Учебно-методический комплекс по дисциплине «Информатика» (стр. 7 )

Основными операциями над множествами являются объединение, пересечение и дополнение.

х Рис.2.9

Объединением двух множеств называется новое множество

.

Элементы {х}, входящие в объединение множеств A и B отображены в заштрихованной области на рисунке 2.9.

Рис.2.10.

Пересечением двух множеств называется новое множество

.

Элементы х, входящие в пересечение множеств A и B отображены в заштрихованной области на рисунке 2.10.

Рис. 2.11.

Дополнением подмножества В до множества А называют подмножество, состоящее из элементов входящих в А, но не входящих в В.

.

Элементы х, входящие в дополнение В множества A отображены в заштрихованной области на рисунке 2.11.

Рис. 2.12.

Пример 2.2.

а). Найти множество С, представляющее собой дополнение между до ? Иначе говоря, С = . Результат можно увидеть на рисунке 2.12. Множество элементов {x}, принадлежащих заштрихованной области, образуют искомое множество С.

б). Найдем аналогичное множество С = , где А={1,2,3,4,f, g}, B={4,g, f,5,6,7}. Результат С={1,2,3,5,6,7}.

Вопросы по теме лекции 2:

1.  Основы логики. Основные понятия формальной логики.

2.  Алгебра высказываний.

3.  Базовые логические функции, логические законы и правила преобразования логических выражений.

4.  Построение таблиц истинности логических выражений.

5.  Логические схемы основных устройств компьютера (сумматор, регистр).

Лекция 3. Алгоритмизация и программирование

ФОРМЫ ЗАПИСИ АЛГОРИТМОВ

Существуют множество различных форм записи алгоритмов. Это связано с тем, что каждый исполнитель алгоритмов "понимает" лишь такой алгоритм, который записан на его "языке" и по его правилам. Условно выделяют 4 формы записи алгоритмов:

1. Словесно-пошаговая (текстовая).

2. Табличная.

3. Запись на алгоритмическом языке.

4. Графическая форма записи (Блок-схема).

Запись всякого алгоритма начинается с заголовка.

СЛОВЕСНО - ПОШАГОВАЯ (ТЕКСТОВАЯ)

Алгоритм записывается в виде пронумерованных этапов его выполнения. Например:

Алгоритм сложения двух чисел ( a и b ).

1. Спросить, чему равно число a.

2. Спросить, чему равно число b.

3. Сложить a и b, результат присвоить с.

4. Сообщить результат с.

ТАБЛИЧНАЯ ФОРМА ЗАПИСИ

Это запись алгоритма в виде таблицы. Используемые таблицы могут быть различными.

Для примера будем использовать упрощенную форму.

Порядок составления табличных алгоритмов:

1. Переписать выражение так, как допустимо в информатике.

2. Определить порядок действий.

3. Ввести обозначения промежуточных результатов.

4. Занести полученные действия в таблицу.

Пример:

Алгоритм вычисления R=2a +3b.

№ действия	действие	величина	результат
1	2
1	*	2	a
k	2	*	3
b	u	3	+
k	u	R

ЗАПИСЬ НА АЛГОРИТМИЧЕСКОМ ЯЗЫКЕ

Это запись алгоритма на специальном языке (в том числе и на языке программирования).

Она осуществляется, строго следуя правилам того или иного алгоритмического языка.

Заголовок включает в себя название алгоритма, имена исходных данных (это величины, без которых выполнить алгоритм невозможно) и имена результатов (это величины, значения которых вычисляются в алгоритме).

Для указания начала и конца алгоритма используются служебные слова нач и кон.

Между ними записывают одну или несколько команд алгоритма, их называют тело алгоритма. Например:

Алгоритм вычисления значения выражения Y=z-a+2b.

алг ВЗВ Y=z-a+2b арг z, a,b рез Y нач Y:= z - a + 2 * b кон

<- название алгоритма <- исходные данные (аргументы) <- результат <- начало алгоритма <- тело алгоритма <- конец алгоритма

ГРАФИЧЕСКАЯ ФОРМА ЗАПИСИ (БЛОК-СХЕМЫ)

Алгоритм записывается в виде схемы, состоящей из Блоков (геометрических фигур) с размещенными в них действиями.

Блоки соединяются стрелочками и показывают структуру всего алгоритма.

Алгоритм в виде Блок-схемы начинается Блоком «начало» и заканчивается Блоком «конец».

