особливих правил — ключів. При цьому для роз-шифування треба використовувати інші ключі. Часто такі засоби застосо-

52

вуються для захисту від копіювання програм або забезпечення захисту від несанкціонованого доступу до комп’ютера або стільникового телефону.

Розшифровка кодів, наприклад, найпростішим методом — їх пере-бору, може бути покладена на сам комп’ютер. Однак при кодах високої розрядності й спеціальних прийомів шифрування (наприклад, розкла-данням чисел на прості множники) для розгадки кодів потрібно так ба-гато операцій, що такерішення стає складним навіть для супер-ЕОМ, що перевершують по продуктивність ПК у багато тисяч разів.

Ï è ò à í í ÿ1. Що розуміють під кодом.2. Які мови кодування Вам відомі.3. Як кодуються різні види інформації?4. Яким чином кодується текстова інформація двійковим кодом.5. Яким чином кодується графічна інформація двійковим кодом.6. Як кодуються різні кольори.7. Яким чином кодується числова інформація двійковим кодом.8. Яким чином кодується звукова інформація двійковим кодом.9. Що таке кодування ASCII.10. Для чого операційними системаи використовуються знакогенератори.11. Для чого вткористовують кодуваня інформації.

Ç à â ä à í í ÿ1. Оформити абетки мов кодування: 1) Розмовної мови (англійської,

української, німецької, арабської, японської та ін.); 2) Мов міміки і жес-тів; 3) Мов малюнків і креслень; 4) Мов науки: математичні, хімічні; 5) Мов мистецтва: музики, живопису, скульптури; 6) Спеціальних мов: есперанто, морської семафорної, азбуки Морзе, азбуки Брайля.

2. Навести по 4 приклади кодування емоційних відтінки символами через смайли та акроніми.

3. Знайдіть кількість пікселів у рядку зображення, якщо довжина ряд-ка дорівнює 29 см, а роздільна здатність екрану — 72 dpi.

4. Яким буде розмір зображення на екрані монітора (у сантиметрах), якщо роздільна здатність становить 96 dpi, ширина зображення — 800 пікселів, а висота — 600 пікселів.

5. Яку кількість кольорів підтримує система, якщо глибина кольору d=24? d=32?

53

7. Àíàëîãîâå òà öèôðîâå ïðåäñòàâëåííÿ ³íôîðìàö³¿

Для швидкої передачі повідомлень використовуються сигнали, які яв-ляють собою накладення повідомлень на той або інший носій інформації, здатний швидко переміщати сигнали. Фізична природа сигналів може бути будь-якою — струм у дротах, звукові й електромагнітні хвилі або світло.

Будь-який переданий сигнал переноситься або енергією, або речови-ною. Але ні передана енергія, ні послана речовина по собі ніякого зна-чення не мають. Вони служать лише носіями інформації.

Сигнал — спосіб передачі інформації. Він може бути безперервним (аналоговим) або дискретним.

Аналоговий сигнал — сигнал, що безперервно змінюється по амплітуді і у часі (напруження, що плавно міняється, струм, температура, звуки). Сигнал називають дискретним (цифровим), якщо він може приймати ли-ше кінцеве число значень в кінцевму числі моментів часу (дискретний — не безперервний).

Цифровим він називається тому, що його окремі значення ми може-мо перерахувати, т. б. кожному значенню сигналу ми можемо поставити у відповідність число.

Сигнали, які несуть текстову, символьну інформацію — дискретні.Аналогові сигнали використовують, як правило, в телефонному

зв’язку, радіомовленні, телебаченні.Сигнал в його найпростіші формі може приймати два дискретних

і цілком визначених значення.Приклад. На сигнальній вежі вогонь є — вогню немає. Якщо ба-

гаття на вежі палять постійно або не запалюють зовсім, то немає ні-якої можливості дізнатися, коли ж вторгся ворог.

Тому не буває сигналу, що приймає тільки одне дискретне значення.Різна апаратура систем обробки інформації в обчислювальній техніці

і управлінні в залежності від того, які сигнали вона обробляє, ділиться на аналогову та дискретну. До аналогової техніки відносяться різні регу-лювальники, вимірювальні прилади і т. п. Різні ЕОМ, логічні схеми управ-ління — це цифрова (дискретна) техніка.

Дискретні сигнали можна представити дискретними рівнями їх па-раметрів. Оскільки, наприклад, вимикач світла у кімнаті може бути або тільки включеним, або тільки виключеним, то сигнал про його стан буде

54

дискретним і двійковим. Якщо цих рівнів багато, можна говорити про цифрове подання інформації.

Сигнали, миттєві значення яких представлені числами, називають цифро-вими сигналами.

Аналоговий сигнал можна квантувати, т. б. представляти його рядом сходів, висота яких задається рівнем сигналу на початку кожної сходин-ки (у момент вибірки) і залишається незмінною протягом кожної сходин-ки (рис. 11).

Рис. 11. Квантування електричного сигналу синусоїдальної форми

У загальному випадку роблять вибірку (вирізку) сигналів (рис. 12) у певні моменти часу. Вони можуть бути росташовані рівномірно або нерівномірно один від одного. Вибірку електричних сигналів і їх подан-ня у вигляді чисел або кодів кінцевої розрядності виконують так звані аналого-цифрові перетворювачі — АЦП. В результаті на виході АЦП маємо дискретний сигнал, представлений потоком чисел (кодів). Головні показники АЦП — це їх розрядність (число рівнів квантування, виража-ється як правило у двійковому виді) і швидкість виконання перетворень (число операцій за секунду).

Рис. 12. Аналоговий сигнал довільного виду і його вибірки

Зворотне перетворення цифрової інформації в аналогову виконують цифро-аналогові перетворювачі — ЦАП. Для найпоширеніших елек-

55

тричних сигналів АЦП і ЦАП випускаються у вигляді великих інте-гральних мікросхем.

накладення повідомлень на той або інший носій інформації, здатний швидко переміщати сигнали. Фізична природа сигналів може бути будь-якою — струм у дротах, звукові й електромагнітні хвилі або світло.

Аналогові сигнали характеризується плавною й безперервною змі-ною їх параметрів (величини електричного струму або напруги для елек-тричних сигналів). Прикладом такого сигналу є синусоїдальний елек-тричний сигнал (рис. 13).

Рис. 13. Синусоїдальний (а), амплитудно-модулированный (б) і частотно-модулированный (с) сигнали

Аналогові сигнали одного виду легко перетворяться в аналогові сиг-нали іншого виду. Наприклад, мікрофон перетворить звукові коливання в електричні звукові сигнали. Якщо звуковий сигнал синусоїдальний, то сигнал на виході мікрофона буде синусоїдальною напругою з доміш-кою деякого шуму.

Самим неприємним моментом у використанні аналогової інформації є її засміченість шумами всілякої природи. Всі електронні компоненти мають шуми, і вони неминуче підсилюються в ході посилення й пере-творення сигналів. Це принципово перешкоджає точному копіюванню аналогової інформації. Про цьому добре знають власники аналогових магнітофонів і відеомагнітофонів — при копіюванні записів їх якість погіршується від запису до запису.

На практиці використовується велика кількість несинусоїдальних сигналів (імпульсні сигнали пилкоподібної, прямокутної й іншої фор-ми). Математик Фур’є строго довів, що такі періодичні сигнали можуть бути представлені сумою синусоїдальних сигналів. Ці сигнали назива-ють гармоніками. Лінійні перетворення сигналів не міняють склад гар-монік (так звані спектри), а нелінійні призводять до його зміни, тобто появі нових гармонік.Для швидкої передачі повідомлень використову-ються сигнали, які являють собою

56

Ï è ò à í í ÿ1. Який сигнал називається аналоговим. Наведіть приклад.2. Який сигнал називається дискретним. Наведіть приклад.3. Який сигнал називається цифровим.4. Які пристрої виконують пертворення цифрових та аналогових сигналів.

8. Ìîæëèâîñò³ êîìï’þòåðíèõ òåõíîëîã³é

8.1. Âèêîðèñòàííÿ ³íôîðìàòèêè òà êîìï’þòåðíî¿ òåõí³êè

8.1.1. Ó ïîáóò³Останнім часом комп’ютери увійшли у житла людей і поступово ста-

ють предметами першої необхідності. Є два основних напрямки вико-ристання комп’ютерів у побуті.

1. Забезпечення нормальної життєдіяльності житла- охоронна автоматика, протипожежна автоматика, газоаналізуюча автоматика;

- керування освітленням, витратою електроенергії, опалювальною системою, керування мікрокліматом;

- електроплити, холодильники, пральні машини з убудованими мі-кропроцесорами.

2. Забезпечення інформаційних потреб людей, що знаходяться у житлових будинках

- замовлення на товари і послуги;- процеси навчання;- спілкування з базами даних та знань;- збір даних про стан здоров’я;- забезпечення дозвілля та розваг;- забезпечення довідковою інформацією;- електронна пошта, телеконференції;- Інтернет.

3. Цифровий будинокОстаннім часом термін «цифровий будинок» (digital home, не плутати з

smart home — «розумний будинок») міцно увійшов у обіг. В епоху цифро-вих технологій на перший план виступає проблема доступності контенту. Якщо у будинку кілька ПК, то, незалежно від того, з яким з них вібуваєть-ся робота, користувачеві бажано мати доступ до не тільки до Internet, циф-ровим фото- відео- фонотекам. Також не необов’язково використовувати

57

дані ресурси використовуючи ПК, оскільки набагато приємніше фільми переглядати на екрані TV, слухати музику — на стереосистемі.

