Эта статья выставлена на рецензию

Информатика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Информа́тика (от информация и автоматика) — наука о методах и процессах сбора, хранения, обработки, передачи, анализа и оценки информации, обеспечивающих возможность её использования для принятия решений[1]. Также, под информатикой понимают научно-практический подход к вычислению и его применениям, базирующийся на систематическом изучении целесообразности, структуры, выражения и механизации методических процедур (или алгоритмов), которые лежат в основе приобретения, представления, обработки, хранения, передачи и доступа к информации, будь то информация, кодируемая в виде битов в памяти компьютера или записанная в генах и белковых структурах в биологической клетке[2]. Она включает дисциплины, относящиеся к обработке информации в вычислительных машинах и вычислительных сетях: как абстрактные, вроде анализа алгоритмов, так и конкретные, например разработка языков программирования и протоколов передачи данных.

Темами исследований в информатике являются вопросы: что можно, а что нельзя реализовать в программах и базах данных (теория вычислимости и искусственный интеллект), каким образом можно решать специфические вычислительные и информационные задачи с максимальной эффективностью (теория сложности вычислений), в каком виде следует хранить и восстанавливать информацию специфического вида (структуры и базы данных), как программы и люди должны взаимодействовать друг с другом (пользовательский интерфейс и языки программирования и представление знаний) и т. п.

large capital lambda Plot of a quicksort algorithm
Utah teapot representing computer graphics Microsoft Tastenmaus mouse representing human-computer interaction
Информатика занимается теоретическими основами информации и вычислений, а также практическими методами для реализации и применения этих основ.

Содержание

Введение[править | править вики-текст]

Информатика — молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Информатика тесно связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют создавать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится необходимым и единственно возможным.

До настоящего времени толкование термина «информатика» (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) ещё не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.

Понятие информатики является таким же трудным для какого-либо общего определения, как, например, понятие математики. Это и наука, и область прикладных исследований, и область междисциплинарных исследований, и учебная дисциплинашколе и в вузе).

Несмотря на то, что информатика как наука появилась относительно недавно (см. ниже), её происхождение следует связывать с работами Лейбница по построению первой вычислительной машины и разработке универсального (философского) исчисления.

Этимология и значение слова[править | править вики-текст]

Термин «информатика» появился в 1959 году в научном журнале Communications of the ACM[3], в котором Луи Фейн (Louis Fein) ратовал за создание Высшей школы в области информатики аналогичной Гарвардской бизнес-школе, созданной в 1921 году[4]. Обосновывая такое название школы, Луи Фейн ссылался на науку управления, которая так же как и информатика имеет прикладной и междисциплинарный характер, при этом имеет признаки, характерные для научной дисциплины. Усилия Луи Фейна, численного аналитика Джордж Форсайта и других увенчались успехом: университеты пошли на создание программ, связанных с информатикой, начиная с Университета Пердью в 1962[5].

Несмотря на своё название (от англ. Computer Science — компьютерная наука), большая часть научных направлений, связанных с информатикой не включает изучение самих компьютеров. Вследствие этого были предложены несколько альтернативных названий[6]. Некоторые факультеты крупных университетов предпочитают термин вычислительная наука (computing science), чтобы подчеркнуть разницу между терминами. Датский учёный Питер Наур предложил термин даталогия (datalogy)[7], чтобы отразить тот факт, что научная дисциплина оперирует данными и занимается обработкой данных, хотя и не обязательно с применением компьютеров. Первым научным учреждением, включившим в название этот термин, был Департамент Даталогии (Datalogy) в Университете Копенгагена, основанного в 1969 году, где работал Питер Наур, ставший первым профессором в даталогии (datalogy). Этот термин используется в основном в скандинавских странах. В Европе же часто используются термины, производные от сокращённого перевода фраз «автоматическая информация» (automatic information) (к примеру informazione automatica по-итальянски) и «информатика и математика» (information and mathematics), например, informatique (Франция), Informatik (Германия), informatica (Италия, Нидерланды), informática (Испания, Португалия), informatika (в славянских языках) или pliroforiki (πληροφορική, что означает информатика) — в Греции. Подобные слова также были приняты в Великобритании, например, Школа информатики в Университете Эдинбурга[8].

В русском, английском, французском и немецком языках в 1960-х годах была тенденция к замене термина «документация» терминами, имеющими в своей основе слово «информация»[9]. Термин нем. Informatik ввёл немецкий специалист Карл Штейнбух в статье Informatik: Automatische Informationsverarbeitung (Информатика: Автоматическая обработка информации) 1957 года[10]. Французский термин «informatique» введён в 1962 году Филиппом Дрейфусом, который также предложил перевод на ряд других европейских языков.

В русском языке производной от термина «документация» стала документалистика и получили распространение термины научная и научно-техническая информация. Термины «информология» и «информатика» предложены в 1962 году членом-корреспондентом АН СССР Александром Харкевичем. Основы информатики как науки были изложены в книге «Основы научной информации» 1965 года, которая была переиздана в 1968 году уже под названием «Основы информатики»[11].

