ИнформациЯ и информационные процессы в природе

Этапы решения задачи с помощью компьютера (построение модели — формализация модели — построение компьютерной модели — проведение компьютерного эксперимента — интерпретация результата).  
    Рассмотрим процесс решения задачи на конкретном примере: 
         Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью с некоторой высоты. Определить его местоположение и скорость в заданный момент времени. 
         На первом этапе обычно строится описательная информационная модель объекта или процесса. В нашем случае с использованием физических понятий создается идеализированная модель движения объекта. Из условия задачи можно сформулировать следующие основные предположения: 
         1) тело мало по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой; 
         2) скорость бросания тела мала, поэтому: 
         — ускорение свободного падения считать постоянной величиной; 
         — сопротивлением воздуха можно пренебречь. 
         На втором этапе создается формализованная модель, т. е. описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. 
         Из курса физики известно, что описанное выше движение является равноускоренным. При заданных начальной скорости (V0)у начальной высоте (Н0) и ускорении свободного падения (g= 9,8 м/с ) зависимость скорости (V) и высоты (Н) от времени (t) можно описать следующими математическими формулами: 
     
      
     
     На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компъютерную модель, т. е. выразить ее на понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели: 
         — создание алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования; 
         — формирование компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и т. д.). 
         Для реализации первого пути надо построить алгоритм определения координаты тела в определенный момент времени и закодировать его на одном из языков программирования, например на языке Visual Basic. 
         Второй путь требует создания компьютерной модели, которую можно исследовать в электронных таблицах. Для этого следует представить математическую модель в форме таблицы функции зависимости координаты от времени (таблицы функции и таблицы зависимости скорости тела от времени (V = V0 - g • t). 
         Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты. 
         Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и т. д. 
         На пятом этапе выполняется анализ полученных результатов и при необходимости корректировка исследуемой модели. Например, в нашей модели необходимо учесть, что не имеет физического смысла вычисление координаты тела после его падения на поверхность Земли. 
         Таким образом, технология решения задач с помощью компьютера состоит из следующих этапов: построение описательной модели — формализация — построение компьютерной модели — компьютерный эксперимент — анализ результатов и корректировка модели. 
    

Моделирование как метод научного познания. Модели материальные и информационные.  
 
    Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные из них. Так, модель самолета должна иметь геометрическое подобие оригиналу, модель атома — правильно отражать физические взаимодействия, архитектурный макет города — ландшафт и т. д. 
         Модель — это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса. 
        В разных науках объекты и процессы исследуются под разными углами зрения и строятся различные типы моделей. В физике изучаются процессы взаимодействия и движения объектов, в химии — их внутреннее строение, в биологии — поведение живых организмов и т. д. 
         Возьмем в качестве примера человека; в разных науках он исследуется в рамках различных моделей. В механике его можно рассматривать как материальную точку, в химии — как объект, состоящий из различных химических веществ, в биологии — как систему, стремящуюся к самосохранению, и т. д. 
         С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Так, в механике различные материальные тела (от планеты до песчинки) часто рассматриваются как материальные точки. 
         Один и тот же объект иногда имеет множество моделей , а разные объекты описываются одной моделью. 
         Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели знаковые (информационные). Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме. В процессе обучения широко используются такие модели: глобус (география), муляжи (биология), модели кристаллических решеток (химия) и др. 
         Модели информационные представляют объекты и процессы в форме рисунков, схем, чертежей, таблиц, формул, текстов и т. д. В школе часто применяются такие модели: рисунок цветка (ботаника), карта (география), формула (физика), блок-схема алгоритма (информатика), периодическая система элементов Д. И. Менделеева (химия), уравнение (математика) и т. д.

Формализация. Привести пример формализации (например, преобразования описательной модели в математическую).  
 