Таким чином, проблема «цифрового будинку» — це проблема вза-ємодії (обміну інформацією) між різними цифровими та аналоговими пристроями та ПК, між кількома ПК у домашні мережі, між домашньою мережею та Internet. Існує безліч поглядів на дане питання, але якщо уза-гальнити всі погляди, то отримаємо наступне.

Під цифровим будинком в першу чергу розуміють сукупність цифро-вих та аналогових пристроїв в межах одного, окремо взятого приміщен-ня (квартири), здатних до обміну інформацією між собою й з «зовнішнім світом». Головне значення, традиційно, в даному випадку відводиться домашньому ПК, який за допомогою комп’ютерної мережі з’єднаний з іншими компонентами. Але можна обійтися й без ПК.

а)

б)

Робота у будь-який час та будь-якому

місці

Рис.14Компоненти цифрового будинку:— Настільні комп’ютери.— Портативні комп’ютери.— Цифрові пристрої (периферійні пристрої ПК: принтери, сканери,

багатофункціональні пристрої (БФП), системи конференц-зв’язку, net-work storage, ін.; цифрові фото- відеокамери; МР3-плеєри; мобільні те-лефони; КПК; ігрові консолі; ін.).

58

— Аналогові пристрої (телевізори, домашні кінотеатри, акустичні системи класу Hi-Fi та ін..).

— Інфраструктура (забезпечення зв’язку по віті парі або бездротові мережі, Wi-Fi адаптери, маршрутізатори та ін..).

— Широпополосний вихід до Internet.Об’єднати всі компоненти цифрового будинку у єдину робочу систе-

му можна кількома способами (рис. 14 а, б).8.1.2. Ó íàóö³

Системами автоматизованого проектування (САПР)

Системи автоматизованого проектування (САПР) — комплексні про-грамно-технічні системи, призначені для виконання проектних робіт із за-стосуванням математичних методів.

Системи САПР широко використовуються в архітектурі, електроніці, енергетиці, механіці та інших галузях наукової діяльності та розробок (рис. 15). У процесі автоматизованого проектування як вхідну інформа-цію використовуються технічні знання фахівців, що вводять проектні вимоги, уточнюють результати, перевіряють отриману конструкцію, змі-нюють її і ін. Крім того, у САПР накопичується інформація, що розташо-вана в бібліотеках стандартів (дані про типові елементи конструкцій, їх розмірах, вартості та ін.). У процесі проектування розроблювач викликає певні програми і виконує їх. Із САПР інформація видається у виді гото-вих комплектів закінченої технічної та проектної документації.

Рис.15

Автоматизовані системами наукових досліджень (АСНД)

Автоматизовані системи наукових досліджень (АСНД) призначені для автоматизації наукових експериментів, а також для здійснення моделю-вання досліджуваних об’єктів (рис. 16), явищ і процесів, вивчення яких традиційними засобами досить важке або взагалі неможливо.

59

Рис.16

У наш час наукові дослідження в багатьох областях знань проводять великі колективи вчених, інженерів і конструкторів за допомогою дуже складного і дорогого устаткування. Великі витрати ресурсів для про-ведення досліджень обумовили необхідність підвищення ефективності всієї роботи. Ефективність наукових досліджень у значній мірі зв’язана з рівнем використання комп’ютерної техніки.

Комп’ютери в АСНД використовуються в інформаційно-пошукових і експертних системах, а також вирішують наступні задачі:- керування експериментом;- підготовка звітів і документації;- підтримка бази експериментальних даних і ін.

В результаті застосування АСНД виникають наступні позитивні мо-менти:- у кілька разів скорочується час проведення дослідження;- збільшується точність і вірогідність результатів;- підсилюється контроль за ходом експерименту;- скорочується кількість учасників експерименту;- підвищується якість і інформативність експерименту за рахунок збіль-шення числа контрольованих параметрів і більш ретельної обробки даних;

- результати експериментів виводяться оперативно в найбільш зручній формі — графічної або символьній (наприклад, значення виводять-ся засобами машинної графіки у виді так званих «гірських масивів»). На екрані одного графічного монітора можливе формування цілої сис-теми приладових шкал (вольтметрів, амперметрів, термометрів і ін.), що реєструють параметри експериментального об’єкта.

60

Зв’язок між САПР та АСНДКожна із систем АСНД і САПР, звичайно, має свою специфіку і від-

різняється поставленими метою і методами їх досягнення. Однак дуже часто між обома типами систем виявляється тісний зв’язок, і їх спорід-нює не тільки те, що вони реалізуються на базі комп’ютерної техніки.

Наприклад, у процесі проектування може знадобитися виконання того чи іншого дослідження, і, навпаки, у ході наукового дослідження може виникнути потреба й у конструюванні нового приладу й у проек-туванні наукового експерименту.

Такий взаємозв’язок приводить до того, що насправді «чистих» АСНД і САПР не буває: у кожній з них можна знайти загальні елементи. З підвищенням їхньої інтелектуальності вони зближаються. У кінцево-му рахунку і ті й інші повинні являти собою експертну систему, орієнто-вану на рішення задач певної області.

8.1.3.  àäì³í³ñòðàòèâíîìó óïðàâë³íí³

Основні застосування комп’ютерів в адміністративному керуванні наступні.

Електронний офіс. Це система автоматизації роботи установи, за-снована на використанні комп’ютерної техніки. У неї звичайно входять такі компоненти, як:

текстові редактори;- інтегровані пакети програм;- електронні таблиці;- СУБД;- Графічні редактори та графічні бібліотеки (для одержання діаграм,

схем, графіків і ін.);- Електронні записні книжки;- Електронні календарі з розкладом ділових зустрічей, засідань та ін.;- електронні картотеки, що забезпечують каталогізацію і пошук до-

кументів (листів, звітів і ін.) за допомогою комп’ютера;- автоматичні телефонні довідники, які можна перегортати на екрані,

втбрати курсором потрібний номер і з’єднатися.- Автоматизація документообігу з використанням спеціальних елек-

тронних пристроїв:адаптера (лат. adaptare — пристосовувати) зв’язку з периферійни-

ми пристроями, що має вихід на телефонну лінію;

61

- сканера — для введення в комп’ютер документів — текстів, крес-лень, графіків, малюнків, фотокарток.

- Електронна пошта. Це система пересилки повідомлень між ко-ристувачами обчислювальних систем, у якій комп’ютер бере на себе усі функції по збереженню і пересиланню повідомлень. Для здійснен-ня такого пересилання відправник і одержувач не обов’язково повинні одночасно знаходитися біля комп’ютера, і не обов’язково повинні бути підключені до одного комп’ютера.

Відправник повідомлення насамперед запускає програму відправ-лення пошти і створює повідомлення. Потім це повідомлення передаєть-ся в систему пересилання повідомлень, що відповідає за його доставку адресатам. Через деякий час повідомлення доставляється адресату і міс-титься в його «поштову скриньку», розміщений на магнітному диску. Потім одержувач запускає програму, що витягає отримані повідомлення, заносить їх в архів і т. п.

Система контролю виконання наказів і розпоряджень.Система телеконференцій. Вона заснована на викор истанні

комп’ютерної техніки система, що дозволяє користувачам, незважаючи на їх взаємну далекість у просторі, а іноді, і в часі, брати участь у спіль-них заходах, таких, як організація і керування складними проектами.

У деяких системах телеконференцій учасники мають можливість «бачити» один одного, що забезпечується приєднаними до систем теле-візійних (цифрових) камер.

8.1.4. У освіті.Процес підготовки кваліфікованих фахівців тривалий і складний. На-

вчання в середній школі і потім у вузі займає майже третину тривалості життя людини. До того ж у сучасному інформаційному суспільстві зна-ння дуже швидко старіють. Щоб бути здатним виконувати ту чи іншу професійну діяльність, фахівцю необхідно безупинно поповнювати свої знання. Реально це можливо лише з введенням в освітній процес засобів новітніх інформаційних технологій (ЗНІТ).

Засоби новітніх інформаційних технологій — це програмно-апаратні засоби і пристрої, що функціонують на базі комп’ютерної техніки, а також сучасні засоби і системи інформаційного обміну, що забезпечу-ють операції із збору, створення, накопичення, збереження, обробки та передачі інформації.

62

Розглянемо основні перспективні напрямки використання ЗНІТ у освіті.

1. Автоматизовані навчальні системи (АНС) — комплекси про-грамно-технічних та навчально-методичних засобів, що забезпечують активну навчальну діяльність. АНС забезпечують не тільки навчання певним знанням, але і перевірку відповідей учнів, можливість підказки, цікавість матеріалу що вивчається та ін.

2. Експертні навчальні системи (ЕНС). Реалізують навчальні функ-ції і містять знання з визначеної досить вузької предметної області. ЕНС мають у своєму розпорядженні можливості пояснення стратегії і так-тики рішення задачі досліджуваної предметної області і забезпечують контроль рівня знань, умінь і навичок з діагностикою помилок за резуль-татами навчання.