Во Франции термин официально вошёл в употребление в 1966 году:

Термин «Informatique», созданный во Франции и постепенно принятый в международном масштабе, был признан Французской Академией в качестве нового слова нашего языка в апреле 1966 г.[12]

В немецком языке термин нем. Informatik имел вначале двойственное значение. Так, в ФРГ[9] и Великобритании[1] он был в значении «computer science», то есть означал всё, что связано с применением ЭВМ, а в ГДР, как и в основном по Европе, обозначал науку по французской и русской модели.

Эквиваленты в английском языке[править | править вики-текст]

Считается, что под терминами «informatics» в европейских странах и «информатика» в русском языке понимается направление, именуемое в английском языке «computer science». К другому направлению, посвящённому изучению структуры и общих свойств объективной (научной) информации, иногда называемому документалистикой (документальной информатикой) или автоматическим анализом документов[1], близок термин «information science».

Принято считать, что в английский язык термин «informatics» независимо от остальных ввёл Уолтер Ф. Бауэр, основатель «Informatics Inc.». В США в настоящее время термин «informatics»  (англ.) связан с прикладными вычислениями или обработкой данных в контексте другой области[13], например в биоинформатике («bioinformatics») и геоинформатике («geoinformatics»).

Во многих словарях informatics и computer science приравниваются к информатике. В тезаурусе ЮНЕСКО «Информатика — Informatics» даётся как синоним к переводу «Computer science — Компьютерные науки»[14].

Полисемия[править | править вики-текст]

Ряд учёных (специалистов в области информатики) утверждал, что в информатике существуют три отдельные парадигмы. Питер Вегнер[en] утверждал, что эти три парадигмы — наука, технологии и математика[15]. Рабочая группа Питера Деннинга[en] утверждала, что это теория, абстракция (моделирование) и дизайн[16]. Амнон Х. Еден описывал эти парадигмы как «рационалистическую парадигму» (где информатика — это раздел математики, математика доминирует в теоретической информатике и в основном использует логический вывод), «технократическую парадигму» (используемую в инженерных подходах, наиболее важных в программной инженерии) и «научную парадигму» (где информатика — это ветвь естественных (эмпирических) наук, но информатика отличается тем, что в ней эксперименты проводятся над искусственными объектами (программами и компьютерами)[17].

Полисемия в русском языке[править | править вики-текст]

В работе Ю. Ю. Черного[18] прослеживается появление термина «информатика» и его смысловое наполнение в разные периоды развития отечественной информатики. Информатика — это:[18]

  1. Теория научно-информационной деятельности. В рамках библиотечного дела под термином «научно-информационная деятельность» понимается «практическая работа по сбору, аналитико-синтетической переработке, хранению, поиску и предоставлению учёным и специалистам закрепленной в документах научной информации»[19]. В 1952 г. в Москве был создан Институт научной информации Академии наук (переименованный позднее в ВИНИТИ). Цели его создания были более широкими, чем выполнение «научно-информационной деятельности» и А. А. Харкевич (директор Института проблем передачи информации АН СССР) предложил в письме А. И. Михайлову (директору ВИНИТИ) новое название: "«информология» или «информатика» («информация» плюс «автоматика)» [20]. Третье издание «Большой советской энциклопедии» (1970-е гг.) фиксирует значение информатики как дисциплины, изучающей «структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности»[20].
  2. Наука о вычислительных машинах и их применении (вычислительная техника и программирование). В 1976 г. профессорá Мюнхенского технического университета Ф. Л. Бауэр и Г. Гооз написали книгу «Информатика. Вводный курс», переведённую в том же году известным советским учёным Андреем Петровичем Ершовым на русский язык. Ершов перевёл «Informatik» словом «информатика» и определил как «науку, занимающуюся разработкой теории программирования и применения ЭВМ»[20]. Термин «Informatik» Ф. Л. Бауэр и Г. Гооз объясняют как «немецкое название для computer science — области знания, которая сложилась в самостоятельную научную дисциплину в шестидесятые годы, прежде всего в США, а также в Великобритании. … В английском языке, по-видимому, останется „computer science“ (вычислительная наука), причем этот термин имеет уклон в область теории»[21].
  3. Фундаментальная наука об информационных процессах в природе, обществе и технических системах. В начале 1990-х гг. К. К. Колин (заместитель директора Института проблем информатики АН СССР) синтезировал толкования информатики, данные академиками А. П. Ершовым и Б. Н. Наумовым, а также проф. Ю. И. Шемакиным следующим образом: информатика — это наука «о свойствах, законах, методах и средствах формирования, преобразования и распространения информации в природе и обществе, в том числе при помощи технических систем». Предметная область информатики, по Колину, включает такие разделы: (1) теоретическая информатика; (2) техническая информатика; (3) социальная информатика, (4) биологическая информатика и (5) физическая информатика[22].

Ю. Ю. Черный отмечает одновременное существование всех трёх значений у слова «информатика», что затрудняет и мешает развитию данного научного направления[18].

История[править | править вики-текст]

Чарльзу Бэббиджу приписывают изобретение первого механического компьютера.
Аде Лавлейс приписывают написание первого алгоритма, предназначенного для обработки на компьютере.

Самые ранние основы того, что в последствии станет информатикой предшествуют изобретению современного цифрового компьютера. Машины для расчёта нескольких арифметических задач, такие как счёты, существовали с древности, помогая в таких вычислениях как умножение и деление.