Основные Блоки

При составлении Блок-схемы алгоритма сначала выделяют исходные данные (все переменные величины после знака равенства и в условии) и результат (величины которые необходимо найти). Если в задании подразумеваются, но не указываются имена величин, то они обозначаются самостоятельно.

ОСНОВНЫЕ ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Набор команд компьютера, описывающий процесс выполнения алгоритма называется программой.

Алгоритм для решения задачи с помощью компьютера может состоять из следующих шагов:

1)  формулировка решаемой задачи;

2)  формулирование логической или математической модели данной задачи;

3)  выражение этой модели в терминах определенной программы;

4)  выполнение программы на компьютере;

5)  проверка результатов для определения правильности решения.

Для успешного решения задачи компьютером все шаги алгоритма должны быть тщательно разработаны.

Составление алгоритмов – основа программирования. Исследования ученых в области анализа основных структур эффективных алгоритмов показывают, что особое внимание нужно обращать на фазу проверки, т. к. это самая решающая фаза при решении любой задачи на компьютере.

Для реализации алгоритмов на компьютере разработаны различные языки программирования.

Языки программирования подразделяются на языки:

-  низкого уровня (на уровне кодов компьютера);

-  высокого уровня (на уровне макрокоманд).

К языкам программирования низкого уровня относят:

-  машинный язык;

-  мнемокоды;

-  автокоды.

Программа, написанная на машинном языке, представляет из себя последовательный набор кодов операций, адресов данных, хранящихся в памяти машины (компьютера). Машинный язык содержит много специфических моментов и любая программа состоит из большого числа отдельных команд. Написание программы на машинном языке требует много времени, даже у опытного программиста, а отладка программы требует много машинного времени.

Для улучшения методов работы на ЭВМ были созданы мнемокоды, отличающиеся от обычного машинного языка мнемоническим сокращением кодов операций, а также представлением адресов в форме символов. Мнемокодная программа вводилась в машину через внешние носители информации (перфокарты или перфоленту) и обрабатывалась с помощью Ассемблера.

Ассемблер – это программа, которая воспринимает входную информацию, записанную на мнемокоде, и переводит ее в программу, записанную на машинном языке.

Хотя мнемокод представляет собой шаг вперед по сравнению с машинным кодом, но один из серьезных недостатков его – это то, что он пригоден лишь для определенной машины.

Автокод – это совокупность команд для выполнения специализированных задач. Программа написанная на автокоде может использоваться на других машинах. Однако программирование в автокоде ведет к потере эффективности при выполнении работ.

Для повышения эффективности работ, уменьшения времени при отладке, совместимости программ и их наглядности были созданы языки программирования высокого уровня.

К идеальному языку высокого уровня предъявляются следующие требования:

-  он должен способствовать полному использованию мощности машины;

-  быть близок к естественному языку, на котором описывается задача;

-  предоставлять возможность экономной записи задачи;

-  позволять работать на любом компьютере и в любой операционной системе.

Одним из достаточно удовлетворительных языков высокого уровня в 60-х годах в нашей стране стал Алгол-60, который приспособлен главным образом к решению вычислительных задач. Возможность использования его для других классов задач обеспечивалась путем включения в программы процедур-кодов; за счет чего терялась машинная независимость программ. Одно из крупных неудобств Алгола-60 – это отсутствие аппарата для ввода и вывода информации в машине, предоставляющие возможность создания такого аппарата каждому разработчику транслятора. Это привело к появлению большого числа версий Алгола. Все это привело к тому, что в
70-х годах Алгол-60 был почти повсеместно вытеснен Фортраном. Это можно было заметить на изменении учебных программ во многих ВУЗах.

Фортран располагает вполне удовлетворительными средствами для ввода и вывода, логически он значительно проще Алгола. Но как Алгол, он приспособлен для решения вычислительных задач. Ценной особенностью Фортрана является предоставляемая им возможность совместного использования программ. Фортран-программой может обрабатываться табличная информация, однако специальных средств для описания таких процессов язык не имеет.

Язык Кобол приспособлен для решения задач, требующих переработки табличной информации. Таких как обработка данных, решение некоторых информационных задач. Однако в остальном он уступает Алголу и Фортрану.

На вычислительных комплексах в 80-х годах большое распространение получил алгоритмический язык ПЛ/1. Он объединяет в себе положительные черты предыдущих языков и имеет некоторые дополнительные возможности, в отличии от этих языков. Он допускает блочную структуру программ, позволяет обрабатывать как числовую информацию, так и структуры (т. е. табличную информацию), хорошо приспособлен для обработки текстовой информации. ПЛ/1 допускает совместное использование программ. Сложность его соизмерима со сложностью Алгола и Фортрана.