3. Навчальні бази даних (НБД) і навчальні бази знань (НБЗ), орі-єнтовані на деяку предметну область. НБД дозволяють формувати на-бори даних для заданої навчальної задачі і здійснювати вибір, сортуван-ня, аналіз і обробку інформації, що міститься в цих наборах. В НБЗ, як правило, містяться: опис основних понять предметної області, стратегія і тактика рішення задач; комплекс пропонованих вправ, прикладів і за-дач предметної області, а також перелік можливих помилок того, якого навчають, і інформація для їх виправлення; база даних, що містить пере-лік методичних прийомів і організаційних форм навчання.

4. Системи мультимедіа. Дозволяють реалізувати інтенсивні методи і форми навчання, підвищити мотивацію навчання за рахунок застосу-вання сучасних засобів обробки аудіовізуальної інформації, підвищити рівень емоційного сприйняття інформації, сформувати уміння реалізо-вувати різноманітні форми самостійної діяльності по опрацюванню ін-формації.

Системи мультимедіа широко використовуються з метою вивчення процесів різної природи на основі їхнього моделювання. Тут можна уна-очнити, невидиме звичайним оком, життя елементарних часток мікро-світу при вивченні фізики, образно і зрозуміло розповісти про абстрак-тні і n-мірні світи, доступно пояснити, як працює той чи інший алгоритм і т. п. Можливість у кольорі і з звуковим супроводом промоделювати ре-альний процес, піднімає навчання на якісно нову ступінь.

Кадри навчального комп’ютерного фільму «Топологія і механіка» зобра-жують гіперсферу, аналог звичайної сфери у чотиривимірному просторі.

63

5. Системи «Віртуальна реальність». Застосовуються при рішен-ні конструктивно-графічних, художніх та інших задач, де необхідний розвиток уміння створювати уявну просторову конструкцію деякого об’єкта по його графічному представленню; при вивченні стереометрії і креслення; у комп’ютеризованих тренажерах технологічних процесів, ядерних установок, авіаційного, морського і сухопутного транспорту, де без подібних пристроїв принципово неможливо відробити навички вза-ємодії людини із сучасними надскладними і небезпечними механізмами і явищами.

6. Освітні комп’ютерні телекомунікаційні мережі. Дозволяють за-безпечити дистанційну освіту (ДО) — навчання на відстані, коли викла-дач і той, якого навчають, розділені просторово і у часі, а навчальний процес здійснюється за допомогою телекомунікацій, головним чином, на основі засобів мережі Інтернет. Багато людей при цьому одержують можливість підвищувати освіту вдома (наприклад, дорослі люди, обтя-жені діловими і сімейними турботами, молодь, що проживає в сільській місцевості або невеликих містечках). Людина в будь-який період свого життя знаходить можливість дистанційно одержати нову професію, під-вищити свою кваліфікацію і розширити кругозір, причому практично в будь-якому науковому або навчальному центрі світу.

В освітній практиці знаходять застосування все основні види комп’ютерних телекомунікацій: електронна пошта, електронні дошки оголошень, телеконференції й інші можливості Інтернету. ДО передба-чає й автономне використання курсів, записаних на відеодиски, компакт-диски і т. д. Комп’ютерні телекомунікації забезпечують:

- можливість доступу до різних джерел інформації через систему Internet і роботу з цією інформацією;

- можливість оперативного зворотного зв’язку в ході діалогу з викла-дачем або з іншими учасниками навчального курсу;

- можливість організації спільних телекомунікаційних проектів, у тому числі міжнародних, телеконференцій, можливість обміну думка-ми з будь-яким учасником даного курсу, викладачем, консультантами, можливість запиту інформації з будь-якого питання, що цікавить, через телеконференції;

- можливість реалізації методів дистанційної творчості, таких як участь у дистанційних конференціях, дистанційний «мозковий штурм», творчих робіт у мережі, порівняльний аналіз інформації в WWW, дис-

64

танційні дослідницькі роботи, колективні освітні проекти, ділові ігри, практикуми, віртуальні екскурсії ін.

- Спільна робота стимулює учнів на ознайомлення з різними точка-ми зору на досліджувану проблему, на пошук додаткової інформації — на оцінку власних одержаних результатів.

8.1.5. Ó óïðàâë³íí³ òåõíîëîã³÷íèì ïðîöåñàìè

Основних застосувань два:-у гнучких автоматизованих виробництвах (ГАВ);- у контрольно-вимірювальних комплексах.У гнучких автоматизованих виробництвах комп’ютери (або мікро-

процесори) вирішують наступні задачі:керування механізмами;- керування технологічними режимами;- керування промисловими роботами.Застосування комп’ютерів у керуванні технологічними процесами

виправдано тоді, коли існує потреба в частих змінах реалізованих функ-цій. Приклад гнучких автоматизованих виробництв — заводи-роботи в Японії.

Однієї з нових областей є створення на основі персональних ком-п’ютерів контрольно-вимірювальної апаратури, за допомогою якої мож-на перевіряти виробу прямо на виробничій лінії.

У розвитих країнах налагоджений випуск програмного забезпечення і спеціальних змінних плат, що дозволяють перетворювати комп’ютер у високоякісну вимірювальну й іспитову систему.

Комп’ютери, оснащені подібним чином, можуть використовуватися в якості запам’ятовуючих цифрових осцилографів, пристроїв збору да-них, багатоцільових вимірювальних приладів.

Застосування комп’ютерів як контрольно-вимірювальні прилади більш ефективно, ніж випуск в обмежених кількостях спеціалізованих приладів з обчислювальними блоками.

Автоматизоване робоче місце (АРМ, робоча станція) — місце операто-ра, що обладнано всіма засобами, необхідними для виконання визначених функцій.

У системах обробки даних і установах звичайно АРМ — це дисплей із клавіатурою, але може використовуватися також і принтер, зовнішні запам’ятовуюче пристрій і ін.

65

8.1.6. Ó ìåäèöèí³

Лікарі використовують комп’ютери для багатьох важливих застосу-вань. Назвемо деякі з них.

Комп’ютерна апаратура широко використовується при постановці діагнозу, проведенні обстежень і профілактичних оглядів.

Комп’ютерні мережі використовуються для пересилання повідомлень про донорські органи, у яких бідують хворі, що очікують операції трансплантації.

Банки медичних даних дозволяють медикам бути в курсі останніх на-укових і практичних досягнень.

Комп’ютери дозволяють встановити, як впливає забруднення повітря на захворюваність населення даного району. Крім того, з їхньою допо-могою можна вивчати вплив ударів на різні частини тіла, зокрема, на-слідки удару при автомобільній катастрофі для черепа і хребта людини.

Комп’ютерна техніка використовується для навчання медичних праців-ників практичним навичкам. Цього разу комп’ютер виступає в ролі хво-рого, якому потрібно негайна допомога. На підставі симптомів, виданих комп’ютером, що медичний працівник, який навчається, повинний визна-чити курс лікування. Якщо він помилився, комп’ютер відразу показує це.

Приклади комп’ютерних пристроїв і методів лікування і діагностики:комп’ютерна томографія і ядерна медична діагностика — дають точні пошарові зображення структур внутрішніх органів; ультразвукова діагностика і зондування — використовуючи ефекти взаємодії па-даючих і відбитих ультразвукових хвиль, відкриває незліченні можливості для одер-жання зображень внутрішніх органів і дослідження їх стану; мікрокомп’ютерні технології рентгенівських досліджень — збережені у цифровій формі рентгенівські знімки можуть бути швидко і якісно опрацьовані, відтворені і занесені в архів для порівняння з наступними знімками цього пацієнта;стимулятор серцевого ритму; пристрої дихання та наркозу; променева терапія з мікропроцесорним керуванням — забезпечує можливість застосування більш надійних і методів опромінення, що щадять; пристрої діагностики і локалізації ниркових і жовчних каменів, а також контролю процесу їх руйнування за допомогою зовнішніх ударних хвиль (літотрипсія); лікування зубів і протезування за допомогою комп’ютера; системи з мікрокомп’ютерним управлінням для інтенсивного медичного контролю пацієнта.

66

Комп’ютери використовуються для створення карт, що показують швидкість поширення епідемій. Комп’ютери зберігають у своїй пам’яті історії хвороб пацієнтів, що звільняє лікарів від паперової роботи, на яку іде багато часу, і дозволяє більше часу приділяти самим хворим.

На малюнках показано, як організується робота в цілком комп’ю те-ризованому відділенні лікувальної установи. Застосування комп’ютерів переводить медицину на інший, більш високий якісний рівень і сприяє подальшому підвищенню рівня і якості життя.

8.1.7. Ó òîðã³âë³

В організації комп’ютерного обслуговування торгових підприємств велике поширення одержав так називаний штрихової код (бар-код) (рис. 17). Він являє собою серію широких і вузьких смуг, у яких зашиф-рований номер торгового виробу.

Рис.17. (Бар-код)

Цей номер записаний на етикетці виробу двічі: у формі двох п’яти-значних чисел і у виді широких і вузьких смуг. Перші п’ять цифр вказу-ють фірму-постачальника, а інші п’ять — номер виробу в номенклатурі товарів, що випускаються даною фірмою.

Для друку штрихових кодів використовуються спеціальні приставки на звичайних принтерах. Отримані коди зчитуються за допомогою ска-нерів, перетворюються в електричні імпульси, переводяться у двійковий код і передаються в пам’ять комп’ютера.