Блез Паскаль спроектировал и собрал первый рабочий механический калькулятор, калькулятор Паскаля, в 1642[23].

В 1673 Готфрид Лейбниц продемонстрировал цифровой механический калькулятор, названный «Stepped Reckoner»[24]. Его можно считать первым учёным в области компьютерных наук и специалистом в области теории информации, поскольку среди прочего, он ещё описал двоичную (бинарную) систему чисел.

В 1820 году Томас де Кольмар[en] запустил промышленный выпуск механического калькулятора после того, как он создал свой упрощённый арифмометр, который был первой счётной машиной достаточно прочной и надёжной для ежедневного использования служащими. Чарльз Бэббидж начал проектирование первого автоматического механического калькулятора, его разностной машины, в 1822, что в конечном счёте подало ему идею первого программируемого механического калькулятора, его аналитической машины[en] [25].

Он начал работу над этой машиной в 1834 году и менее чем за два года были сформулированы многие из основных черт современного компьютера. Важнейшим шагом стало принятие перфокарт, произведенных на Жаккардовском ткацком станке [26], что открывает бесконечные просторы для программирования [27]. В 1843 году, во время перевода французской статьи на аналитической машине, Ада Лавлейс написала в одной из её многочисленных записок алгоритм для вычисления чисел Бернулли, который считается первой компьютерной программой [28].

Около 1885 года, Герман Холлерит изобрёл табулятор, который использовал перфокарты для обработки статистической информации; в конечном итоге его компания стала частью IBM. В 1937 году, спустя сто лет после несбыточной мечты Бэббиджа, Говард Эйкен, убедил руководство IBM, производившей все виды оборудования для перфорированных карт[29] и вовлечённой в бизнес по созданию калькуляторов разработать свой гигантский программируемый калькулятор, ASCC/Harvard Mark I[en], основанный на аналитической машине Бэббиджа, которая, в свою очередь, использовала перфокарты и центральный вычислитель (central computing unit) Когда машина была закончена, некоторые называли её «мечта Бэббиджа сбывается»[30].

В 1940-х, с появлением новых и более мощных вычислительных машин термин компьютер стал обозначать эти машины, а не людей, занимающихся вычислениями (теперь слово «computer» в этом значении употребялется редко)[31]. Когда стало ясно, что компьютеры можно использовать не только для математических расчётов, область исследований информатики расширилась с тем, чтобы изучать вычисления в целом. Информатика получила статус самостоятельной научной дисциплины в 1950-х и начале 1960-х годов[32] [33]. Первая в мире степень по информатике, Диплом Кэмбриджа по информатике, была присвоена в компьютерной лаборатории Кембриджского университета в 1953 году. Первая подобная учебная программа в США появилась в Университете Пердью в 1962 году[34]. С распространением компьютеров возникло много новых самодостаточных научных направлений, основанных на вычислениях с помощью компьютеров.

Мало кто изначально мог предположить, что сами компьютеры станут предметом научных исследований, но в конце 1950-х годов это мнение распространилось среди большинства учёных [35]. Ныне известный бренд IBM в то время был одним из участников революции в информатике. IBM (сокращение от International Business Machines) выпустила компьютеры IBM 704[36] и позже IBM 709[37], которые уже широко использовались, в то время как такие устройства ещё только исследовались. «Тем не менее, работа с IBM (компьютером) была полна разочарований… если ты допускаешь ошибку в одной букве в одной инструкции, программа терпит крах и тебе приходится начинать весь процесс заново» [35]. В конце 1950-х годов информатика как дисциплина ещё только становилась, и такие проблемы были обычным явлением.

Со временем был достигнут значительный прогресс в удобстве использования и эффективности вычислительной техники. В современном обществе наблюдается явный переход среди пользователей компьютерной техники: от её использования только экспертами и специалистами к использованию всем и каждым. Изначально компьютеры были весьма дорогостоящими и чтобы их эффективно использовать нужна была помощь специалистов. Когда компьютеры стали более распространёнными и доступными, тогда для решения обычных задач стало требоваться меньше помощи специалистов.

Отечественная история информатики[править | править вики-текст]

В школах СССР учебная дисциплина «Информатика» появилась в 1985 году одновременно с первым учебником А. П. Ершова «Основы информатики и вычислительной техники»[38].

4 декабря отмечается День российской информатики, так как в этот день в 1948 году Государственный комитет Совета министров СССР по внедрению передовой техники в народное хозяйство зарегистрировал за номером 10 475 изобретение И. С. Брука и Б. И. Рамеева — цифровую электронную вычислительную машину[39].

Основные достижения[править | править вики-текст]

Немецкие военные использовали шифровальную машину «Энигма» (как на изображении) во время Второй Мировой войны для обмена секретными сообщениями. Масштабные расшифровки трафика Энигмы в Блетчли-Парк были важным фактором, который внёс вклад в победу Союза во Второй Мировой войне[40].

