Теоретическая информатика.

Теоретическая информатика — математи­ческая дисциплина использующая методы мате­матики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации.

Сама теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разде­лить на пять классов.

A. К первому классу относятся дисциплины, опирающиеся на математическую логику. В них разрабатываются методы, позволяющие использо­вать достижения логики для анализа процессов пе­реработки информации с помощью компьютеров (теория алгоритмов, теория параллельных вычис­лений), а также методы, с помощью которых можно на основе моделей логического типа изучать про­цессы, протекающие в самом компьютере во время вычислений (теория автоматов, теория сетей Петри).

B. Это вычислительная математика и вычислительная геометрия. Слово "вычислительная" подчеркивает, что эти науки на­правлены на создание методов, ориентированных на реализацию в компьютерах.

C. Специально изучением информации как та­ковой (т. е. в виде абстрактного объекта, лишенного конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих ее рождением, развитием и уничтожением, занимает­ся теория информации. К этой науке близко при­мыкает теория кодирования, в задачу которой входит изучение тех форм, в которые может быть "отлито" содержание любой конкретной информа­ционной единицы (передаваемого сообщения, гра­нулы знаний и т. п.). В теории информации имеется раздел, специально занимающийся теоретическими вопросами передачи информации по различным ка­налам связи.

D. Переход от реальных объектов к моделям, которые можно использовать для изучения и реа­лизации в компьютерах, требует развития особых приемов. Их изучением занимается системный анализ — наука, возникшая чуть более трех десяти­летий назад. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и дает способы их формализованного описания. Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых по­зиций. Системный анализ занимает пограничное положение между теоретической информатикой и кибернетикой. Такое же пограничное положение занимают еще две дисциплины. Имитационное моделирова­ние — одна из них. В этой науке создаются и ис­пользуются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в вычислительных машинах. Вторая наука — теория массового обслуживания изучает специальный, но весьма широкий класс моделей передачи и перера­ботки информации, так называемые системы мас­сового обслуживания.

E. Последний класс дисциплин, входящих в теоретическую информатику, ориентирован на ис­пользование информации для принятия решений в самых различных ситуациях, встречающихся в ок­ружающем нас мире. Сюда, прежде всего, входит теория принятия решений, изучающая общие схе­мы, используемые людьми при выборе нужного им решения из множества альтернативных возможно­стей. Такой выбор часто происходит в условиях кон­фликта или противоборства. Модели такого типа изучаются в теории игр. Всегда хочется среди всех возможных решений выбрать наилучшее или близкое к такому. Про­блемы, возникающие при решении этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование (не путать с программированием для компьютеров, слово "про­граммирование" здесь употребляется в ином смыс­ле). При организации поведения, ведущего к нужной цели, принимать решения приходится мно­гократно. Поэтому выбор отдельных решений дол­жен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их исполь­зованием для достижения поставленных целей за­нимается еще одна научная дисциплина — исследование операций. В этой же науке изучаются и способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то возникает немало специфических ситуаций: образование партий, коалиций, появле­ние соглашений и компромиссов. Эти проблемы частично изучаются в уже упомянутой теории игр, но в последнее время активно развивается новая дисциплина — теория коллективного поведения, для которой задачи коллективного принятия реше­ний — предмет специального изучения.

Кибернетика.

Кибернетика может рассматриваться как при­кладная информатика в области создания и исполь­зования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом (станком, про­мышленной установкой, автомобилем и т. п.) до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, систе­мами связи и даже сообществами людей.

Кибернетика возникла в конце 40-х гг., когда Н. Винер впервые выдвинул идею о том, что системы управления в живых, не­живых и искусственных системах обладают многи­ми общими чертами. Установление аналогий обещало создание " общей теории управления ", ре­зультаты которой могли бы использоваться в самых разнообразных системах.

Эта идея получила подкрепление, когда появи­лись компьютеры, способные единообразно решать самые разные задачи. Универсальность компьютер­ных вычислений наталкивала на справедливость ги­потезы о существовании универсальных схем управления.

Эта гипотеза не выдержала проверку вре­менем, но накопленные в кибернетике сведения о самых разных системах управления, общие прин­ципы, которые частично все-таки удалось обнару­жить, замена узкопрофессиональной точки зрения специалиста в данной области на взгляд с позиции общности внешне разнородных объектов и систем принесли большую пользу. Перенос идей и моделей из одних областей в другие, общение между собой специалистов разного профиля на некотором еди­ном языке кибернетики сделали свое дело. Появи­лись кибернетические по своему духу модели в науках, доселе не знавших точных методов и рас­четов. Кибернетика сыграла большую роль в воз­никновении структурной лингв истики, в недрах которой активно развиваются математическая лингвистика и прикладная лингвистика. Возникли научные направления, получившие характерные названия: химическая кибернетика, юридическая кибернетика, техническая кибернетика и т. п. Все эти "кибернетики" изучают использование инфор­мации при управлении в том классе систем, кото­рый изучает соответствующая наука. А общая методология и ряд общих положений помогают по­лучать в этом направлении теоретически и практи­чески значимые результаты.