Використовуючи штрихової код, комп’ютер друкує на видаваному покупцю чеці назву товару і його ціну.

Інформація про кожний наявний в магазині або на складі товар зане-сено в базу даних. По запиту комп’ютер аналізує:

- кількість товару, що залишилася;- правила його оподатковування;- юридичні обмеження на його продаж та ін.Одночасно з подачею відомостей про проданий товар на дисплей ка-

сового апарата, комп’ютер робить відповідну корекцію (уточнення) то-варної відомості.

67

Як правило, програмне забезпечення створено так, що зведена ін-формація про наявність товарів видається директору (управляючому) магазина до кінця робочого дня. Разом з тим директор має можливість обновляти дані про зміну цін і надходження нових партій товарів.

У перспективі торгівля перетвориться в комп’ютеризований продаж товарів на замовлення.

Те ж саме програмне забезпечення, що застосовується для організації обліку в торгівлі, можна використовувати і для інших цілей, наприклад для контролю наявності комплектуючих виробів на заводській лінії збо-ру, обліку деревини, що сплавляються по ріці, й ін.

8.1.8. Ó ñ³ëüñüêîìó ãîñïîäàðñòâ³

Маючи комп’ютер, директор сільськогосподарського підприємства (фермер) може легко і швидко розрахувати необхідне для посіву кіль-кість насінь і кількість добрив, спланувати свій бюджет і вести облік домашньої худоби. Комп’ютерні системи можуть планувати сівообіг, розраховувати графік поливу сільськогосподарських культур, керувати подачею корму худобі та виконувати багато інших корисних функцій.

Зараз відбувається технологічна революція в сільському господар-стві — комп’ютери й індивідуальні мікродатчики дозволяють контр-олювати стан і режим кожної окремої тварини та рослини. Це вивіль-няє значні матеріальні і людські ресурси, різко поліпшує якість життя людини.

Як приклад приведемо портативний комп’ютер AgGPS 170 компанії Trimble, призначений для застосування в найважчих умовах, що супро-воджують сільськогосподарські роботи (рис. 18). Цей комп’ютер можна використовувати як у ручному варіанті, так і вмонтувати в автомобіль. З його допомогою можна керувати сільськогосподарськими роботами, переглядати карти полів, реєструвати різні дані про стан ґрунту, поса-джених сільськогосподарських культур та ін.

Рис.18

68

Основні характеристики комп’ютера AgGPS 170:- цілком герметичний і ударостійкий (витримує падіння з висоти в 1,2 м);- функціонує в температурному діапазоні від –30 до +60 градусів Цельсія;- ресурс роботи від батарей — до 40 годин;- дані зберігаються на знімному картриджі пам’яті;- працює під керуванням ОС MS Windows CE;- використовується спеціальне програмне забезпечення для сільського господарства;

- за допомогою комп’ютера можна записувати рельєф місцевості і ство-рювати польові топографічні карти, використовуючи дані геоінфор-маційних систем, обчислювати площі полів та обробляти статистичні дані по польових роботах;

- при з’єднанні із системою розпилювачів комп’ютер може реєструвати дані про застосування хімікатів і автоматично генерувати відповідні карти і звіти;

- за допомогою відповідного програмного забезпечення можливо реє-струвати дані із штрихів-кодів, датчиків спостереження за станом на-вколишнього середовища та погоди й ін.

8.2. Åëåêòðîíí³ ãðîø³

Однієї з найважливіших складових інформатизації стає перехід гро-шово-кредитної і фінансової сфери до електронних грошей.

Основні напрямки використання електронних грошей наступні:- торгівля без готівки. Оплата відбувається з використанням кредит-них карток. Маючи замість готівки кредитну картку, покупець при будь-якій покупці розплачується не готівкою, а автоматично знімає зі свого рахунка в банку потрібну суму грошей і пересилає її на раху-нок магазина. Система торгівлі без готівки POS (англ. Points of Sale System — система касових автоматів) виконує наступні функції:

- верифікацію кредитних карток (тобто підтвердження їх дійсності);- зняття грошей з рахунка покупця;- перерахування їх на рахунок продавця.

POS — найбільш масова і показова галузь системи електронних гро-шей. Вона здатна також виявляти найменші розкрадання готівки і това-рів. Відомості на кредитну картку наносяться методом магнітного запису. У кожну кредитну картку вбудована магнітна карта — носій інформації. На магнітну карту заздалегідь записуються наступні дані:- номер особистого рахунка;- назва банку;- країна;

69

- категорія платоспроможності клієнта;- розмір наданого кредиту і т. д.

Вважається, що самі по собі кредитні картки заощаджують 10 % ви-трат на оплату товарів.

— Розмінні автомати. Вони встановлюються банками тільки для сво-їх клієнтів, яким попередньо видані кредитні картки. Клієнт вставляє в ав-томат кредитну картку і набирає особистий код і суму, що він бажає мати готівкою. Автомат по банківській мережі перевіряє правильність коду, знімає зазначену суму з рахунка клієнта і видає її готівкою. Часто кілька банків поєднуються і створюють загальну мережу розмінних автоматів.

— Банківські угоди вдома. За невелику місячну плату при наяв-ності в будинку персонального комп’ютера і модему вкладник може зв’язуватися через телефонну мережу з комп’ютеризованими банків-ськими організаціями й одержувати від них великий набір послуг.

— Зустрічні заліки. По усьому світі активно впроваджуються електро-нні системи споживчого кредиту і взаємних розрахунків між банками по за-гальному підсумку. Такі системи реалізуються у виді автоматичних клірин-гових (англ. clearing — очищення) обчислювальних мереж ACH (Automated Clearing House). По мережі йдуть не тільки банківські документи, але й ін-формація, важлива для прийняття відповідальних фінансових рішень.

— Оплата усно. Вона полягає в оплаті рахунків по телефону з гаран-тованим впізнанням кредитора по паролю і голосу. Інший спосіб полягає у використанні пристрою, здатного передавати по телефону факсимільні зо-браження грошових чеків і рахунків (факсимільний — від лат. fac simile, — точне відтворення підпису, документа і т. д. графічними засобами).

Поряд з очевидними і дуже великими перевагами з електронними грошима зв’язані і складні проблеми — від фінансових до правових («електронні пограбування», переведення електронних грошей з одні-єї країни в іншу й ін.). Електронні гроші є неминучий результат науко-во-технічного прогресу в грошово-кредитній сфері.

8.3. Ùî â쳺 êîìï’þòåð

З комп’ютером відбувається щось подібне до того, що було з авто-мобілем та електрикою — недовіра, настороженість а надалі отриман-ня змінювалося спочатку на зацікавленість, потім захоплення, а потім на спокійні ділові відносини.

З одного боку, комп’ютер — це тільки автомат, який повністю по-збавлений знань, досвіду, волі і тим паче інтуїції. Його призначення —

70

механічно виконувати команди, які подає йому людина — користувач або програміст. В інтелектуальній сфері комп’ютер може виконати лише чотири арифметичні дії та порівнювати число по величині. В той же час він володіє величезною електронною пам’яттю, яка дозволяє йому запам’ятовувати інформацію, яка представлена у двійковому вигляді.

В цілому, комп’ютер вміє феноменально швидко оперувати послі-довностями електронних сигналів, які представляють деякі числа та по-ступають з клавіатури, диска, по лінії зв’язку, а потім, — по інструкціям програміста та за допомогою своїх електронних схем, дисків, люміно-форів, механічних пристроїв, — оформлювати результати своїх маніпу-ляцій на екрані дисплея та на папері через принтер.

Апаратні засоби, створені з використанням високих технологій, ра-зом з великою кількістю «розумних» програм, які написані людиною, — це й є те, що робить можливості комп’ютерної техніки майже необмеже-ними. Ці всі можливості важко навіть перелічити.

8.4. ×è ìîæå êîìï’þòåð ìèñëèòè?

Це один з самих популярних питань, яке обговорюється в масовій та комп’ютерній літературі, він пов’язаний з можливими наслідками всеза-гальної інформатизації суспільства: чи здатний комп’ютер надавати люди-ні нові знання про оточуючий світ, чи здатний він до само відтворення, чи може машина замінити або навіть перетворити на рабо людину, чи мож-ливі комп’ютерні війни і т. п. Щоб відповісти на подібні питання, необхід-но спочатку визначити, що таке мислення і мислення людини — зокрема. Поки що, на даному етапі розвитку науки, дати відповідь на дане питання неможливо, а точніше — питання є некоректним. Але, на нього можна від-повісти виходячи з наших обмежених знань про мислення.

Механізми роботи людського мозку як апарата з опрацювання інфор-мації досить складні та фактично маловивчені. Відкриття у сфері психо-логії та психіатрії лише підкреслюють глибину проблем, які необхідно вирішити тому, хто вирішить створити хоча б приблизно, кібернетичну модель мозку. Дійсно, ми можемо говорити лише про верхівки айсбер-га в роботі мозку — о механізмі сприйняття та збереження зовнішніх сигналів та найпростіше їх опрацювання по схемах формальної логіки. Ми не знаємо, як підійти до математичного описання інтуїції, емоцій, підсвідомого, які відіграють важливу роль в процесах мислення не лише людини, а й тварин. Що може протиставити цьому комп’ютер? Лише феноменальну ємність пам’яті та феноменальну швидкість механічного

71

виконання команд. Всі зовнішні прояви фантастичних можливостей ма-шин до мислення не відносяться.