Несмотря на короткую историю в качестве официальной научной дисциплины, информатика внесла фундаментальный вклад в науку и общество. По сути, информатика, наряду с электроникой, является одной из основополагающих наук текущей эпохи человеческой истории, называемой информационной эпохой. При этом информатика является предводителем информационной революции и третьим крупным шагом в развитии технологий, после промышленной революции (1750—1850 н. э.) и неолитической революции (8000-5000 до н. э.).

Вклад информатики:

  • Начало «цифровой революции», включающей информационную эпоху и интернет.
  • Дано формальное определение вычислений и вычислимости, и доказательство того, что существуют алгоритмически неразрешимые задачи[41].
  • Введено понятие языка программирования, то есть средства для точного выражения методологической информации на различных уровнях абстракции[42].
  • В криптографии расшифровка кода «Энигмы» стала важным фактором победы союзных войск во Второй мировой войне[43].
  • Вычислительные методы обеспечили возможность практической оценки процессов и ситуаций большой сложности, а также возможность проведения экспериментов исключительно за счет программного обеспечения. Появилась возможность углубленного изучения разума и картирования генома человека, благодаря проекту «Геном человека». Проекты распределенных вычислений, такие как Folding@Home, исследуют сворачивание молекул белка.
  • Алгоритмическая торговля повысила эффективность и ликвидность финансовых рынков с помощью искусственного интеллекта, машинного обучения и других статистических и численных методов на больших диапазонах данных [44]. Частое использование алгоритмической торговли может усугубить волатильность[45].
  • Компьютерная графика и CGI повсеместно используются в современных развлечениях, особенно в области телевидения, кино, рекламы, анимации и видео-игр. Даже фильмы, в которых нет (явного) использования CGI, как правило, сняты на цифровые камеры и впоследствии обработаны или отредактированы в программах обработки видео.
  • Моделирование различных процессов, например в гидродинамике, физике, электрике, электронных системах и цепях, а также для моделирования общества и социальных ситуаций (в частности, военных игр), учитывая среду обитания и др. Современные компьютеры позволяют оптимизировать, например, такие конструкции, как проект целого самолета. Известным программным обеспечением является симулятор электронных схем SPICE, а также программное обеспечение для физической реализации новых (или модифицированных) конструкций, включающее разработку интегральных схем.
  • Искусственный интеллект приобретает все большее значение, одновременно с этим становясь более сложным и эффективным. Существует множество применений искусственного интеллекта (ИИ), например роботы-пылесосы, которые можно использовать дома. ИИ также присутствует в видеоиграх, роботах огневой поддержки и противоракетных системах.

Структура информатики[править | править вики-текст]

Информатика делится на ряд разделов. Как дисциплина, информатика охватывает широкий круг тем от теоретических исследований алгоритмов и пределов вычислений до практической реализации вычислительных систем в области аппаратного и программного обеспечения[46][47]. Комитет CSAB[en], ранее называемый Советом по Аккредитации Вычислительных Наук, включающий представителей Ассоциации вычислительной техники (ACM) и Компьютерного общества IEEE[en](IEEE-CS)[48] — определил четыре области, важнейшие для дисциплины информатика: теория вычислений, алгоритмы и структуры данных, методология программирования и языков, компьютерные элементы и архитектура. В дополнение к этим четырём направлениям, комитет CSAB определяет следующие важные области информатики: разработка программного обеспечения, искусственный интеллект, компьютерные сети и телекоммуникации, системы управления базами данных, параллельные вычисления, распределённые вычисления, взаимодействия между человеком и компьютером, компьютерная графика, операционные системы, числовые и символьные вычисления[46].

Теоретическая информатика[править | править вики-текст]

Огромное поле исследрваний теоретической информатики включает как классическу теорию алгоритмов, так и широкий спектр тем, связанных с более абстрактными логмческими и математическими аспектами вычислений. Теоретическая информатика занимается теориями формальных языков, автоматов, алгоритмов, вычислимости и вычислительной сложности, а также вычислительной теорией графов, криптологией, логикой (включая логику высказываний и логику предикатов), формальной семантикой и закладывает теоретические основы для разработки компиляторов языков программирования.

Теория алгоритмов[править | править вики-текст]

По словам Питера Деннинга[en], к фундаментальным вопросам информатики относится следующий вопрос: «Что может быть эффективно автоматизировано?»[32] Изучение теории алгоритмов сфокусировано на поиске ответов на фундаментальные вопросы о том, что можно вычислить и какое количество ресурсов необходимо для этих вычислений. В попытке ответить на первый вопрос, в теории вычислимости рассматриваются вычислительные задачи, решаемые на различных теоретических моделях вычислений. Второй вопрос посвящён теории вычислительной сложности; в этой теории анализируются затраты времени и памяти различных алгоритмов при решении множества вычислительных задач.

Знаменитая задача «P=NP?», одна из Задач тысячелетия[49], является нерешённой задачей в теории алгоритмов.

DFAexample.svg Wang tiles.png P = NP ? GNITIRW-TERCES Blochsphere.svg
Теория автоматов Теория вычислимости Вычислительная сложность Криптография Квантовая теория вычислений

Информация и теория кодирования[править | править вики-текст]

Теория информации связана с количественной оценкой информации. Это направление получило развитие благодаря трудам Клода Э. Шеннона, который нашёл фундаментальные ограничения на обработку сигнала[en] в таких операциях, как сжатие данных, надёжное сохранение и передача данных[50]. Теория кодирования изучает свойства кодов (системы для преобразования информации из одной формы в другую) и их пригодность для конкретнй задачи. Коды используются для сжатия данных, в криптографии, для обнаружения и коррекции ошибок, а в последнее время также и для сетевого кодирования. Коды изучаются с целью разработки эффективных и надежных методов передачи данных.

