ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Сферы применения компьютеров, которые рассмотрены в предыдущих темах курса «Основы информатики и вычислительной техники» (создание текстовых документов, баз данных, графических иллюстраций и др.), позволяют решать, хотя и важный, но весьма ограниченный набор типовых задач без овладения навыками программирования. Вместе с тем, стремительный научно-технический прогресс был бы невозможен без широкого использования вычислительной техники для автоматизации проектирования самых разнообразных изделий, управления их производством и проведения научных исследований. Существует необозримое множество как сложных, так и относительно простых задач, которые имеют частный, прикладной характер и для решения которых недостаточно навыков, полученных при решении типовых задач. Целью данной темы курса является развитие понимания того, как правильно ставить и решать прикладные задачи. Это важно не только с точки зрения более профессионального использования компьютера, но ценно и в интеллектуальном плане, как приобретение умения грамотно формулировать и эффективно решать различные, в том числе и некомпьютерные задачи. 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ 1.1
Понятие информационной модели Окружающий нас мир чрезвычайно сложен и законы, по которым он существует, до конца не познаны. Однако знания, которые накапливает каждый человек в отдельности и все человечество в целом, развиваются от «простого к сложному». Ребенок начинает постигать мир с помощью игрушек, которые являются упрощенной моделью животных, машин, строений и т. д. Конструкторы самолета изучают нагрузки, которые он будет испытывать в полете, продувая модель самолета в аэродинамической трубе. Аналогично поступают кораблестроители, испытывая модели судов в специальных бассейнах. Таких примеров можно привести множество. В общем случае Моделью (в широком смысле) называется представление наиболее существенных свойств объекта в такой упрощенной форме, которая позволяет выполнить теоретические и экспериментальные исследования. Модель по определению является упрощенным представлением, но упрощение допустимо лишь в такой степени, пока оно не искажает существенных свойств. Какие из свойств являются существенными, а какими можно пренебречь – зависит от целей, для достижения которых создается модель. Рассмотрим относительно простой объект – светильник, который должен обеспечить заданную освещенность на заданном расстоянии. Модель такого объекта должна в первую очередь учитывать число ламп, яркость их свечения, отражающую способность внутренней поверхности светильника, поглощение света плафоном. Однако, кроме светотехнических характеристик, при проектировании светильника необходимо учитывать и теплотехнические характеристики, поскольку большая часть потребляемой электроэнергии превращается в тепло. С этой точки зрения существенным свойством лампы является не яркость свечения, а количество выделяемого тепла, в частности, передаваемого за счет теплопроводности патрону. Учет этого свойства важен для правильного выбора патрона и в конечном итоге может повлиять на выбор числа и мощности ламп. Понятие объекта в определении модели весьма многообразно. Оно может означать материальные объекты (как упомянутые выше модели самолета и корабля). В этом случае речь идет о материальных (предметных) моделях. Однако по мере накопления знаний появляется возможность описать (в допустимо упрощенной форме) строение, свойства и поведение реальных объектов теоретическими закономерностями, в частности, математическими соотношениями, то есть заменить материальные модели математическими моделями. «Книга жизни написана на языке математики»,– эти слова принадлежат Галилею – великому естествоиспытателю прошлого – и развитие науки подтверждает их справедливость. Математической моделью объекта называются математические соотношения (например, уравнения), которые описывают поведение объекта и определяют его существенные свойства. Замена материальных моделей математическими моделями получила очень широкое распространение, поскольку позволяет значительно быстрей получить требуемые сведения об объекте, чем изготовление и натурные испытания его материальной модели. Наглядным примером может служить рассмотренный объект «светильник», который можно спроектировать на основе известных физических законов, представленных математическими соотношениями, без изготовления материальной модели. Необходимо также отметить, что математическое моделирование позволяет предсказать свойства объекта не только в обычных, но и в критических ситуациях, приводящих к разрушению материальных моделей.
1