    Естественные языки служат для создания описательных информационных моделей. В истории науки известны многочисленные описательные информационные модели. Например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась следующим образом: 
         — Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца; 
         — орбиты всех планет проходят вокруг Солнца. 
         С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. 
         Одним из наиболее широко распространенных формальных языков является математический. Модели, сформированные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями. Язык математики представляет собой совокупность формальных языков; о некоторых из них (алгебраическом, геометрическом) вы узнали в школе, с другими сможете познакомиться при дальнейшем обучении. 
         Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости между величинами. Так, Ньютон формализовал гелиоцентрическую систему мира Коперника, открыв законы механики и закон всемирного тяготения и записав их в виде алгебраических функциональных зависимостей. В школьном курсе физики рассматривается много разнообразных функциональных зависимостей, выраженных на языке алгебры, которые представляют собой математические модели изучаемых явлений или процессов. 
         Язык алгебры логики (алгебры высказываний) дает возможность строить формальные логические модели. С помощью алгебры высказываний формализуются (записываются в виде логических выражений) простые и сложные высказывания, выраженные на естественном языке. Путем построения логических моделей удается решать логические задачи, создавать логические модели устройств компьютера (сумматора, триггера) и т. д. 
         В процессе познания окружающего мира человечество постоянно прибегает к моделированию и формализации.

Описание состояния объекта и описание изменения состояния объекта с помощью статических и динамических информационных моделей.  
 
    Система состоит из объектов, которые называются элементами системы. Между элементами системы существуют различные связи и отношения. Например, компьютер является системой, состоящей из различных устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно (физически подключены друг к другу) и функционально (между устройствами происходит обмен информацией). 
         Важным признаком системы является ее целостное функционирование. Компьютер нормально работает до тех пор, пока в его состав входят и являются исправными основные устройства (процессор, память, системная плата и т. д.). Если удалить одно из них, например процессор, компьютер выйдет из строя, т. е. прекратит свое существование как система. 
         Любая система находится в пространстве и времени. Состояние системы в каждый момент времени характеризуется ее структурой, т. е. составом, свойствами элементов, их отношениями и связями между собой. Так, структура Солнечной системы характеризуется составом входящих в нее объектов (Солнце, планеты и пр.), их свойствами (скажем, размерами) и взаимодействием (силами тяготения). 
         Модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени, называются статическими информационными моделями. 
         В физике, например, статические информационные модели описывают простые механизмы, в биологии — классификацию животного мира, в химии — строение молекул и т. д. 
         Состояние систем изменяется во времени, т. е. происходят процессы изменения и развития систем. Так, планеты движутся, меняется их положение относительно Солнца и друг друга; Солнце, как и любая другая звезда, развивается, меняется его химический состав, излучение и т.  
      Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными моделями. 
         В физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии — развитие организмов или популяций животных, в химии — процессы прохождения химических реакций и т. д.

Алгоритмическая структура ветвление. Команды ветвления. Привести пример.  
 
    В отличие от линейных алгоритмов, в которых команды выполняются последовательно одна за другой, в алгоритмические структуры ветвление входит условие, в зависимости от истинности условия выполняется та или иная последовательность команд (серий). 
         Будем называть условием высказывание, которое может быть либо истинным, либо ложным. Условие, записанное на формальном языке, называется условным или логическим выражением. 
         Условные выражения могут быть простыми и сложными. Простое условие включает в себя два числа, две переменных или два арифметических выражения, которые сравниваются между собой посредством операций сравнения (равно, больше, меньше и т. д.). Например:  
         strА=минформатика" и т. д. 
         Сложное условие — это последовательность простых условий, объединенных между собой знаками логических операций. Например: 
         And strА="информатика". 
         Алгоритмическая структура ветвление может быть записана различными способами: 
         — графически, с помощью блок-схемы; 
         — на языке программирования, например на языках Visual Basic и VBA, с использованием специальной инструкции ветвления (рис. 18). 
          
  
    Алгоритмическая структура цикл. Команды повторения. 
 
    В алгоритмические структуры цикл входит серия команд, выполняемая многократно. Такая последовательность команд называется телом цикла. 
         Циклические алгоритмические структуры бывают двух типов: 
         — циклы со счетчиком, в которых тело цикла выполняется определенное количество раз; 
         — циклы с условием, в которых тело цикла выполняется до тех пор, пока выполняется условие. 
         Алгоритмическая структура цикл может быть зафиксирована различными способами: 
         — графически, с помощью блок-схемы; 
         — на языке программирования, например на языках Visual Basic и VBA, с использованием специальных инструкций, реализующих циклы различного типа. 
         Цикл со счетчиком. Когда заранее известно, какое число повторений тела цикла необходимо выполнить, можно воспользоваться циклической инструкцией (оператором цикла со счетчиком) For. . . Next (рис. 19). 
         Синтаксис оператора For. . . Next следующий: строка, начинающаяся с ключевого слова For, является заголовком цикла, а строка с ключевым слов 
         В начале выполнения цикла значение переменной Счетчик устанавливается равным НачЗнач. При каждом «проходе» цикла переменная Счетчик увеличивается на величину шага. Если она достигает величины КонЗнач, то цикл завершается и выполняются следующие за ним операторы. 
         Циклы с условием. Часто бывает так, что необходимо повторить тело цикла, но заранее неизвестно, какое количество раз это надо сделать. В таких случаях количество повторений зависит от некоторого условия. Этот цикл реализуется с помощью инструкции Do... Loop.     
         придают одному и тому же условию противоположный смысл. Ключевое слово While обеспечивает выполнение цикла до тех пор, пока выполняется условие, т. е. пока условие имеет значение истина. В этом случае условие является условием продолжения цикла. Как только условие примет значение ложь, выполнение цикла закончится. 
         Ключевое слово Until обеспечивает выполнение цикла до тех пор, пока не выполняется условие, т. е. пока условие имеет значение ложь. В этом случае условие становится условием завершения цикла. Как только условие примет значение истина, выполнение цикла закончится. 
    