Разом з тим, досвід стрімкого розвитку комп’ютерної науки та тех-нологій (й техніки в цілому) вчить нас стримуватися від занадто кате-горичних стверджень. (Фізик Герц, вважав абсурдним ідею відтворення людського голосу за допомогою металевої мембрани…)

Тому, даючи відповідь на дане питання, слід сформулювати відпо-відь наступним чином: поки жодна з відомих машин мислити нездатна; цей факт слід вважати непохитною істиною — поки. Вражаючі успіхи комп’ютерних програм (висока якість перекладу, розпізнання рукопис-ного тексту, перемога шахматного автомата над Каспаровим і т. п.) — це успіхи людського розуму та високої технології, а не комп’ютерного інте-лекту. Навпаки, зараз спостерігається певне розчарування темпами роз-витку «інтелектуальних» здібностей машин (в деяких країнах припинені практичні розробки в галузі штучного інтелекту, пов’язані з створенням експертних систем та баз знань; сподівання на ефективність таких сис-тем виявилися збільшеними).

Тому, вивчаючи комп’ютерні технології та пишаючись необмеженими можливостями комп’ютера, будемо пам’ятати, що мислити комп’ютер поки не може. Отже, сказання про якісь самостійні акції машини слід (поки) вважати сферою письменників-фантастів.

8.5. ×îãî «íå â쳺» êîìï’þòåð

Ознайомившись з можливостями та обмеженнями комп’ютерних технологій, можна прийти до висновку: існують задачі, рішення яких ми не можемо або не повинні доручати машині.

1. Проблема нерозв’язності. Існують задачі, для яких людина поки не знайшла способу вирішення (так звані алгоритмічно нерозв’язні зада-чі). Такі задачі доручати комп’ютеру немає сенсу: він не зможе мислити і розв’язку не знайде.

2. Проблема вибору. З проблемою вибору людина стикається все своє життя. У необхідно зробити вибір, на що потратити кошти — купити морозиво або шоколад, піти до театру або на атракціон. Дорослі люди стикаються з проблемами вибору ще частіше.

При рішенні задачі вибору дуже важливо чітко сформулювати варіан-ти (без варіантів вибір не існує), обмеження і мету вибору, а точніше — критерії оптимальності вибору. Для рішення багатьох задач розроблені строгі математичні методи. Комп’ютер справиться з задачею вибору,

72

якщо критерій оптимальності можна виразити формальною математич-ною величиною. Але як виміряти «максимум задоволення» або «макси-мум успіху» від поїздки на відпочинок при виборі місця відпочину?

Машина здатна перебрати тисячі й мільйони варіантів, вибрати з них оптимальні по найскладнішому й заплутаному критерію. Багато вона може підсказати людині. Але у неї відсутня душа, вона не може прийняти рішення, пов’язане ї врахування смаків, схильностей та прив’язаностей людини, моральних та етичних аспектів задачі, соціальних та політич-них послідовностей того чи іншого вибору.

3. Проблема цілісності. Комп’ютер — не самоціль, й його застосу-вання вимагає певних затрат. Людині завжди необхідно співставляти користь, яку дає комп’ютер, з вартістю послуг. Невигідно застосовува-ти машину для введення телефонної картотеки об’ємом лише кілька де-сятків номерів або використовувати лазерний принтер для розмножен-ня чистих бланків. Невигідно вести облік відвідування учнями занять за допомогою потужної ЕОМ. В наш час виникають більш значимі зада-чі (створення та робота з експертними систем у медицині, використання машин на шкідливих виробництвах та ін.).

Існують задачі, для розв’язання яких навіть сучасні комп’ютери ви-магатимуть сотні років.

Ï è ò à í í ÿ1. Розповісти про основні напрямки використання комп’ютерів у до-

мівці людей.2. Яким ви представляється собі інформаційне суспільство?3. Які функції забезпечення життєдіяльності житла покладаються

сьогодні на комп’ютер?4. Які види повсякденних інформаційних потреб людей забезпечу-

ють комп’ютери?5. У чому суть процесу інформатизації освіти?6. Які задачі розв’язуються за допомогою автоматизованих навчаль-

них систем?7. Що таке дистанційне навчання?8. Розповісти про області застосування систем віртуальної реальності.9. Назвіть основні компоненти комп’ютерних офісних технологій.10. Які переваги і недоліки має електронна пошта в порівнянні зі зви-

чайною поштою?

73

11. Яким вам представляється інформаційне наповнення баз даних вашого навчального закладу?

12. Які медичні технології і способи лікування стали можливі з роз-витком комп’ютерної техніки?

13. Перелічите основні компоненти автоматизованого офісу.14. Що таке POS-система?15. Які види послуг надає система електронних грошей?16. Які функції виконує система торгівлі без готівки?17. Як побудована кредитна картка?18. Назвіть переваги і недоліки системи комп’ютеризованих банків-

ських розрахунків.19. Які приклади ефективного застосування комп’ютерів у сільсько-

му господарстві ви можете навести?20. Що «вміє» і чого «не вміє» комп’ютер?21. У чому полягає «мислення» комп’ютера?

9. Ìîäåëþâàííÿ ³ ôîðìàë³çàö³ÿ

9.1. Ìîäåëþâàííÿ ÿê ìåòîä ï³çíàííÿ

У своїй діяльності — наукової, практичної, художньої — людина дуже часто використовує моделі, тобто створює образ того об’єкта (процесу або явища), з яким йому приходиться мати справу. До створення моделей прибігають, коли досліджуваний об’єкт або дуже великий (модель Соняч-ної системи), або дуже малий (модель атома), коли процес дуже швидкий (модель двигуна внутрішнього згоряння) або дуже повільний (геологічні моделі), дослідження об’єкта може привести до його руйнування (модель літака) або дуже дороге (архітектурний макет міста) і т. д.

Чітких правил побудови моделі сформулювати неможливо, однак люд-ство накопичило багатий досвід моделювання різних об’єктів і процесів. Можна без перебільшення сказати, що вся освіта (і шкільна, і вища) — це вивчення тих або інших моделей, а також прийомів їх використання.

Таким чином, моделювання — це метод пізнання, що полягає у створенні і дослідженні моделей.

Кожен об'єкт має велику кількість різних властивостей. У процесі побудови моделі виділяються головні, найбільш істотні, властивості. Так, модель літака повинна мати геометричну будову оригіналу, модель

74

атома — правильно відображати фізичні взаємодії, архітектурний макет міста — ландшафт і т. д.

Модель — це деякий новий об'єкт, що відображає деякі істотні властивості досліджуваного об'єкта, явища або процесу.

Однак різні науки досліджують об'єкти і процеси під різним кутом зору і будують різні типи моделей. У фізиці вивчаються процеси взаємо-дії і руху об'єктів, у хімії — їх внутрішня будівля, у біології — поведінка живих організмів і т. д.

Візьмемо як приклад людини, у різних науках віна досліджується в рамках різних моделей. У рамках механіки її можна розглядати як ма-теріальну точка, у хімії — як об'єкт, що складається з різних хімічних речовин, у біології — як систему, що прагне до самозбереження і т. д.

З іншого боку, різні об'єкти можуть описуватися однією моделлю. Так, у механіку різні матеріальні тіла (від планети до піщини) можуть розглядатися як матеріальні точка.

Один і той самий об'єкт може мати безліч моделей, а різні об'єкти можуть описуватися однією моделлю.

Всі моделі можна розбити на два великих класи: моделі предмет-ні (матеріальні) і моделі знакові (інформаційні). Предметні моделі від-творюють геометричні, фізичні й ін. властивості об’єктів у матеріальній формі. У процесі навчання часто використовували такі моделі: глобус (географія), муляжі (біологія), моделі кристалічних ґрат (хімія) і ін.

Моделі інформаційні представляють об’єкти і процеси у формі малюн-ків, схем, креслень, таблиць, формул, текстів і т. д. У школі часто викорис-товуєте такі моделі: малюнок квітки (ботаніка), карта (географія), елек-трична схема (фізика), блок-схема алгоритму (інформатика), періодична система елементів Д. И. Менделєєва (хімія), формула (математика) і т. д.

З вищесказаного можна зробити наступні висновки:• Зовсім неважливо, які об’єкти вибираються в якості моделюючих.

Важливо лише те, що з їх допомогою вдається відбити найбільш істотні риси (ознаки) досліджуваного об’єкта, явища або процесу.

• Ніяка модель не може замінити сам об’єкт. Але при рішенні кон-кретної задачі, коли нас цікавить визначена властивість досліджуваного об’єкта, модель виявляється корисним, а часом і єдиним інструментом дослідження.

75

9.2. Ñòàòè÷í³ ³ äèíàì³÷í³ ³íôîðìàö³éí³ ìîäåë³

Навколишній світ складається з нескінченної кількості різних об’єктів, кожний з який має різноманітні властивості, і при цьому об’єкти взаємо-діють між собою. Наприклад, такі об’єкти, як планети Сонячної систе-ми, мають різні властивості (масу, геометричні розміри і т. д.) і за законом всесвітнього тяжіння взаємодіють із Сонцем і один з одним.