На персональных компьютерах появились такие проблемно-ориентированные языки высокого уровня, как Бейсик, Паскаль, Си. Первоначально они разрабатывались для операционной системы DOS. В Window's появились их оболочки – условно-событийного программирования: Vision Basic, Delphi, Vision C++. К объектно-ориентировванным языкам программирования относится VBA и DELPHI. Они позволяют активизировать объекты (т. е. запустить программу или программный код) путем оценки событий (нажата ли кнопка мыши, есть ли фокус при наведении мыши и др.). Эти языки являются оболочками к наиболее простым в программировании технических, графических и мультимедийных задач является Бейсик.

Вопросы по теме лекции 3:

1.  Понятие алгоритма, свойства алгоритма.

2.  Исполнители алгоритмов. Система команд исполнителя. Способы записей алгоритмов. Формальное исполнение алгоритмов.

3.  Основные алгоритмические структуры (линейная, ветвление, выбор, цикл). Вспомогательные алгоритмы.

4.  Алгоритмическое программирование: основные типы и структуры данных, (переменные, массивы).

5.  Процедуры и функции.

6.  Объектно-ориентированное программирование.

7.  Объекты: свойства и методы.

8.  Событийные и общие процедуры.

9.  Графический интерфейс: форма и управляющие элементы.

Лекция 4. Моделирование и формализация

Понятия о моделях

Моделирование – это представление одного явления с помощью другого явления.

Впервые термин «модель» был употреблен в 1739 г. в энциклопедическом словаре в Германии. Слово «модель» стало широко использоваться в научной литературе в конце XIX века. Под моделью понимают отражение одного объекта другим объектом или отображение одной вещи другой вещью.

Общая классификация моделей в естествознании и технике следующая:

А. Материальные модели

1.Геометрические (карта, глобус)

2.Физические модели (градусник, часы)

Б Идеальные модели

1. Модели представления

2. Знаковые модели

3. Теоретические модели

4. Математические модели

Деление моделей по характеру воспроизводимых сторон оригинала

1. Субстанциональные модели: модельные соединения, эталонные вещества, биологические ткани в искусственной среде.

2. Структурные модели Сходные с оригиналом по внутреннему строению.

Модель изоморфна оригиналу. Пример модель бензола и других химических соединений.

3. Функциональные модели

Сходны с оригиналом только по свойствам: модель идеального раствора как идеального газа.

Внутренняя структура может быть известна - гетероморфные модели и неизвестна по сути, как "черный ящик" - метаморфная модель.

Перевод моделей из функциональных в изоморфные важная задача.

Субстанционные модели - это моделирование изучаемого объекта таким же объектом. Существует целый ряд пограничных моделей, которые занимают промежуточное положение между субстантивными и математическими моделями. Такие модели осуществляются в виде виртуальной реальности.

Математические модели - это отображение объекта с помощью системы уравнений. Любое уравнение-это математическая модель.

sin2x + cos2x = 1 - уравнение колебательного движения.

Принцип математического моделирования основан на конечном числе математических соотношений между объектами природы и техники. Даже очень сложные системы описываются простыми математическими уравнениями.

F = m*a

Модели имеют ряд функций которые изложим ниже:

А. Обьяснительная функция

1 Модель как вспомогательное звено в объяснении факта теорией

2. Объяснение теории теорией

Б. Предсказательная функция

1.Предсказание неизвестных свойств оригинала

2. Предсказание неизвестных обьектов

3.Предсказание неизвестных закономерностей

В. Критериальные функции

1.Экспериментальные проверки гипотезы и следствий из нее

2.Проверка истинности теории посредством другой теории

Г. Прочие функции

1.Классификационные

2.Вычислительные

3.Демонстрационные

4.Предсказание неизвестных свойств оригинала

Понятие о модели и моделировании. Формирование модели

Модель - это вещественное отображение чего-либо.

Явление®образ®формулизация образа®модель

Самый сложный переход - это переход от явления к образу. Это творческий процесс, он связан с эмоциональными, личностными, интеллектуальными качествами человека.

Для облегчения формулизации задачам моделирования технико-экономических процессов существует системный анализ. Наиболее полно проводят анализ по американской и российской методике.

Формулизация и решение задачи происходит по следующей схеме:

 

Программе на языке программирования предшествует алгоритм.

Алгоритм - это детерминированная последовательность логических и математических операций.

Алгоритму предшествуют модели, модели предшествует образ, образу предшествует наблюдение явления и осмысление явления.

Любой закон природы это модель.

