| Билет №1. Понятие информации. Виды информации, ее свойства, классификация. Информационные процессы. Передача информации. Информационная система, управление, обратная связь.
Билет №2. Понятие о кодировании информации. Позиционные и непозиционные системы счисления. Двоичная арифметика. Билет №3. Подходы к изменению информации. Преимущества и недостатки вероятного и алфавитного подходов к измерению информации. Единицы измерения информации. Скорость передачи информации. Пропуская способность канала связи. Билет №4. Понятие алгоритма: свойство алгоритмов, исполнителя алгоритмов. Автоматическое исполнение алгоритма. Способы описания алгоритмов. Основные алгоритмические структуры и их реализация на языке программирования. Оценка эффективности алгоритмов. Билет №5. Язык программирования. Типы данных. Реализация основных алгоритмических структур на языке программирования. Основные этапы разработки программ. Билет №6. Технология программирования. Структурное и объектно-ориентированное программирование. Процедуры и функции. Локальные и глобальные переменные. Билет №7. Типы данных. Структуры данных. Обработка массивов. Итеративные и рекурсивные алгоритмы обработки массивов. Многомерные массивы. Билет №8. Основные понятия и операции формальной логики. Законы логики. Логические переменные. Логические выражения и их преобразования. Построение таблиц истинности логических выражений. Билет №9. Логические элементы и схемы. Типовые логические устройства компьютера: полусумматор, сумматор, триггеры, регистры. Описание архитектуры компьютера с опорой на составляющие ее логические устройства. Билет №10. Моделирование как метод познания. Информационные модели. Основные этапы компьютерного моделирования. Билет №11. Информационные основы управления. Общие принципы управления. Роль обратной связи в управлении. Замкнутые и разомкнутые системы управления. Самоуправляемые системы, их особенности. Понятие о сложных системах управления, принцип иерархичности систем. Самоорганизующиеся системы. Билет №12. Архитектура современных компьютеров. Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Безопасность, гигиена, эргономика, ресурсосбережение, технологические требования при эксплуатации компьютерного рабочего места. Комплектация компьютерного рабочего места в соответствии с целями его использования. Билет №13. Компьютерные сети. Аппаратные средства компьютерных сетей. Топология локальных сетей. Характеристики каналов (линий) связи. Профессии, связанные с обеспечением эксплуатации сетей. Билет №14. Основные этапы становления информационного общества. Информационные ресурсы государства, их структура. Образовательные информационные ресурсы. Информационная этика и право, информационная безопасность. Правовые нормы, относящиеся к информации, правонарушения в информационной сфере, меры их предотвращения. Билет №15. Классификация и характеристика программного обеспечения компьютера. Взаимосвязь аппаратного и программного обеспечения компьютера. Многообразие операционных систем. Понятие о системном администрировании. Программные и аппаратные средства для решения различных профессиональных задач. Билет №16. Компьютерные вирусы и антивирусные программы. Специализированное программное обеспечение для защиты программ и данных. Технологии и средства защиты информации в глобальной локальной компьютерных сетях от разрушения, несанкционированного доступа. Билет №17. Понятие файла. Файлы прямого и последовательного доступа. Файловый принцип организации данных. Операции с файлами. Типы файлов. Аппаратное обеспечение хранения данных и функционирования файловой системы. Билет №18. Виды профессиональной информационной деятельности человека и используемые инструменты (технические средства и информационные ресурсы). Профессии, связанные с построением математических и компьютерных моделей, программированием, обеспечением информационной деятельности людей и организаций. Билет №19. Кодирование графической информации. Растровая и векторная графика. Средства и технологии работы с графикой. Создание и редактирование графических информационных объектов средствами графических редакторов, систем презентационной и анимационной графики. Форматы графических файлов. Способы сжатия. Билет №20. Кодирование звуковой информации. Форматы звуковых файлов. Ввод и обработка звуковых файлов. Использование инструментов специального программного обеспечения и цифрового оборудования для создания и преобразования звуковых файлов. |