Планети входять до складу більш великого об’єкта — Сонячної сис-теми, а Сонячна система — до складу нашої галактики Чумацький шлях. З іншого боку, планети складаються з атомів різних хімічних елементів, а атоми — з елементарних часток. Можна зробити висновок, що практич-но кожен об’єкт складається з інших об’єктів, тобто являє собою систему.

Система складається з об’єктів, що називаються елементами системи. Між елементами системи існують різні зв’язки і відносини. Наприклад, комп’ютер є системою, що складається з різних пристроїв, при цьому при-строї зв’язані між собою й апаратно (фізично підключені друг до друга) і функціонально (між пристроями відбувається обмін інформацією).

Важливою ознакою системи є її цілісне функціонування. Наприклад, організм є багато організованою системою доти, поки він підтримує свою життєдіяльність.

Система — це об'єкт, що складається з елементів, які знаходяться між собою в різних відносинах і зв'язках, що забезпечують її цілісне функціонування.

Будь-яка система існує в просторі і часі. Стан системи в кожен мо-мент часу характеризується її структурою, тобто складом, властивос-тями елементів, їх відносинами і зв’язками між собою. Так, структура Сонячної системи характеризується складом об’єктів які до неї входять (Сонце, планети й ін.), їх властивостями (наприклад, розмірами) і вза-ємодією силами тяжіння.

Стан систем залежить від часу, тобто відбуваються процеси зміни і розвитку систем. Так, планети рухаються, змінюється їх положення щодо Сонця й один одного. Сонце, як і будь-яка інша зірка, розвивається, змінюється її хімічний склад і т. д.

Моделі, що описують систему у визначений момент часу, називаються статичними інформаційними моделями, а моделі, що описують процеси зміни і розвитку систем, — динамічними інформаційними моделями.

76

9.3. Ôîðìè ïðåäñòàâëåííÿ ³íôîðìàö³éíèõ ìîäåëåé

9.3.1. Ìîâà ÿê çàñ³á ³íôîðìàö³éíîãî ìîäåëþâàííÿ

Світ інформації дуже великий і потенційно нескінченний. Але лю-дина — кінцева істота: віна може прочитати тільки кінцеве число книг, сказати або почути кінцеве число слів, її життя закінчиться через кінцеве число років і т. д. Тому дуже природним для людини є зберегти засво-єну нею інформацію, тобто записати її і зробити свої знання і досвід надбанням інших. Потреба передання знань, інформації — це природна необхідність для існування і розвитку суспільства.

Первісна людина для позначення кожного нового предмета приду-мувала нове ім’я, ніяк не пов’язане з іншими. Спочатку імен було біля десятка, потім їх кількість перевалила за сотню. Чим глибше людина піз-навала навколишній світ, тим більше імен йому було потрібно.

Але людина здатна вимовляти і розрізняти на слух не так вже й багато звуків-фонем. Щоб одержати необхідне розмаїття імен, люди почали ком-бінувати звуки один з одним, створюючи слова. Виникло усне мовлення.

Для збереження інформації треба було фіксувати звуки і слова у виді знаків. Так, на історичній сцені розвитку людини з’явилася писемність. Писемність реалізовувалася за допомогою кінцевих алфавітів, що скла-даються з деякого фіксованого набору знаків, з яких у свою чергу можна скласти як завгодно багато слів. Треба було нове ім’я — конструюй із символів наявного алфавіту. Існують багато різних алфавітів від досить простих кирилиця і латиниця, у яких кілька десятків знаків, до япон-ського і китайського, до складу яких входять тисячі ієрогліфів.

Таким чином, загальна ідея опису світу за допомогою мови полягає в тім, щоб виділити деяке число найпростіших знаків, що називають-ся алфавітом. Послідовності символів алфавіту, відповідно до правил граматики, утворять основні об’єкти мови — слова. Правила, згідно яким утворюють речення зі слів даної мови, називаються синтаксисом. Сама ж мова — це безліч слів і речень, записаних у даному алфавіті від-повідно до заданої граматики і синтаксису.

Мова є знаковою системою, що дозволяє створювати інформаційні моделі.

Природні мови використовуються насамперед для створення описових текстових інформаційних моделей. Наприклад, такий літературний жанр, як байка або притча, має безпосереднє відношення до поняття моделі, оскільки зміст цього жанру складається в перенесені реальних відносин

77

між людьми на відносини між тваринами, між вигаданими персонажами й ін. Більш того, будь-який літературний твір можна розглядатися як модель, оскільки він фіксує увагу читача на визначених сторонах людського життя.

В історії науки також відомі численні текстові моделі, наприклад, ге-ліоцентрична модель світу, що запропонував Коперник, формулювалася в такий спосіб:• не Сонце рухається навколо Землі, а, навпаки, Земля обертається на-вколо своєї осі і навколо Сонця;

• орбіти всіх небесних тіл проходять навколо Сонця.

9.3.2. Ôîðìàëüíî-ëîã³÷í³ ìîäåë³

Поряд із природними мовами (українська, російська, англійська і т. д.) були розроблені формальні мови: системи числення, алгебра ви-словлень, мови програмування й ін.

Основна відмінність формальних мов від природних полягає у наяв-ності не тільки жорстко зафіксованого алфавіту, але і строгих правил граматики і синтаксису.

Наприклад, системи числення — це мови, що мають алфавіт (цифри) і які дозволяють не тільки іменувати і записувати об’єкти (числа), але і ви-конувати над ними арифметичні операції по строго визначених правилах.

За допомогою формальних мов будуються інформаційні моделі ви-значеного типу — формально-логічні моделі. Наприклад, за допомогою алгебри висловлень можна побудувати логічні моделі сумматора і триге-ра (компонентів мікросхем).

Процес побудови інформаційних моделей за допомогою формальних мов називається формалізацією.

Однією з найбільш розповсюджених формальних мов є алгебраїчна мова формул у математиці, що дозволяє описувати функціональні залеж-ності між величинами. Моделі, побудовані з використанням математич-них понять і формул, називаються математичними моделями.

У шкільному курсі фізики розглядається багато різноманітних рів-нянь, що, по суті, являють собою математичні моделі досліджуваних явищ або процесів. Якщо необхідно вирішити фізичну задачу, то почи-нають, як правило, з пошуку необхідного рівняння, тобто з побудови математичної моделі, що відповідає умовам задачі.

Якщо розглянути перехід від описової текстової моделі до формальної, математичної більш докладно на прикладі розвитку геліоцентричної моде-

78

лі світу, то можна відмітити, що потреби розвитку торгівлі і мореплавання потребували точного знання про розташування зірок і планет на небозводі, але з описової моделі світу Коперника одержати такі дані було неможливо.

Німецький астроном і математик Іоганн Кеплер формалізував геліоцен-тричну модель світу Коперника. Він сформулював три закони (закони Ке-плера докладно вивчаються в курсі астрономії), що описували рух планет за допомогою геометричних об’єктів і математичних формул. З цих законів можна було визначити координати планет для будь-якого моменту часу.

Закони Кеплера дозволяли досить точно обчислювати розташування планет, але вони не пояснювали причину їх руху. Наступний крок на шля-ху розвитку геліоцентричної моделі світу зробив Ньютон. Він відкрив за-кон всесвітнього тяжіння і перейшов на більш глибокий рівень формаліза-ції моделі, пояснивши причину руху планет. Закони Кеплера виявляються в цьому випадку простим наслідком закону тяжіння Ньютона.

Таким чином, у процесі пізнання навколишнього світу людство по-стійне використовує моделювання і формалізацію. При вивченні нового об’єкта спочатку, як правило, будується його описова модель, потім вона формалізується, тобто виражається з використанням математичних фор-мул, геометричних об’єктів і т. д.

9.3.3. Ãðàô³÷í³ ³íôîðìàö³éí³ ìîäåë³

Графічні інформаційні моделі являють собою малюнки, карти, креслення і схеми, графіки, діаграми і т. д.Графічні моделі більш інформативні, ніж текстові моделі. Без малюнків, інформаційних моделей, які описують різних представників флори і фауни, важко собі уявити ботаніку і біологію (рис. 19).

Рис. 19

Фізика, радіо- і електротехніка використовують інформаційні схеми експериментальних устано-вок у формі електричних схем (рис. 20).

Рис. 20

. Географія, військова справа, судноплавство і т. д. немислимі без інформаційних моделей поверхні Землі у виді карт. Різні типи географічних карт (політичні, фізичні і т. д.) будують інформаційні моделі, що відбивають різні особливості земної поверхні, тобто один об’єкт відбивають кілька моделей (рис. 21).

Рис. 21

79

Графіки є інформаційними моделями, що у наочній формі представляють числові дані: у математиці це графіки функцій, в економіці відображення статистичних даних і т. д. (рис. 22).

Рис. 22

Сучасні технології не можуть обійтися без інформаційних моделей технічних пристроїв, будинків і т. д. у виді креслень. Навіть розміщення меблів у приміщенні доцільно починати з плану-вання її розміщення у формі креслення (рис. 23).

Рис. 23

.Діаграми також є інформаційними моделя-ми, що представляють числові дані. Діаграми різних типів застосовуються насамперед для відображення статистичних даних (рис. 24).

Рси.24

.