Алгоритмы и структуры данных[править | править вики-текст]

Алгоритмы и структуры данных изучают наиболее часто используемые вычислительные методы и их вычислительную эффективность.

O(n^2) Sorting quicksort anim.gif Singly linked list.png TSP Deutschland 3.png SimplexRangeSearching.png
Анализ алгоритмов Алгоритмы Структуры данных Комбинаторная оптимизация Вычислительная геометрия

Формальные методы[править | править вики-текст]

Формальные методы - это своего рода математический подход, предназначенный для спецификации, разработки и верификации программных и аппаратных систем. Использование формальных методов для разработки программного и аппаратного обеспечения мотивировано расчётом на то, что, как и в других инженерных дисциплинах, надлежащий математический анализ обеспечит надёжность и устойчивость проекта. Формальные методы составляют важную теоретическую основу для разработки программного обеспечения, особенно в случаях, когда дело касается надёжности или безопасности. Формальные методы являются полезным дополнением к тестированию программного обеспечения, так как они помогают избежать ошибок, а также дают базис для тестирования. Для их широкого использования требуется разработка специального инструментария. Однако высокая стоимость использования формальных методов указывает на то, что они, как правило, используются только при разработке высокоинтегрированных и жизненно-важных систем[en], где надёжность и безопасность имеют первостепенное значение. Формальные методы имеют довольно широкое применение: от теоретических основ информатики (в частности, логики вычислений, формальных языков, теории автоматов, программ и семантики) до систем типов и проблем алгебраических типов данных в задачах спецификации и верификации программного и аппаратного обеспечения.

Прикладная информатика[править | править вики-текст]

Прикладная информатика направлена на выявление определённых понятий в области информатики, которые могут быть использованы для решения стандартных задач, таких, как хранение и управление информацией с помощью структур данных, построение алгоритмов, модели решения общих или сложных задач. Например, алгоритм сортировки и быстрое преобразования Фурье.

Помимо этого, прикладная информатика объединяет конкретные примеры применения информатики в тех или иных областях жизни, науки или производства, например, в бизнес-информатике, геоинформатике, компьютерной лингвистике, биоинформатике, хемоинформатике и т. д.

Одной из центральных тем прикладной информатики является инженерия программного обеспечения (англ. Software Engineering). Речь идет о систематическом процессе разработок от идеи до создания готового программного обеспечения. Прикладная информатика предоставляет также необходимые инструменты для разработки программного обеспечения, например, компиляторы.

Искусственный интеллект[править | править вики-текст]

Это область информатики, неразрывно связанная с такими целеполагающими процессами, как решение задач, принятие решений, адаптация к окружающим условиям, обучение и коммуникация, присущие людям и животным. Возникновение искусственного интеллекта (ИИ) связано с кибернетикой и ведёт свой отсчёт с Дартмутской Конференции (1956). Исследования в области искусственного интеллекта (AI) с необходимостью были междисциплинарными, и основывались на таких науках, как: прикладная математика, математическая логика, семиотика, электротехника, философия сознания, нейрофизиология и социальный интеллект[en]. У обывателей искусственный интеллект ассоциируется в первую очередь с робототехникой, но кроме этого ИИ является неотъемлемой частью разработки программного обеспечения в самых разных областях. Отправной точкой в конце 1940-х годов стал вопрос Алана Тьюринга: «Могут ли компьютеры думать?», и этот вопрос остаётся фактически без ответа, хотя «тест Тьюринга» до сих пор используется для оценки результатов работы компьютера в масштабах человеческого интеллекта.

Nicolas P. Rougier's rendering of the human brain.png Human eye, rendered from Eye.png Corner.png KnnClassification.svg
Машинное обучение Компьютерное зрение Обработка изображений Теория распознавания образов
User-FastFission-brain.gif Julia iteration data.png Sky.png Earth.png
Когнитивистика Интеллектуальный анализ данных Эволюционное моделирование Информационный поиск
Neuron.svg English.png HONDA ASIMO.jpg MeningiomaMRISegmentation.png
Представление знаний Обработка естественного языка Робототехника Компьютерный анализ медицинских изображений[en]

Архитектура компьютера и компьютерная инженерия[править | править вики-текст]

Архитектура компьютера, или организация цифрового компьютера, является концептуальной структурой компьютерной системы. Она сосредоточена в основном на способе, при котором центральный процессор выполняет внутренние операции и обращается к адресам в памяти[51]. Она часто включает в себя дисциплины вычислительной техники и электротехники, выбор и соединение аппаратных компонентов для создания компьютеров, которые удовлетворяют функциональным, производительным и финансовым целям.