Билет №5 Язык программирования. Типы данных. Реализация основных алгоритмических структур на языке программирования. Основные этапы разработки программ Язык программирования — это набор правил для описания алгоритмов решения задачи с помощью ЭВМ. Как известно (см. билет №12), одним из базовых принципов архитектуры современных компьютеров до сих пор остается двоичный характер любой использованной информации, причем программа обработки также представляет собой двоичный код. Тем не менее программирование в двоичных кодах – занятие необычайно утомительное и предназначены языки программирования, используя которые человеку проще описать алгоритм решения задачи. Переход от языковых конструкций к машинным командам осуществляет специальная программа – транслятор языка. В соответствии с устройством языка ( точнее говоря, со степенью его близости машине или человеку) различают языки низкого и высокого уровня. Языки низкого уровня, называемые еще машинными (или Машинно-ориентированными) языками, — это языки, которые компьютер воспринимает непосредственно, т.е. языки машинных команд данной модели компьютера. Языки высокого уровня, напротив, ближе к естественному (человеческому); они не зависят от конкретного типа машины. Языком низкого уровня существует множество: Фортран, Алгол, Бейсик, Паскаль, Си, Ада, Пролог, Лисп, Ява и др. Один и тот же язык программирования может быть реализован по-разному даже на одном и том же компьютере (пример: GW Basic и QBasic). В синтаксисе различных реализаций допускается некоторые второстепенные отличия. Одна из книг выдающегося специалиста по разработке языков программирования Никлауса Вирта (кстати, создателя языков Паскаль, Модула, Эйлер и Оберон) очень емко и глубоко названа «Алгоритмы + структуры данных = программы». Таким образом, в теории программирования налицо две взаимосвязанные составляющие прогресс решения задачи: собственно данные и инструкции по их обработке, т.е. алгоритм. Рассмотрение начнем с первой составляющей – данных. Одно из главнейших свойств алгоритма состоит в том, что он по определенным правилам преобразует исходные (входные) данные в выходные (чаще говорят – в результат). При этом в процессе выполнения алгоритма может потребовать создать некоторые рабочие (промежуточные) данные, которые будут необходимы только в ходе обработки, а после ее завершения потеряет свое значение. Кроме того, для некоторых алгоритмов аргумент может одновременно являться и результатом (например: увеличить все элементы массива вдвое), что приводит к существованию еще одной разновидности данных. Описанное нами четкое функциональное разделение данных имеется в любом школьном учебнике. Перечисленные выше категории у А.Г. Кушниренко названы видами величин. «Вид величины показывает ее информационную роль в алгоритме». В конкретном языке программирования каждой величине соответствует своя переменная. Помимо вида, каждая величина в алгоритме имеет свой тип. Процитируем еще раз учебник: «Тип величины показывает, какие значения может принимать величина и какие операции можно с ней выполнять» Кратко перечислим основные типы данных, использующих в алгоритмических языках. Для вычислений используются различные числовые типы данных. Этот тип возник в ЭВМ самым первым, поэтому неудивительно, что он включает в себя достаточное количество разновидностей. Прежде всего назовем вещественные и целые числа. Последние могут быть как содержащими знак, так и без знаковыми. В качестве примера вспомним в Турбо Паскале типы integer (значения от -32 768 до 32 767) и word (от 0 до 65 535). Кроме того, конкретные реализации языков программирования чаще всего содержат несколько разновидностей целых и вещественных данных, что связанно с различным объемом памяти, выделяемым для них. В качестве самого простого примера назовем вещественные числа обычной и двойной точности в языке Basic. Наконец, для иллюстрации многообразия числовых данных упомянем введенный в Delphi тип currency(валюта), специально предназначенный для максимально точного хранения значений денежных сумм и вычисления процентов от них. Еще одна категория данных, которая часто используется в программировании, это символьные величины. В зависимости от конкретного языка программирования такие данные могут иметь некоторые не очень существенные особенности, но все они служат для хранения и организации обработки текстовой информации. Наконец, очень важным типом данных для построения программ со сложной структурой являются логические величины. Их часто называют булевскими в честь ирландского математика Д. Буля, который был основоположником алгебры логики. Хотя логические переменные имеют всего два значения – «ложь» и «истина», без них в языках программирования не было бы ни полноценной развилки, ни цикла. В современных реализациях языков программирования появился особый тип данных – вариантный, который может принимать любые (числовые, символьные и т.