Протягом своєї історії людство використовувало різні способи й ін-струменти для створення інформаційних моделей. Ці способи постійно удосконалювалися, так перші графічні інформаційні моделі створюва-лися у формі наскальних малюнків, у даний час такі моделі звичайно будуються з використанням сучасних комп’ютерних технологій.

9.4. Êëàñèô³êàö³ÿ ³íôîðìàö³éíèõ ìîäåëåé

9.4.1. Òàáëè÷í³ ³íôîðìàö³éí³ ìîäåë³Типом інформаційних моделей, що найбільш часто зустрічається, є

таблиця, яка складається з рядків і стовпців. У табличній інформаційній моделі елементи інформації розміщаються в окремих чарунках.

Таблиця 1. Ціна окремих пристроїв комп’ютера

Найменування пристрою Ціна (в у. о.)Системна плата 100Процесор Pentium IІI (1000 Мгц) 200Пам’ять 124 Мб 30Жорсткий диск 40 Гб 150Дисковод 3,5» 20Відеоплата 32 Мб 30Монітор 17» 200Звукова карта 32 біт 30Дисковод DVD/CD-RW-ROM x54 50Корпус 25Клавіатура 10Миша 5

80

За допомогою таблиць можуть бути виражені як статичні, так і дина-мічні інформаційні моделі. Наприклад, розглянемо комп’ютер з погляду вартості його окремих пристроїв і зміни його ціни в часі. Для цього по-будуємо статичну інформаційну модель, що відбиває вартість окремих пристроїв комп’ютера, і динамічну інформаційну модель, що відбиває процес зміни ціни по роках.

Статична інформаційна модель (табл. 1) «Ціна окремих пристроїв комп’ютера» організована в такий спосіб. У першому стовпці таблиці міститься перелік об’єктів (пристроїв), що входять до складу комп’ютера, а в другому у формі числа відбита властивість об’єктів «Ціна».

Таблиця 2. Зміна ціни комп’ютера

Ціна комп’ютера Pentium IIІ

Роки

2002 2003 2004

1800 1200 800

Динамічна інформаційна модель (табл. 2) «Зміна ціни комп’ютера» містить у першому стовпці найменування властивості об’єкта «Ціна комп’ютера Pentium ІII», а в трьох інших стовпцях значення цієї власти-вості, що змінюється, по роках.

За допомогою таблиць будуються інформаційні моделі в різних пред-метних галузях. Широко відомо табличне представлення математичних функцій, статистичних даних, розкладів потягів і літаків, уроків і т. д.

У табличній інформаційній моделі об'єкти або їх властивості представлені у виді списку, а їх значення розміщаються в чарунках прямокутної таблиці.

У загальному випадку таблиця не дає представлення ні про які за-кономірності, однак бувають виключення. Великий російський хімік Д. И. Менделєєв, розташувавши для зручності хімічні елементи в табли-цю по зростанню атомних ваг, відкрив періодичний закон, що вплинув на розвиток хімії і фізики. Табличні інформаційні моделі найпростіше будувати і досліджувати на комп’ютері за допомогою електронних та-блиць і баз даних.

9.4.2. ²ºðàðõ³÷í³ ³íôîðìàö³éí³ ìîäåë³

Нас оточує безліч різних об’єктів, кожний з який має певні визначені властивості. Однак деякі групи об’єктів мають однакові спільні власти-вості, що відрізняє їх від об’єктів інших груп.

81

Наприклад, всі існуючі у світі комп’ютери використовуються для об-робки інформацією їх доцільно об’єднати в групу об’єктів «Комп’ютери», у той час як автомобілі призначені для переміщення в просторі, і їх по-єднують в іншу групу об’єктів — «Автомобілі».

Група об'єктів, що володіють однаковими загальними властивостями, на-зивається класом об'єктів.

Усередині класу об’єктів можуть бути виділені підкласи, об’єкти яких володіють деякими особливими властивостями у свою чергу під-класи можуть поділятися на ще більш дрібні групи і т. д. У процесі кла-сифікації будуються інформаційні моделі, що мають ієрархічну {дерево-подібну) структуру.

Розглянемо процес побудови інформаційної моделі, що дозволяє кла-сифікувати сучасні комп’ютери. Клас Комп’ютери можна розділити на три сімейства: Суперкомп’ютери, Робочі станції і Персональні комп’ютери.

Комп’ютери, що входять у сімейство Суперкомп’ютерів, відрізняються надвисокою продуктивністю і надійністю і використовуються у великих нау-ково-технічних центрах для керування процесами в реальному масштабі часу.

Комп’ютери, що входять у сімейство Робочі станції, мають високу продуктивність і надійністю і використовуються як сервери в локальних і телекомунікаційних мережах.

Комп’ютери, що входять у сімейство Персональні комп’ютери, ма-ють середню продуктивність і надійністю і використовуються в офісах та вдома для роботи з документами.

Сімейство Персональні комп’ютери поділяється, у свою чергу, на три роди: Настільні, Портативні і Кишенькові.

Зобразимо цю модель графічно (рис. 25).

Рис.25. Графічна ієрархічна модель

Суперкомп’ютери

Комп’ютери

Робочі станції

Настільні Портативні

Персональні комп’ютери

Leptop

82

Отримана інформаційна структура нагадує дерево, що росте зверху вниз (саме тому такі інформаційні моделі називають іноді деревоподіб-ними). У структурі чітко проглядаються три рівні, від першого, верх-нього, що має один елемент Комп’ютери, ми спускаємося до третього, нижнього, що має три елементи Настільні, Портативні, Кишенькові. Основне відношення між рівнями полягає в тому, що елементи нижньо-го рівня входять до складу одного з елементів верхнього рівня. В ієрархічній інформаційній моделі об'єкти або їх властивості роз-

поділені по рівнях, причому елементи нижнього рівня входять до складу елементів більш високого рівня.

Вище побудовано ієрархічну статичну інформаційну модель, однак досить часто ієрархічні структури застосовуються і для опису процесів. Так, для опису історичного процесу зміни поколінь родини використо-вуються динамічні інформаційні моделі у формі генеалогічного дерева. Як приклад можна розглянути фрагмент (X–XI століття) генеалогічного дерева династії Рюриковичей (рис. 26).

Рис.26. Фрагмент (X-XI століття) генеалогічного дерева династії Рюріковичів

Розглянуті вище інформаційні моделі зображені у виді графів. Вер-шини графа (овали) відображають елементи системи. Елементи верх-нього рівня знаходяться у відношенні «складатися з» до елементів більш низького рівня. Такий зв’язок між елементами відображається у фор-мі дуги (спрямованої лінії у формі стрілки). Графи, у яких зв’язки між об’єктами несиметричні, називаються орієнтованими.

83

Граф — це зручний спосіб наочного представлення структури інформа-ційних моделей.

Графи дозволяють формалізувати інформаційні моделі, записані при-родною мовою, вони дозволяють «побачити» структуру його об’єктів і відносин. Найпростіша мова складається з імен об’єктів і імен відно-син між цими об’єктами. Наприклад, фраза «Телефон під’єднано до ме-режі» говорить про те, що об’єкт «телефон» знаходиться у відношенні «під’єднаний до» з об’єктом «мережа». За допомогою графа цю фразу можна представити в такий спосіб:

Телефон Мережа

під’єднано до

Ієрархічні структури широко застосовуються для побудови класифі-каційних інформаційних моделей. У біології увесь тваринний світ роз-глядається як ієрархічна система (тип, клас, загін, сімейство, рід, вид), в інформатиці використовується ієрархічна файлова система і т. д.

9.4.3. Ìåðåæåâ³ ³íôîðìàö³éí³ ìîäåë³Мережеві інформаційні моделі застосовуються для відображення

таких систем, у яких зв’язок між елементами має складну структуру. Наприклад, різні частини глобальної комп’ютерної мережі Інтернет (американська, європейська, російська і т. д.) зв’язані між собою висо-кошвидкісними лініями зв’язку. При цьому якісь частини (американ-ська) мають прямі зв’язки з усіма регіональними частинами в той час як інші можуть обмінюватися інформацією між собою тільки через амери-канську частину (наприклад, російська і японська).

Рис.27. Карта світу з корпоративними зв’язками уявної фірми та обсягами прибутків від транспортних перевезень

84

Побудуємо граф, що відбиває систему Інтернет. Вершинами графа є регіональні мережі. Зв’язки між вершинами носять двосторонній харак-тер і тому зображуються ненаправленими лініями (ребрами), а сам граф тому називається неорієнтованим.

Представлена мережева інформаційна модель є статичною моделлю (рис. 27). За допомогою мережевої динамічної моделі можна описати процес передачі м’яча в колективній грі (футболі, баскетболі і т. д.).

9.5. Îá’ºêòíî-îð³ºíòîâíå ìîäåëþâàííÿ

9.5.1. Îá’ºêòè: âëàñòèâîñò³ é îïåðàö³¿

У процесі моделювання предметна галузь представляється у виді су-купності об’єктів. Процедура виділення об’єктів погано формалізується, однак інтуїтивно ясно, що у якості об’єктів повинні бути виділені пред-мети, що мають індивідуальність, тобто відрізняються від інших пред-метів. Наприклад, в області інформаційних технологій можна виділити два різних, але взаємозалежних об’єкта: людина і комп’ютер.

У кожен момент часу об'єкт знаходиться у визначеному стані, що харак-теризується набором властивостей і їх значень.

