Среди предметов, изучаемых информатикой, можно выделить относящиеся к теоретическому, прикладному и естественному ее разделам. Рассмотрим их подробнее.
Теоретическая информатика
Теоретическая информатика включает в себя такие темы, как:
- теория алгоритмов. Отталкиваясь от математического определения алгоритма как формализованного способа выполнять арифметические операции над числами, информатика расширяет это понятие и применяет к выполнению любых действий, которые могут быть запрограммированы; при этом применяются двоичное счисление и алгебра логики;
- теория кодирования. Чтобы оперировать информацией, нужно уметь представлять ее с помощью различных знаковых систем с конечным набором символов (алфавитов); любая такая система может быть преобразована в двоичную и представлена как данные для алгоритмической обработки;
- структуры данных. Математика описывает различные сложные объекты, такие как множества, матрицы, графы; информатика изучает возможности их использования в автоматизированных вычислениях и разрабатывает структуры, позволяющие реализовать математические сущности (массивы, векторы, очереди, кортежи и т.п.);
- теория языков программирования. Языки программирования, с одной стороны, облегчают "общение" человека и компьютера; с другой - могут быть источниками ошибок и аварий; задача информатики - сделать процесс преобразования исходного текста программы в машинный код безопасным и однозначным;
- формальные методы применяются при проектировании программного обеспечения, предшествующего написанию самого кода, а также для исследования уже имеющихся программ; такой подход дает возможность избежать ошибок в сложных компьютерных системах (например, при проектировании микропроцессоров), а также частично автоматизировать программирование.
Рисунок 1. Процессор Intel 8008 под микроскопом. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Прикладная информатика
Некоторые сферы исследований прикладной информатики:
Искусственный интеллект - разработки в области программного обеспечения, способного решать сложные задачи, требующие интуитивного подхода; такие программы способны обучаться и вырабатывать самостоятельные решения, не обусловленные жестким алгоритмом (распознавание речи и образов, синтез изображений и т.п.);
Архитектура компьютера и компьютерная инженерия. Развивающиеся информационные технологии требуют всё более мощного аппаратного обеспечения; для удовлетворения этой потребности проектируется и реализуется электронная элементная база со всё более высокой скоростью вычислений и всё более компактной архитектурой; существуют закономерности, описывающие прогресс вычислительной техники, например, закон Мура, в соответствии с которым вычислительная мощность процессоров регулярно удваивается;
Рисунок 2. График, демонстрирующий Закон Мура. Автор24 — интернет-биржа студенческих работЗамечание 1В настоящее время закон Мура перестал быть актуальным, поскольку технологии производства процессоров вышли на качественно новый уровень.
Компьютерная графика и визуализация. Поскольку более 80% информации человек получает через зрение, всегда актуальна проблема визуализации информации; возможности вычислительной техники ограничены тем, что графика чаще всего транслируется на монитор, экран которого представляет собой прямоугольную матрицу с расположенными в виде координатной сетки пикселями; такая структура не вполне соответствует физиологии человеческого зрения и задача информатики - найти способы передать визуальные данные наиболее достоверно; теоретические потребности компьютерной графики возросли с появлением трехмерных изображений (в т. ч. движущихся), требующих решения проблемы не только достоверности, но и эффективности, поскольку 3D-изображения требуют гораздо больших вычислительных мощностей, чем плоские;
Компьютерная безопасность и криптография. Поиски алгоритмов, способных надежно защитить информацию от несанкционированного доступа, усилились в последние годы в связи с повышением криминогенной обстановки в компьютерной индустрии, а также в связи с увеличением мощности вычислительной техники и, следовательно, возможностей для "взлома" зашифрованных данных;
Компьютерное моделирование и численные методы. Многие высокотехнологичные продукты требуют перед внедрением в практику дорогостоящих испытаний (транспортные средства, оружие, энергетическое оборудование и т.п.); сократить затраты помогает компьютерное моделирование, способное на основе данных о свойствах и формах примененных материалов предсказать предельные нагрузки для производимых систем; смоделировать можно и другие дорогостоящие или требующие больших затрат времени процессы: поведение биологических популяций, финансовых рынков и т.п.;
Компьютерные сети. С развитием Интернета компьютерные сети стали повсеместным явлением и необходимо находить всё новые способы повышения их пропускной способности;
Базы данных. Накопление всё больших объемов данных требует фундаментальных подходов к способам их хранения и доступа к ним.
Естественная информатика
Информатику интересуют не только явления, связанные с человеческой деятельностью. Кибернетика, как раздел информатики, изучает, среди прочего, строение и жизнедеятельность организмов, чтобы на основе этих данных находить решения инженерно-технических задач. Эта область исследований называется бионикой. Некоторые механизмы (например, способные передвигаться шагая на двух конечностях) сложно сконструировать "с чистого листа", поэтому исследователи замеряют характеристики живых организмов и пытаются воплотить подобные системы с помощью доступных человеку технологий. Другой круг представляющих в данном контексте интерес явлений - информационный обмен внутри биологических популяций (пчел, муравьев), а также способы получения животными информации об окружающем мире (например, эхолокация у летучих мышей и китов).
Рисунок 3. Танец пчел как пример информационной системы, порожденной вне человеческой деятельности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Хотя главным образом исследования в сфере естественной информатики проводятся на биологическом материале, некоторые исследователи, например, Ричард Докинз, видят прототипы информационного взаимодействия и в неживой природе.