д.) значения, причем тип текущего значения также хранятся в самой переменной и может быть запрошен программистом. Подобный тип данных лежит в основе языка VBA (Visual Basic for Applications); на его базе реализуется общий формат ячеек электронной таблицы Excel. До сих пор мы говорили о том, какие значения могут завывать и о второй части определения, а именно о том, какие действия можно совершать над каждым из них. Поскольку это довольно простая часть вопроса, ограничимся лишь парой примеров. Для целых и вещественных типов данных операции деления различны; они даже по-разному обозначаются: в языке Паскаль «div» и «/» соответственно. Или другой пример. Если для чисел вывести результат действия 123+45,то получится 168, в то время как для строковых значений «123»+«45» приведет к появлению на экране совсем другой результирующей строки: «12345». Здесь, наоборот, операции с одинаковым обозначением производят над различными типами данных разные действия. В рассмотренные выше типы данных являются простыми. Языки программирования позволяют сконструировать и сложные типы данных, причем для этого можно объединять как несколько простых, так и другие сложные данные. Самым известным сложным типом является массив из логических величин. Кстати, конструкция массив из массивов также является вполне не допустимой. Более подробно сложные типы данных будут рассмотрены в билете №7. На стандартный простой тип можно непосредственно ссылаться, а для сложного типа требуется предварительно описывать его структуру. Отменив попутно, что типы данных не всегда определены заранее. Во многих языках существует возможность определения собственного типа данных. Зачем нужны типы данных? «Прежде всего они указывают, как кодировать данные в ЭВМ при их вводе и трансляции программ и как декодировать данные при их выводе и исполнении программ. …Благодаря этому кодированию становится возможным контроль над многими ошибками в программе. Зная тип переменной, присваивается неправильная операция… и выдать программисту сообщение об ошибке». Для обработки данных используются различные алгоритмы. Любой алгоритм состоит из последовательности команд, которые часто по-другому называют операторами. Набор операторов в различных языках программирования, как ни странно, относительно невелик и примерно одинаков. Основу любого алгоритмического языка составляет оператор присваивания. Именно он позволят изменять значения данных программы и тем самым получать результат решения задачи. Как метко сказано, «удивительно, что в обычных языках программирования есть только один оператор, который фактически что-то делает, — оператор присвоения. Все другие операторы, такие, как условные операторы и вызовы процедур, существуют только для того, чтобы управлять последовательностью выполнения операторов присваивания». Чтобы получить простейшую законченную линейную программу, к операторам присваивания надо добавить какие-то средства ввода-вывода значений переменных. Ввод и вывод информации для различных языков отличаются наиболее сильно. Так, например, в языке для ввода и вывода существуют особые операторы input и print, а в Паскале и Си для этой цели предусмотрены специальные системные процедуры. Для организации разветвляющихся и циклических участков алгоритма в языках программирования предусмотрены специальные операторы, которые обычно называются управляющими. К ним относятся имеющиеся в любом алгоритмическом языке условный оператор (дополненный, как правило, некоторой разновидностью – конструкцией выбора) и несколько видов циклов. Помимо этого стандартного обязательного набора, могут существовать и другие операторы. В частности, отменим оператор безусловного перехода goto, который хотя и есть практически в любом языке, но фактически является «запрещенным»: дело в том, что его применение существенно усложняет чтение программы, тогда как перечисленные выше стандартные конструкции вполне позволяют без него обойтись. В теории программирования строго доказывается, что для реализации любого алгоритма достаточно всего трех стандартных структур: следования (операторы выполняются в строгом соответствии с порядком написания), ветвления и цикла. Рассмотрим в качестве примера реализацию этих базовых структур на языке Паскаль. Условный оператор, обеспечивающий реализацию ветвления в алгоритмах, в рассматриваемом языке программирования имеет вид: IF THEN ELSE -причем ветвь с ELSE не является обязательной. Рассказывая о структуре условного оператора, стоит подчеркнуть два момента. Во-первых, логическое выражение совсем не обязательно представляет собой математическое неравенство типа x>0 — оно вполне может содержать еще и булевские переменные, а также объединять несколько логических величин с помощью операций AND, OR NOT. Во-вторых, согласно синтаксису языка в качестве операторов 1 и 2 может использоваться только один оператор. Когда для программиста этого недостаточно, разрешается создавать так называемый составной оператор, заключая необходимое количество операторов внутри служебных слов BEGIN…END. . Приведем несколько конкретных вариантов записи условного оператора. IF x = 0 THEN WRITELN (‘Нулевое значение!