NOR ANSI.svg Fivestagespipeline.png SIMD.svg
Булева алгебра Микроархитектура Многопроцессорность
Operating system placement.svg Network Library LAN.svg Emp Tables (Database).PNG Padlock.svg
Операционная система Компьютерная сеть База данных Информационная безопасность
Roomba original.jpg Flowchart.png Ideal compiler.png Python add5 syntax.svg
Повсеместные вычисления[en] Архитектура системы Конструкция компилятора[en] Язык программирования

Анализ производительности компьютера[править | править вики-текст]

Анализ производительности компьютера — это изучение работы, протекающей в компьютерах, в общих целях повышения пропускной способности[en], управления временем отклика, эффективного использования ресурсов, устранения узких мест и прогнозирования производительности при предполагаемых пиковых нагрузках[52].

Компьютерная графика и визуализация[править | править вики-текст]

Компьютерная графика представляет собой изучение цифрового визуального содержания и включает в себя синтез и манипуляцию данными изображения. Это учение связано со многими другими областями информатики, в том числе с компьютерным зрением, обработкой изображений и вычислительной геометрией, также оно активно применяется в области спецэффектов и видео-игр.

Компьютерная безопасность и криптография[править | править вики-текст]

Компьютерная безопасность — это область компьютерных технологий, в чьи задачи входит защита информации от несанкционированного доступа, разрушения или модификации при сохранении доступности и удобства использования системы для предполагаемых пользователей. Криптография же является наукой о шифровании и дешифровании информации. Современная криптография в значительной степени связана с информатикой, поскольку многие алгоритмы шифрования и дешифрования основаны на их вычислительной сложности.

Компьютерное моделирование[править | править вики-текст]

Компьютерное моделирование (или вычислительные методы) является областью исследования проблем построения математических моделей, методов количественного анализа, использования компьютеров для анализа и решения научных проблем. На практике, это, как правило, применение компьютерного моделирования и других форм вычислений к проблемам в различных научных дисциплинах.

Lorenz attractor yb.svg Quark wiki.jpg Naphthalene-3D-balls.png 1u04-argonaute.png
Вычислительная математика Вычислительная физика Вычислительная химия Биоинформатика

Компьютерные сети[править | править вики-текст]

Эта отрасль информатики нацелена на управление сетями между компьютерами по всему миру.

Параллельные и распределённые системы[править | править вики-текст]

Параллелизм — это свойство систем, при котором несколько вычислений выполняются одновременно, и при этом, возможно, взаимодействуют друг с другом. Был разработан ряд математических моделей для общего вида параллельных вычислений, в том числе сети Петри, процессы исчисления и модель Parallel Random Access Machine[en] (машины с параллельным произвольным доступом). Распределённая система расширяет идею параллелизма на несколько компьютеров, подключенных через сеть. Компьютеры в пределах одной распределённой системы имеют свою собственную память и часто обмениваются информацией между собой для достижения общей цели.

Базы данных[править | править вики-текст]

База данных предназначена для упрощения организации, хранения и извлечения больших объёмов данных. Управление цифровыми базами данных происходит с помощью системы управления базами данных (СУБД) для хранения, создания, поддержки и поиска данных посредством моделей баз данных и языков запросов.

Информатика в здравоохранении[править | править вики-текст]

Информатика здравоохранения[en] рассматривает вычислительные методы для решения задач в сфере здравоохранения.

Научная информатика[править | править вики-текст]

Earth.png Neuron.png English.png Wacom graphics tablet and pen.png
Информационный поиск Представление знаний Обработка естественного языка Человеко-компьютерное взаимодействие

Программная инженерия[править | править вики-текст]

Программная инженерия изучает разработку, внедрение и модификацию программного обеспечения в целях гарантии его высокого качества, доступности, простоты в обслуживании. Это систематический подход к проектированию программного обеспечения, предусматривающий применение инженерных практик в области программного обеспечения. Программная инженерия рассматривает организацию и анализ программного обеспечения — она не просто занимаемся созданием или производством нового программного обеспечения, но и его внутренним содержанием и организацией. По прогнозам, разработчики компьютерных приложений и разработчики программного обеспечения компьютерных систем будут одними из наиболее динамично растущих профессий с 2008 по 2018 год.

Техническая информатика[править | править вики-текст]

Техническая информатика занимается аппаратной частью вычислительной техники, например основами микропроцессорной техники, компьютерных архитектур и распределенных систем. Таким образом, она обеспечивает связь с электротехникой. Компьютерная архитектура — это наука, исследующая концепции построения компьютеров. Здесь определяется и оптимизируется взаимодействие микропроцессора, памяти и периферийных контроллеров.

Ещё одним важным направлением является связь между машинами. Она обеспечивает электронный обмен данными между компьютерами и, следовательно, представляет собой техническую базу для Интернета. Помимо разработки маршрутизаторов, коммутаторов и межсетевых экранов, к этой дисциплине относятся разработка и стандартизация сетевых протоколов, таких как TCP, HTTP или SOAP, для обмена данными между машинами.