Одні властивості об’єкта зберігають свої значення, тобто є постійни-ми, інші ж властивості можуть змінювати свої значення, тобто є змінними.

Розглянемо об’єкт Комп’ютер. Комп’ютер можна охарактеризувати великою кількістю різних властивостей, але, у процесі моделювання ви-діляються головні істотні властивості. Будемо вважати, що для нас го-ловними є геометричні розміри комп’ютера, його місце розташування, стан включений/виключений і тип використовуваного процесора.

Властивість Геометричні розміри для кожного комп’ютера постійно (дійсно, якщо ми спробуємо змінити геометричні розміри комп’ютера, то він перетвориться зовсім в інший об’єкт — металобрухт).

Інші ж властивості комп’ютера можуть змінювати свої значення: комп’ютер може мати різне Місце розташування, бути Включений/ви-ключений, нарешті, може мінятися Тип процесора. Зміна властивостей об'єкта не відбувається саме по собі, для їх

зміни необхідно виконати визначені операції (дії).Зміні кожної властивості звичайно відповідає визначена операція.

Так, для зміни місця розташування комп’ютера потрібно виконати опе-рацію Перемістити, для включення комп’ютера — Уключити, а для зміни типу процесора — Замінити процесор.

85

Комп’ютер не може зробити дії сам над собою, для їх виконання потрібно інший об’єкт, якою в системі Людина-Комп’ютер є Людина. У кібернетику (науці про керування) Людина називається керуючим об’єктом, а Комп’ютер — керованим.

Процес керування є інформаційним процесом, інформаційну модель якого можна наочно представити у формі графа.

9.5.2. Îá’ºêòíî-îð³ºíòîâàíèé ï³äõ³ä â ³íôîðìàö³éíèõ òåõ-íîëîã³ÿõ

Об’єктно-орієнтований підхід, реалізований у середовищі Windows&-Offi ce (більшість сучасних персональних комп’ютерів використовують операційну систему Windows і пакет додатків Offi ce), а також в об’єктно-орієнтованих мовах програмування, дозволяє об’єднати статичну модель, що описує властивості об’єкта і динамічну модель, що описує їх зміни.

У рамках даного підходу об’єкт містить у собі, з одного боку, властивості і їх значення, що характеризують його стан у даний момент часу, а з іншого боку, операції над об’єктом, що приводять до зміни цих властивостей.

Об'єднання в об'єкті його властивостей і можливих над ним операцій називається інкапсуляцією.

При роботі на комп’ютері в програмному середовищі Windows&Offi ce ми зустрічаємося з великою кількістю різноманітних об’єктів: папки, до-кументи (файли), вікна і т. д. У кожному додатку існують свої специфічні набори об’єктів, у текстовому редакторі Word це фрагменти тексту, сим-воли і т. д., у графічному редакторі Paint — графічні примітиви (крапка, лінія, і т. д.), в електронних таблицях Excel — лист, діаграма і т. д.

Усі ці об’єкти інкапсулюють у собі властивості й операції. Розгля-немо, наприклад, об’єкт документ (файл) (табл. 3). Він інкапсулює ви-значені властивості (ім’я, положення у файловій системі, існує/не існує й ін.) і визначені операції по зміні цих властивостей (перейменування, переміщення або копіювання, вилучення).

Таблиця 3Файл: властивості й операції:

Властивості файлу Операції над файломІм’я ПерейменуванняМісце розташування Переміщення. КопіюванняІснує/не існує Видалення

86

Файлова система комп’ютера може містити сотні і тисячі файлів. Усі файли володіють тим самим набором властивостей і операцій і утворять клас об’єктів. Кожен окремий файл має конкретні значення властивостей (ім’я, місце розташування й ін.) і є екземпляром даного класу. Приклад зміни властивостей об’єкта Комп’ютер під впливом об’єкта Людина на-ведено в Таблиці 4.

Клас складається з об'єктів, які інкапсулюють однаковий перелік властиво-стей і операцій. Кожен екземпляр класу має власні значення властивостей.

Таблиця 4. Зміна властивостей об’єкта Комп’ютер під впливом об’єкта ЛюдинаКомп’ютер Людина

Властивість Значення властивості Операції (дії)

Геометричні розміри постійне немаєМісце розташування змінне ПереміститиВключений/виключений змінне Ввімкнути/вимкнутиТип процесора змінне Замінити процесор

У графічному редакторі одним із класів об’єктів є Крапка. У класі Крапка кожен об’єкт має визначені властивості (координати, колір), над якими можливі відповідні операції (Переміщення, Зміна кольору). На-приклад, екземпляр класу крапку чорного кольору в середині екрана (800*600 крапок) можна задати так:

Таблиця 5. НаслідуванняКлас об’єктів Властивості Операції

Крапка КоординатиКолір

ПереміщенняЗміна кольору

Коло Координати центра КолірРадіус

ПереміщенняЗміна кольоруЗміна радіуса

Т (400, 300, чорна)З класу Крапка можна одержати новий клас об’єктів Коло, додавши

нову властивість радіус і операцію Зміна радіуса. Окружність чорного кольору в середині екрана радіусом 100 можна задати так:

КОЛО (400,300, чорна, 100)Всі об’єкти класу Коло наслідують властивості й операції класу Крап-

ка (табл. 5). У цьому випадку клас Крапка називається клас-батько, а клас Коло — клас-нащадок.

87

Наслідування визначає відношення між класами: об’єкти клас-нащадок мають усі властивості й операціями об’єктів клас-батько.

Відношення наслідування між класами можна виразити за допомо-гою графа:

Крапка Коло наслідування

Для більшості класів об’єктів у середовищі Windows&Offi ce (папки, документи, символи й ін.) характерний набір тих самих операцій (пере-йменування, переміщення, копіювання, видалення і т. д.). Така однако-вість дуже зручна для користувача.

Однак очевидно, що механізми реалізації цих операцій неоднакові для різних класів. Наприклад, для копіювання папки необхідно зробити послідовність дій по зміні файлової системи, а для копіювання символу внести зміни в документ. Ці операції будуть виконуватися спеціальни-ми програмами, що наявні, відповідно, в операційній системі Windows і в текстовому редакторі Word.

Таким чином, реалізується поліморфізм, тобто можливість проведен-ня тих самих операцій з об’єктами, що належать різним класам, при збе-реженні індивідуальних методів їхньої реалізації.

Поліморфізм у перекладі з грецького означає «багато форм». Та сама операції з об'єктами різних класів може виконуватися різними методами.

Ï è ò à í í ÿ

1. У яких випадках використовується моделювання?2. Чи може об’єкт мати кілька моделей?3. Чи можуть різні об’єкти описуватися однієї і тією самою моделлю?4. Які бувають класи моделі?5. Що називається системою?6. У чому різниця між статичними і динамічними інформаційними

моделями?

88

7. У чому відмінності між усним мовленням і писемністю?8. Для чого необхідна мова?9. Які об’єкти входять до складу мови?10. Які ви знаєте формальні мови?11. Що таке формалізація?12. Які форми графічних інформаційних моделей ви знаєте?13. Які характерні риси табличних інформаційних моделей?14. Які основні характерні риси ієрархічних інформаційних моделей?15. Що таке граф?16. Які основні елементи графа?17. Які основні характерні риси мережних інформаційних моделей?18. Чим визначається стан об’єкта в будь-який момент часу?19. Як можна змінити стан системи?20. У чому полягає суть інкапсуляції?21. Чим характеризується клас об’єктів?22. У чому полягає принцип наслідування?23. Що таке поліморфізм?

Ç à â ä à í í ÿ

1. Наведіть приклад об’єкта, який має кілька моделей.2. Наведіть приклад об’єктів, які можуть описатися однією моделлю.3. Наведіть приклади матеріальних і інформаційних моделей.4. Наведіть приклади статичних інформаційних моделей.5. Наведіть приклади динамічних інформаційних моделей.6. Наведіть приклади описових текстових моделей?7. Наведіть приклади математичних моделей.8. Побудуйте математичну модель руху тіла, кинутого вертикально вгору.9. Побудуйте графічну інформаційну модель розміщення меблів у ва-

шій кімнаті.10. Наведіть приклади табличних інформаційних моделей.11. Наведіть приклади ієрархічних інформаційних моделей?12. Побудуйте ієрархічну модель файлової системи вашого комп’ютера.13. Побудуйте генеалогічне дерево вашої родини.14. Наведіть приклади мережних інформаційних моделей.

89

15. Побудуйте мережну інформаційну модель локальної мережі шкільного комп’ютерного класу.

16. Наведіть приклади інформаційних моделей керуючих систем.17. Наведіть приклади інкапсуляції для об’єктів у середовищі Windows &-

Offi ce.18. Наведіть приклади об’єктів різних та однакових класів.19. Наведіть приклади принципу наслідування.20. Наведіть приклади поліморфізму.21. Побудуйте клас-спадкоємець Зафарбоване коло з класу-батька Коло.

Формат 60 84 1/16. Друк цифровий.Папір офсетний 80 г/м2. Наклад 500 прим.

Видавництво: ТОВ «Праймдрук»01023, м. Київ, вул. Еспланадна, 20, офіс 213

Свідоцтво про внесеннядо Державного реєстру суб’єктів видавничої справи

серія ДК № 4222 від 07.12.2011.