Модель - это отображение одного предмета другим.

Математическая модель это отображение какого-либо явления или предмета формулой. Любая формула отражает модель. В любую формулу заложен образ явления.

Физическая модель - основана на аналоговых принципах. Например, химическая реакция может быть описана как движение тока, при условии разделения проводящих участков. Константы скорости и электрические сопротивления аналоги.

Логические модели - это последовательность различных операций, которые отображают связями.

Алгоритм - это логическая модель.

Чтобы написать программу надо заложить две модели: логическую и математическую.

Созданию базы данных предшествует разработка логической модели и предметной области.

Абстрактные модели. Абстрактная модель необязательно записывается в виде формулы.

Формализация математических моделей (принцип "черного ящика").

Под "черным ящиком" подразумевается система, о которой известна только ее реакция на входные параметры. Необходимо получить информацию о системе и смоделировать ее.

Х1 Y1

¼ ¼

Хn Yn

 

Найти математическую взаимосвязь между множеством входных и выходных параметров.

Задача математического моделирования - найти функциональную связь между определенными значениями каких-либо характеристик системы.

В нефтепеработке успешно применяется моделирование процессов и аппаратов, заменяя дорогостоящие эксперименты на реальных моделях (пилотных установках) моделированием с помощью компьютерных программ отечественных и зарубежных.

Вопросы по теме лекции 4:

1.  Моделирование как метод познания.

2.  Модели материальные и модели информационные.

3.  Системный подход к окружающему миру.

4.  Объект и его свойства.

5.  Система как целостная совокупность объектов элементов).

6.  Объектно-ориентированное моделирование.

7.  Построение формальных моделей с использованием формальных языков (алгебры, алгебры логики, языков программирования).

8.  Построение и исследование с помощью компьютера информационных моделей из физики, биологии, экономики, экологии и др.

Лекция 5. Компьютер и программное обеспечение

Основные принципы функционирования ПК

Компьютер — универсальное средство для обработки информа­ции. Компьютер может обрабатывать только информацию, представ­ленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изобра­жение и т. п.) для обработки на компьютере должна быть преобразо­вана в числовую фо*рму. Компьютер пользуется знаковой системой, которая состоит из двух цифр двоичной системы счисления: 1 и 0. Цифра двоичной системы называется битом. Бит — наименьшая единица информации. Из битов складывается все многообразие данных, которое обрабатывает компьютер.

Основное назначение компьютера — выполнять программы, ка­ждая из которых представляет собой набор команд. Каждая коман­да — элементарная инструкция, предписывающая компьютеру вы­полнить ту или иную операцию (умножить два числа, записать дан­ные на диск и т. д.).

Все команды и все данные в компьютере представлены комби­нациями битов (чисел).

Устройством, которое обрабатывает информацию, является про­цессор. Процессор — электронное устройство, поэтому различные виды информации должны обрабатываться в нем в форме последо­вательностей электрических импульсов. Такие последовательности можно записать в виде последовательностей нулей и единиц (есть импульс — единица, нет импульса — нуль), которые называют ма­шинным языком.

Последовательность этих команд называется программой, а уст­ройство управления «переводит» команды программы на язык ко­манд, понятных исполнителям, и синхронизирует их работу. Имен­но такой принцип организации взаимодействия составных частей дает возможность построить универсальное автоматическое вычис­лительное устройство — компьютер.

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной — ЭВМ. Структура такого устройства (см. рис.2) была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Одинарными линиями обозначены цепи сигналов управления (управляющие связи), двойны­ми — цепи передачи данных и адресов (информационные связи).

Рис.2. Структурная схема вычислительного устройства (схема Фон-Неймана)

АЛУ — арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логиче­ские операции «И», «ИЛИ», «НЕ».

УУ — устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или память. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью за­писи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумеро­ванных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабаты­ваемые данные, или инструкция программ. Все ячейки памяти оди­наково легко доступны для других устройств компьютера.

УВВ — устройства ввода-вывода. Получают информацию извне, Выводят ее получателю. Структура современного персонального компьютера представ­лена на рисунке ниже (рис.3).

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволила разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, назы­ваемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов — локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина синхронизации. УВВ разделены на УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

Рис.3. Структурная схема персонального компьютера

Принципиально новым в структуре современного компьютера и принципе его действия являются сигналы и понятие прерываний. Прерывания появились в связи с переходом от математических вы­числений, которые не зависят от внешних условий, к обработке ин­формации в реальном масштабе времени. Компьютер должен реаги­ровать на изменение внешних условий, иногда немедленно, запо­миная эти события или даже меняя алгоритм его обработки. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраня­ются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. По­сле ее завершения восстанавливаются все промежуточные результа­ты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В современных компьютерах возможна также параллельная ра­бота нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполне­ния одной задачи или параллельного выполнения многих задач дос­тигается увеличение общей производительности компьютера. Для ого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры.