Наиболее активно развивается техническая ки­бернетика. В ее состав входит теория автоматиче­ского управления, которая стала теоретическим фундаментом автоматики. Трудно переоценить важность исследований в этой области. Без них не­возможны были бы достижения в области приборо­строения, станкостроения, атомной энергетики да, пожалуй, всех тех систем управления промышлен­ными процессами и научными исследованиями, которые составляют значительную часть среды оби­тания человека. С теорией автоматического управ­ления связана техническая диагностика, в задачи которой входит контроль за функционированием систем и поиск повреждений в них.

Заметное место в кибернетике занимает рас­познавание образов. Основная задача этой дисцип­лины — поиск решающих правил, с помощью которых можно было бы классифицировать много­численные явления реальности, соотносить их с не­которыми эталонными классами. Распознавание образов — это пограничная наука между киберне­тикой и искусственным интеллектом, ибо поиск решающих правил чаще всего осуществляется пу­тем обучения, а обучение, конечно, интеллектуаль­ная процедура. В кибернетике выделяется даже специальная область исследований, получившая название обучение на примерах.

Еще одно научное направление тесно связы­вает кибернетику с биологией. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых. Насколько принципы работы жи­вых систем могут быть использованы в искусст­венных объектах? Что можно заимствовать у талантливого конструктора живых систем — При­роды? Ответы на эти вопросы ищет бионика — по­граничная наука между кибернетикой и биологией. Нейрокибернетика, как показывает ее название, пытается применить кибернетические модели в изучении структуры и действия нервных тканей.

Кибернетика, как уже говорилось, больше все­го интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких систе­мах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчи­вость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность — ха­рактерное свойство не только живых, но и целесо­образных искусственных систем. Упоминавшаяся уже теория автоматического управления в своей значительной части есть наука о достижении устой­чивых состояний и способах их сохранения.Особенно сложен случай, когда равновесие до­стигается путем взаимодействия многих систем, со­перничающих и даже конфликтующих между со­бой. Модели такого типа рассматриваются в теории игр или в системах взаимодействующих устройств различного типа (Коллективное поведение ав­томатов). Общие модели такого типа рассматри­ваются в гомеостатике — недавно возникшей и еще находящейся в стадии оформления науке.

Программирование.

Это научное направ­ление своим появлением полностью обязано вы­числительным машинам. Именно с ними связано программирование. (Правда этот термин встре­чается и в другом смысле, когда говорится о математическом программировании, линейном программировании и т.п., т.е. о программирова­нии как специальной вычислительной процедуре. Встречаются и иные случаи использования термина "программирование". Например, одно время весь­ма популярным методом обучения было програм­мированное обучение.).

В начальный период своего развития програм­мирование не имело под собой прочной теоретиче­ской базы и напоминало труд ремесленников высшей квалификации, когда качество работы определяется не знаниями, а профессиональным умением. Но с накоплением опыта программи­рования нащупывались общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компь­ютеров и в самих процедурах программирования. Это повлекло за собой постепенное создание теоретического программирования, в котором сейчас можно выделить несколько направлений.

Одно из них связано с созданием разнообраз­ных языков программирования, предназначенных для облегчения взаимодействия человека с вычис­лительной машиной и информационными систе­мами. Кроме разработки языка, на котором пользователь записывает программы, необходимы еще специальные средства, обеспечивающие ав­томатический перевод записи программы на неко­тором языке программирования в форму, воспринимаемую устройствами компьютера. Этот перевод осуществляется специальными программ­ными системами — трансляторами, разработка которых, как и создание языков программирования и решение еще целого ряда задач, связанных с обес­печением взаимодействия пользователя и машины, есть поле деятельности системных программистов. (Системное программирование — особая отрасль, в которой трудятся профессионалы высокого уров­ня, создающие программный продукт, тиражиру­емый вместе с математическим обеспечением).

Другая область деятельности системных про­граммистов — создание операционных систем, без которых не может функционировать никакая вы­числительная машина. Программисты такого про­филя работают, как правило, на тех фирмах и в тех организациях, где производятся или разрабатыва­ются компьютеры.

Тенденцией последних десятилетий стал пере­ход от отдельных вычислительных машин к объе­динениям многих разнотипных машин в единую сеть сбора, обработки и передачи данных. Такая сеть напоминает развитую сеть связи. Она содержит в себе специальные каналы и сопутствующие им ус­тройства для организации обмена данными между машинами. Для того чтобы различные компьютеры "понимали" сообщения друг друга, нужны специ­альные языки, записи на которых одинаково понят­ны всем абонентам сети. Такие языки называются протоколами связи. Разработкой протоколов также занимаются системные программисты.

Кроме системного выделяют проблемно-ориен­тированное программирование. Специалисты, ра­ботающие в этой сфере, создают пользовательские программы, нацеленные на решение задач в той или иной области человеческой деятельности, например для решения задач из области аэромеханики, банковских задач, задач медицинской диагностики и т. п. Эти же программисты создают специальные пакеты прикладных программ — удобное средство для пользователя, работающего в фиксированной проблемной области.

Наконец, большой отряд программистов связан с созданием программ для разного рода информа­ционных систем, например для банков данных.