сновы языка программирования (алфавит, операторы, типы данных и т. д.).  
 
    Языки программирования — это формальные языки, кодирующие алгоритмы в привычном для человека виде (в виде предложений). Язык программирования определяется заданием алфавита и точным описанием правил построения предложений (синтаксисом). 
         В алфавит языка могут входить буквы, цифры, математические символы, а также так называемые ключевые слова If (если), Then (тогда), Else (иначе) и др. Из исходных символов (алфавита) по правилам синтаксиса строятся предложения, обычно называемые операторами. Например, оператор условного перехода: 
         If A>B Then X=A+B Else X=A*B 
         Алгоритмические языки программирования, или их еще называют структурные языки программирования, представляют алгоритм в виде последовательности основных алгоритмических структур — линейной, ветвления, цикла. 
         Различные типы алгоритмических структур кодируются на языке программирования с помощью соответствующих операторов: ветвление — с помощью оператора If-Then-Else, цикл со счетчиком с помощью оператора For-Next и т. д. Операторы, кроме ключевых слов, иногда содержат арифметические, строковые и логические выражения. 
         Арифметические выражения могут включать в себя числа, переменные, знаки арифметических выражений, стандартные функции и круглые скобки. Например, арифметическое выражение, которое позволяет определить величину гипотенузы прямоугольного треугольника, будет записываться следующим образом: SQR(A*A+B*B). 
         В состав строковых выражений могут входить переменные строкового типа, строки (строками являются любые последовательности символов, заключенные в кавычки) и строковые функции. Например: "инф'+Mid ("информатика", 3,5) +strA. 
         Логические выражения, кроме логических переменных, нередко включают в себя числа, числовые или строковые переменные или выражения, которые сравниваются между собой посредством операций сравнения (>, <, =, >=, <= и т. д.). 
         Логическое выражение принимает лишь одно из двух значений: истина или ложь. Например: 5 > 3 — истинно; 2-2 = 5 — ложно. 
         Над элементами логических выражений могут производиться логические операции, которые обозначаются следующим образом: логическое умножение — And, логическое сложение — Or и логическое отрицание — Not. 
         В языках программирования используются различные структуры данных: переменная, массив и др. Переменные задаются именами, которые определяют области памяти, в которых хранятся их значения. Значениями переменных могут быть данные различных типов (целые или вещественные числа, строки, логические значения). Соответственно переменные бывают различных типов: целочисленные (А%=5), вещественные (А=3 .14), строковые (А$="информатика"), логические (A=True). 
         Массивы являются набором однотипных переменных, объединенных одним именем. Массивы бывают одномерные, которые можно представить как одномерные таблицы, и двумерные, которые можно представить как двумерные таблицы. Массивы также могут быть различных типов: целочисленные, вещественные, строковые и т. д. 
         Объектно-ориентированное программирование — это развитие технологии структурного программирования, однако оно имеет свои характерные черты. Основной единицей в объектно-ориентированном программировании выступает объект, который заключает в себе, инкапсулирует как описывающие его данные (свойства), так и средства обработки этих данных (методы). 
         Важное место в технологии объектно-ориентированного программирования занимает событие. В качестве событий можно рассматривать щелчок кнопкой мыши на объекте, нажатие определенной клавиши, открытие документа и т. д. Как реакция на события вызывается определенная процедура, которая может изменять свойства объекта, вызывать его методы и т. д. 
         В системах объектно-ориентированного программирования обычно используется графический интерфейс, который позволяет визуализировать процесс программирования. Появляется возможность создавать объекты, задавать им свойства и поведение с помощью мыши. 
    