Естественная информатика[править | править вики-текст]

Естественная информатика — это естественнонаучное направление, изучающее процессы обработки информации в природе, мозге и человеческом обществе. Она опирается на такие классические научные направления, как теории эволюции, морфогенеза и биологии развития, системные исследования, исследования мозга, ДНК, иммунной системы и клеточных мембран, теория менеджмента и группового поведения, история и другие[53][54]. Кибернетика, определяемая, как «наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество»[55] представляет собой близкое, но несколько иное научное направление. Так же, как математика и основная часть современной информатики, оно вряд ли может быть отнесено к области естественных наук, так как резко отличается от них своей методологией, (несмотря на широчайшее применение в современных естественных науках математического и компьютерного моделирования).

Великие идеи информатики[править | править вики-текст]

Философ Билл Рапапорт отметил три великие идеи информатики[56]

Вся информация о любой вычислимой проблеме может быть представлена с использованием только 0 и 1 (или любой другой бистабильной пары, которая может быть триггером между двумя легко различимыми состояниями, такими как «включено»/«выключено», «намагничено»/«размагничено», «высокое напряжение»/«низкое напряжение» и т. д.)

  • Мнение Алана Тьюринга: есть только 5 действий, которые компьютер должен выполнить чтобы сделать «что-нибудь»
Каждый алгоритм может быть выражен на языке, понятном для компьютера в виде 5 основных инструкций:
  • перемещение на позицию влево
  • перемещение на позицию вправо
  • чтение символа на текущей позиции
  • вывести 0 на текущей позиции
  • вывести 1 на текущей позиции
  • Согласно Бем[en] и Якопини: есть только 3 способа совмещения этих действий (в более сложные), которые необходимы для компьютера чтобы сделать «что-нибудь»
Только 3 правила необходимы для того, чтобы совместить любой набор базовых инструкций в более сложные:
последовательность:
сперва сделать это; затем сделать то
выбор:
если такой и такой случай,
THEN (тогда сделать это)
ELSE (иначе сделать то)
повторение:
WHILE (до тех пор, пока такой и такой случаи — делать это)

Обратите внимание, что 3 правила Бема и Якопини могут быть упрощены с использованием goto (что означает, что это более элементарно, чем структурное программирование)

В научном сообществе[править | править вики-текст]

Конференции[править | править вики-текст]

Конференции являются стратегическими событиями научных исследований в области информатики. В ходе этих конференций, исследователи из государственного и частного секторов встречаются и представляют свои последние работы. Труды этих конференций являются важной частью литературы по информатике.

Журналы[править | править вики-текст]

Существует множество журналов, посвящённых информатике или связанных с ней. Преимущественно, это зарубежные издания. Статьи в такого рода журналах нацелены на публику, имеющую представление о компьютерных науках и информационных системах. В настоящее время IT-журналы всё больше уделяют внимания освещению новых разработок в области информатики.

В образовании[править | править вики-текст]

В некоторых университетах информатика преподаётся в качестве теоретического изучения вычислений и алгоритмических рассуждений. Такие программы часто включают в себя теорию алгоритмов, анализ алгоритмов, формальные методы, параллелизм (информатика), базы данных, компьютерную графику, системный анализ и другие. Как правило, они также преподают программирование, но не акцентируют на нём внимания, а рассматривают как поддержку других областей информатики. The ACM/IEEE-CS Joint Curriculum Task Force «Computing Curriculum 2005» (и обновление от 2008 года)[57] даёт рекомендации для университетских учебных программ.

Другие колледжи и вузы, а также средние школы и учебные заведения профессиональной подготовки, которые обучают информатике, делают в своих учебных курсах акцент на практике программирования, а не на теории алгоритмов и вычислений. Такие программы, как правило, сосредоточены на тех навыках, которые важны для работников индустрии программной инженерии.

Образование в США[править | править вики-текст]

В последние годы интерес к использованию методов информатики в различных сферах научных исследований и практических разработок возрастает. Такого рода интерес проявляют не только ученые, но и правительственные структуры. К примеру, в 2005 году Консультативный комитет по информационным технологиям при Президенте США подготовил доклад на эту тему. В этом докладе были представлены результаты анализа деятельности в данной области в США, которые повествуют об острой необходимости совершения решительных действий с целью предупреждения негативных тенденций, наблюдаемых в американской науке и системе образования[58].

В то время как профессии в области информатики всё больше и больше управляют экономикой США, образование в этой области отсутствует в большинстве американских учебных программ. Отчёт под названием «Running on Empty: The Failure to Teach K-12 Computer Science in the Digital Age» был представлен в октябре 2010 года Ассоциацией по Вычислительной Технике (АСМ) и Ассоциацией Учителей Информатики (CSTA) и показал, что только 14 штатов приняли образовательные стандарты для высшей школы информатики. Также, в докладе отмечается, что только 9 штатов приняли информатику как основной учебный предмет, необходимый для аттестации в старших классах школы.

В тандеме с «Running on Empty», новая внепартийная коалиция защиты прав — Computing in the Core (CinC) — была создана чтобы влиять на федеральную и государственную политики, такие как «Закон об образовании в области информатики», который предусматривает предоставление грантов штатам, разрабатывающим планы по улучшению образования в области информатики и поддержке учителей информатики.