‘) ELSE y : = 1∕x ; IF x 0 THEN y : = 1/x ELSE WRITELN (‘ ‘Нулевое значение!‘) IF n1 < n2 THEN BEGIN n1 : = n1 +1; n2: = n2 — 1 END; IF control AND (x1 > 0) AND (x2 > 0) AND (dx > 0) THEN WRITELN (‘Все параметры положительны‘) ( в последнем случае подразумевается, что переменная control является логической). Рассмотрим теперь операторы цикла. Имеется их три основных вида: с предусловием, с постусловием и с параметром. Соответствующий синтаксис перечисленных разновидностей циклов приведен ниже. WHILE DO REPEAT UNTIL < логическое выражение> FOR := TO DO Правила записи логических выражений для циклов такие же самые, что и описанные выше для условного оператора. Заметим, что пара операторов REPEAT…UNTIL по смыслу эквивалентна «операторным скобкам» BEGIN…END, так что внутри данной конструкции допускается запись сразу нескольких операторов. Данная особенность цикла с постусловием является исключением из общего правила. Цикл с параметром организует автоматическое изменение некоторой переменной ( параметра цикла). Такая конструкция особенно удачно подходит для последовательного перебора всех значений индексов, что существенно облегчает работу с массивами. Несколько примеров операторов цикла. WHILE dy > eps DO BEGIN n : = n + 1; dy : = 1/ (n * n) ; y : = y + dy END; REPEAT READLN (s); res : = res s UNTIL s = ‘ . ‘ ; FOR i : = 1 TO n – 1 do READLN (m [i] ) ; FOR s := ‘A‘ TO ‘Z‘ DO WRITE (s) ; В других языках программирования правила записи операторов управления во многом аналогичны. Чаще всего при написании реальной прикладной программы (здесь речь не идет об учебных упражнениях типа «в массиве найти максимальный элемент») требует не только программирование. Дело в том, что взятая из жизни задача обычно не представлена в форме, немедленно готовой к решению на компьютере: приходится сначала получать ее, выбирая при этом подходящий метод. Кроме того, когда программа будет написана, введена и отлажена, потребуется провести анализ полученных числовых результатов и сделать выводы относительно исходной задачи. В итоге можно выделить следующие основные этапы разработки программ. 1. Постановка задачи (выяснение наиболее существенных ее параметров и закономерностей, влияющих на изучаемую ситуацию; формулировка целей решения и определение необходимых для этого данных) 2. Математическая формализация (запись основных закономерностей в математической формуле: в виде уравнений, соотношений, связей, условий). 3. Выбор компьютерного метода (обычно данный этап требуется , поскольку получившаяся математическая задача нуждается в преобразовании в эквивалентную форму, пригодную для обработки на компьютере,- например, дифференциальные уравнения приводятся к алгебраическим формулам, а для статистического моделирования требуется реализация датчика случайных чисел) 4. Построение алгоритма. 5. Составление программы на языке программирования. 6. Отладка и тестирование программы (установление синтаксических и логических ошибок, анализ полученных результатов на предмет согласованности с имеющимися в науке закономерностями и ране надежно установленными результатами; если необходимо – «ручная» проверка результатов для простейших случаев) 7. Проведение расчетов и анализ полученных результатов (все предшествующие этапы выполнялись с целью получить сведения о некотором реальном предмете или явлении, а не просто провести вычисления.) Примечание. Приведенная схема первоначально возникла для решения чисто вычислительных задач, но, в силу своей общности, она применима и к другим задачам обработки информации. Например, создание информационной системы с незначительными оговорками вполне в нее укладывается. Проиллюстрируем описанную схему на примере некоторой конкретной задачи. Найдите распределение температуры во внутренних точках тонкого однородного стержня, считая, что стержень разбит на 5 отрезков и что на концах стержня температура равна 10 и 200. Начните с температуры 150 на всех отрезках. Выполните 5 шагов вычислений. Так же, как в случае пластины, исходите из предположения, что температура каждого отрезка равна среднему арифметическому температур соседних отрезков. 1. Рассматривается задача распределения температуры в тонком однородном стержне. Последнее обстоятельство позволяет считать, что искомое распределение температуры является функцией только одной координаты. Теплоотдачу окружающей среде вдоль стержня и остальные тепловые факторы предполагаем пренебрежимо малыми. Параметрами задачи является два значения температуры на концах стержня. 