Электронные таблицы. Назначение и основные функции.  
 
    Электронная таблица — это программа обработки числовых данных, хранящая и обрабатывающая данные в прямоугольных таблицах. 
         Электронная таблица состоит из столбцов и строк. Заголовки столбцов обозначаются буквами или сочетаниями букв (A, G, АВ и т. п.), заголовки строк — числами (1, 16, 278 и т. п.). Ячейка — место пересечения столбца и строки. 
         Каждая ячейка таблицы имеет свой собственный адрес. Адрес ячейки электронной таблицы составляется из заголовка столбца и заголовка строки, например: А1, F123, R1. Ячейка, с которой производятся какие-то действия, выделяется рамкой и называется активной. 
         Типы данных. Электронные таблицы позволяют работать с тремя основными типами данных: число, текст и формула. 
        Числа в электронных таблицах Excel могут быть записаны в обычном числовом или экспоненциальном формате, например: 195,2 или 1,952Е + 02. По умолчанию числа выравниваются в ячейке по правому краю. Это объясняется тем, что при размещении чисел друг под другом (в столбце таблицы) удобно иметь выравнивание по разрядам (единицы под единицами, десятки под десятками и т. д.). 
         Текстом в электронных таблицах Excel является последовательность символов, состоящая из букв, цифр и пробелов, например запись «32 Мбайт» является текстовой. По умолчанию текст выравнивается в ячейке по левому краю. Это объясняется традиционным способом письма (слева направо). 
         Формула должна начинаться со знака равенства и может включать в себя числа, имена ячеек, функции (Математические, Статистические, Финансовые, Дата и время и т. д.) и знаки математических операций. Например, формула «=А1+B2» обеспечивает сложение чисел, хранящихся в ячейках А1 и B2, а формула «=А1*B» — умножение числа, хранящегося в ячейке А1, на 5. При вводе формулы в ячейке отображается не сама формула, а результат вычислений по этой формуле. При изменении исходных значений, входящих в формулу, результат пересчитывается немедленно. 
         Абсолютные и относительные ссылки. В формулах используются ссылки на адреса ячеек. Существуют два основных типа ссылок: относительные и абсолютные. Различия между ними проявляются при копировании формулы из активной ячейки в другую ячейку. 
         Относительная ссылка в формуле используется для указания адреса ячейки, вычисляемого относительно ячейки, в которой находится формула. При перемещении или копировании формулы из активной ячейки относительные ссылки автоматически обновляются в зависимости от нового положения формулы. Относительные ссылки имеют следующий вид: А1, BЗ. 
         Абсолютная ссылка в формуле используется для указания фиксированного адреса ячейки. При перемещении или копировании формулы абсолютные ссылки не изменяются. В абсолютных ссылках перед неизменяемым значением адреса ячейки ставится знак доллара (например, $А$1). 
         Если символ доллара стоит перед буквой (например: $A1), то координата столбца абсолютная, а строки — относительная. Если символ доллара стоит перед числом (например, А$1), то, наоборот, координата столбца относительная, а строки — абсолютная. Такие ссылки называются смешанными. 
         Пусть, например, в ячейке С1 записана формула =A$1+$J31, которая при копировании в ячейку D2 приобретает вид =В$1+$B2. Относительные ссылки при копировании изменились, а абсолютные — нет. 
         Сортировка и поиск данных. Электронные таблицы позволяют осуществлять сортировку данных. Данные в электронных таблицах сортируются по возрастанию или убыванию. При сортировке данные выстраивают - ся в определенном порядке. Можно проводить вложенные сортировки, т. е. сортировать данные по нескольким столбцам, при этом назначается последовательность сортировки столбцов. 
         В электронных таблицах возможен поиск данных в соответствии с указанными условиями — фильтрами. Фильтры определяются с помощью условий поиска (больше, меньше, равно и т. д.) и значений (100, 10 и т. д.). Например, больше 100. В результате поиска будут найдены те ячейки, в которых содержатся данные, удовлетворяющие заданному фильтру. 
         Построение диаграмм и графиков. Электронные таблицы позволяют представлять числовые данные в виде диаграмм или графиков. Диаграммы бывают различных типов (столбчатые, круговые и т. д.); выбор типа диаграммы зависит от характера данных.