Персональный компьютер (ПК) типа IBM PC, названный по пени американской компании, которая в 1981 г. впервые выпустили такие ПК (International Business Machines Personal Computer), стал стандартом персональных компьютеров.

В IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. Методы совместимости устройств с компьютером IBM PC не дер­жись в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых. Например, наращивать оперативную память, подключать новые периферийные устройства. Можно заме­ть старые устройства новыми без замены компьютера. Такие операции называются «upgrade» (расширить, обновить).

На системной плате компьютера размещены только устройства, осуществляющие обработку информации. Устройства, управляющие всеми остальными составными компьютера — монитором, дисками, принтером и т. п., реализованы на отдельных платах (контрол­ерах), которые вставляются в специальные разъемы на системной плате — слоты. К этим электронным устройствам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключено в системный блок.

СОСТАВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

1.  АППАРАТНАЯ

2.  ПРОГРАММНАЯ

Назначение вычислительной системы – принимать, преобразовывать, хранить и выдавать информацию, следуя командам человека.

Для работы системы нужны следующие блоки:

1.  для хранения информации – запоминающие устройства;

2.  для обработки – преобразующие устройства;

3.  для ввода/вывода – устройства ввода/вывода.

Запоминающие устройства.

·  ПЗУ (постоянные)

·  ОЗУ (оперативные)

·  ВЗУ (внешние)

ПЗУ хранятся в специальных микросхемах; программные данные записываются в микросхемы в процессе заготовки.

ПЗУ содержит служебную информацию.

ОЗУ является хранилищем обрабатываемой информации. (хранятся программы, данные).

ВЗУ – внешние устройства для долговременного хранения.

·  HDD

·  Дискеты

·  CD-R; CD-RW

·  DVD

Преобразующие устройства

Процессор – основная микросхема компьютера, которая выполняет программу.

Микропроцессор состоит:

1.  устройство управления (уу) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы); формирует адреса ячеек памяти используемых выполняемой операцией; управляет работой компьютера.

2.  арифметико-логическое устройство (алу) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций с числовыми и символьными данными.

3.  микропроцессорная память (мп) – служит для кратковременного хранения информации, используемых в вычислениях.

4.  интерфейсная система.

Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов; частота этих импульсов определяет тактовую частоту компьютера.

Такт – промежуток между соседними импульсами.

Устройства ввода/вывода.

Внешние периферийные устройства.

1.  ВЗУ

2.  диалоговые средства пользователя

·  видеомонитор

·  устройство речевого ввода/вывода

3.  устройства ввода информации

·  клавиатура

·  графические планшеты (диджитайзеры)

·  сканеры

ü  планшетные

ü  ручные

ü  барабанные

ü  штрих-сканеры

·  цифровые фотокамеры

·  манипуляторы

§  мышь

§  джойстик

§  световое перо

4.  устройства вывода информации

§  принтеры

ü  матричные

ü  лазерные

ü  струйные

ü  светодиодные

§  графопостроители (плоттеры)

5.  устройства связи и телекоммуникации

ü  модем

ü  линии связи

Ø  телефонные

Ø  проводные

Ø  оптоволоконные

Ø  кабельные

Ø  радиочастотные

Ø  спутниковые

Санитарно-гигиенические и эргономические требования к компьютерному рабочему месту определяются в следующем:

ü  минимальная запыленность помещений, кондиционирование воздуха;

ü  расстояние от глаз работающего за ПК не менее 60см.;

ü  частота экрана не менее 75 гц.

ü  непрерывная работа за компьютером не более 4 часов.

По технике безопасности обязательно должен проводиться начальный инструктаж при пользовании компьютерным классом и не менее 2 раз в год проводится беседы по ТБ среди студентов (проверка заземления на ПК, проверка шума, запыленности, наличие правильности расположения рабочих мест).

Операционная система (ОС) – это программная среда, под управлением которой осуществляется вся работа на компьютере.

Операционные системы отличаются своими возможностями, степенью удобства общения с пользователем, способами реализации своих функций и т. д.

Задачей любой операционной системы сделать максимально удобной работу пользователя, выполняющего различные команды компьютера для решения поставленной задачи.