2. Процесс описывается одномерным уравнением теплопроводности с граничными условиями на концах стержня. Поскольку в физике его принято записывать в дифференциальном виде, то школьникам его представить затруднительно. К счастью, существует облегченный вариант, который даже с точки зрения физиков считается корректным: необходимо вместо дифференциального соотношения (для бесконечно малых величин) запись уравнения задачи в виде конечно-разностного аналога (для конечных, но малых разностей). Фактически это означает переход к следующему этапу. Поскольку данный этап в учебной задаче оказывается «свернутым», в учебниках его часто объединяют со следующим; подобный методический прием вполне допустим. 3. Задача формулируется в виде, пригодном для обработки на компьютере. Стержень разбивается на несколько отрезков, для каждого из которых записывается уравнение теплового баланса. В результате получается, что температура каждого отрезка равняется среднему арифметическому всех (в одномерном случае двух!) соседних, что описывается простой формулой Ti = (Ti-1+Ti+1) / 2 Где I – это номер отрезка, это номер отрезка, изменяющийся от 1 до некоторых значений. n . Последнее является «вычислительным» параметром задачи: в исходной формулировке его нет, но, поскольку результаты от него зависят, это влияние также необходимо проанализировать. Фактически для значений Ti мы получили систему из n связанных алгебраических уравнений, которую при больших n решить затруднительно. Поэтому решение предполагается производить итерационным методом, суть которого заключается в следующем. В начальный момент температура по всему стержню полагается однородной. Затем по выведенной формуле производится вычисление новых значений. Полученные значения температуры снова берутся в качестве исходных данных для дальнейших вычислений. Как правило, описанная процедура после некоторого количества повторений (итераций) k приводим к тому, что вычисляемые значении с практической тонностью перестают изменяться (математики говорят, что метод сходится). Подобные итерационные методы используются в научных расчетах весьма часто. Заметим, что при практической реализации метода удобно ввести два «фиктивных» граничных отрезка с номерами 0 и n + 1, в которые записать постоянные значения, взятые из условия задачи. Расчетные формулы применяются только для внутренних узлов с номерами от 1 до n. 4. Далее необходимо разработать алгоритм расчетов. Его возможная реализация показана в виде блок-схемы. 5. Написать программу по готовой блок-схеме, как правило, особого труда уже не представляет. Вот как, например, она может выглядеть на языке Паскаль. PROGRAM temp (IMRUT, OUTPUT) ; CONST n = 5 ; { количество отрезков } t0 = 10 ; tn = 20 ; tbeg = 15; VAR t : =ARRAY [0 . . n +1] OF REAL ; i , j, k : INTEGER; BEGIN t [0 ] : = t0; t[n+1] : = tn; FOR i : = 1 TO n DO t [i] : = tbeg ; READLN (k) ; { количество итераций } WRITELN (` n=` , n) ; FOR j : = 1 TO k DO BEGIN FOR I : = 1 TO n DO t [ i ] : = (t[i-1] = t[i+1] )/2; WRITE (j:2) ; FOR i : = 0 TO n + 1 DO WRITE (t[i] : 9:4) ; WRITELN END END. 6. Приведем теперь несколько рекомендаций по отладке и тестированию программы. Как только очевидные ошибки синтаксиса будут устранены и программа начнет считать, выдавая на экран необходимое количество чисел, можно заняться проверкой правильности проводимых расчетов. Для этого необходимо тщательно проверить выделенные на экран значения температуры: на границах стержня она должна равняться в точности 10 и 20 градусам, а значение во внутренних точках должны заключаться в интервале между ними. Интуитивно кажется (и расчет подтверждает это), что значение t I должны нарастать слева на право. Для проверки правильности вычислений можно без компьютера провести 1-2 итерации при небольших значениях n1. Заметим, что для откладки вполне годятся даже весьма неразумные с физической точки зрения значения вроде n=1. Когда все числа будут тщательно проверены, появится некоторая уверенность в том, что получаются правильные результаты. Остается дополнительно выяснить, как на них влияют «счетные» параметры n и k. Их следует подбирать не очень большими, но такими, чтобы изменение значения в 1,5-2 раза меняло результирующие температуры в пределах практически требуемой точности (1% для учебной задачи вполне достаточно). 7. Наконец, все вычислительные тесты позади и можно приступать к анализу физических результатов решения задачи. Построим график температуры вдоль стержня и убедимся, что он представляет собой прямую. Поменяем граничные температуры и проверим, как их значения влияют на температурное распределение. Подчеркнем, что без подобного анализа, о котором идет речь в данном пункте, решение задачи на компьютере особого смысла не имеет. |