Образование в России[править | править вики-текст]

Именно в нашей стране впервые были сформированы представления об информатике как о фундаментальной науке, имеющей важное междисциплинарное, научно-методологическое и мировоззренческое значение. Именно Россия на 2-м Международном конгрессе ЮНЕСКО «Образование и информатика» (Москва, 1996 г.) предложила новую концепцию изучения проблем информатики как фундаментальной науки и общеобразовательной дисциплины в системе опережающего образования. При этом была предложена также и новая структура образовательной области «Информатика» для системы образования и показано, что переход к этой структуре может стать важным шагом на пути интеграции фундаментальной науки и образования[58].

Начиная с 1990 года, в России развивается такое направление как социальная информатика. Предполагается, что оно станет научной базой для формирования информационного общества. Помимо этого, в Российской академии наук вырабатываются философские, семиотические и лингвистические основы информатики, формируются новые подходы к структуризации предметной области информатики, учитывающие её перспективные направления развития и современные тенденции развития образования и науки[58].

Основные термины[править | править вики-текст]

  • Информационный ресурс — концентрация имеющихся фактов, документов, данных и знаний, отражающих реальное изменяющееся во времени состояние общества, и используемых при подготовке кадров, в научных исследованиях и материальном производстве[59].
  • Информационная среда — хранящаяся в компьютере, но не оформленная в виде информационной системы совокупность знаний, фактов и сведений, относящаяся к некоторой предметной области и используемая одним или несколькими пользователями[60].
  • Информационная технология — совокупность методов, устройств и производственных процессов, используемых людьми для сбора, хранения, обработки и распространения информации[60].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Большая российская энциклопедия, 2008
  2. Streubel J., Department of Computer Science, 2003
  3. "Stanford University Oral History"
  4. Donald Knuth, George Forsythe and the Development of Computer Science, 1972
  5. Matti Tedre, The Development of Computer Science: A Sociocultural Perspective, 2006
  6. Peter Naur, 1966.The science of datalogy
  7. P. Mounier-Kuhn, "L’Informatique en France, de la seconde guerre mondiale au Plan Calcul. L’émergence d’une science", 2010
  8. 1 2 Научные коммуникации и информатика, 1976
  9. Steinbuch K.,Informatik: Automatische Informationsverarbeitung
  10. Основы информатики, 1968
  11. Lhermitte P., Le pari informatique, 1968
  12. Why an informatics degree? Isn’t computer science enough?, 2010
  13. Тезаурус ЮНЕСКО
  14. P. Wegner, (October 13–15, 1976). Research paradigms in computer science
  15. Communications of the ACM, (№1, Jan 1989)
  16. Eden, A. H.
  17. 1 2 3 Черный, 2010
  18. Черный, 2010, с. 98
  19. 1 2 3 Черный, 2010, с. 99
  20. Черный, 2010, с. 100
  21. Черный, 2010, с. 101
  22. "Blaise Pascal". School of Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland
  23. A Brief History of Computing
  24. "Science Museum - Introduction to Babbage"
  25. Anthony Hyman, 1982
  26. Bruce Collier, 1970
  27. A Selection and Adaptation From Ada's Notes found in "Ada, The Enchantress of Numbers"
  28. "In this sense Aiken needed IBM, whose technology included the use of punched cards, the accumulation of numerical data, and the transfer of numerical data from one register to another", Bernard Cohen, 1999, p.44
  29. Brian Randell, 1973, p.187
  30. Ассоциация вычислительной техники была основана в 1947
  31. 1 2 Denning, P.J. (2000). "Computer Science: The Discipline" (PDF). Encyclopedia of Computer Science
  32. Some EDSAC statistics
  33. Computer science pioneer Samuel D. Conte dies at 85
  34. 1 2 Levy, Steven (1984). Hackers: Heroes of the Computer Revolution
  35. IBM 704 Electronic Data Processing System - CHM Revolution
  36. http://archive.computerhistory.org/resources/text/IBM/IBM
  37. Ершов А. П., 1985
  38. День информатики в России
  39. David Kahn, 1967
  40. Computer Science: Achievements and Challenges circa 2000, 2000
  41. Abelson H., Structure and Interpretation of Computer Programs, 1996
  42. David Kahn, The Codebreakers, 1967
  43. Black box traders are on the march
  44. The Impact of High Frequency Trading on an Electronic Market
  45. 1 2 Computing Sciences Accreditation Board (28 May 1997). "Computer Science as a Profession"
  46. Committee on the Fundamentals of Computer Science: Challenges and Opportunities, National Research Council (2004)
  47. "Csab, Inc". Csab.org. 2011-08-03
  48. P vs NP Problem
  49. P. Collins, Graham. "Claude E. Shannon: Founder of Information Theory". Scientific American, Inc.
  50. A. Thisted, Ronald. "COMPUTER ARCHITECTURE". The University of Chicago
  51. Wescott, Bob (2013). The Every Computer Performance Book, Chapter 3: Useful laws. CreateSpace
  52. Hofkirchner W., "Information Science": An Idea Whose Time Has Come, 1995
  53. Вайсбанд И., 5000 лет информатики, 2010
  54. Wiener N., Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine, 1948
  55. what is computation?
  56. "ACM Curricula Recommendations"
  57. 1 2 3 Колин, 2006
  58. Информационные технологии: Учеб. для вузов, 2003
  59. 1 2 Толковый словарь современной компьютерной лексики, 2004

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]