Введение в формализацию информационных процессов

1.

Введение в
формализацию
информационных
процессов
Информационный процесс представляет собой совокупность последовательных
действий, выполняемых над информацией – её сбор, передачу, обработку,
хранение и использование. Данная концепция является фундаментальной в
современной информатике и теории информации.
В широком смысле, информационные процессы представляют собой основу
функционирования не только технических систем, но и биологических
организмов, социальных структур и даже вселенной в целом. Они
пронизывают все аспекты нашей жизни и являются ключевым объектом
изучения в информатике.

2.

Компоненты информационных процессов
Источник информации
Объект, генерирующий информацию или являющийся её носителем. Это может быть физический объект, событие, человек,
техническое устройство или программа.
Передатчик
Устройство или среда, преобразующие информацию в сигналы, пригодные для передачи по каналу связи. Преобразование
может включать кодирование, модуляцию и другие виды трансформации.
Канал связи
Среда передачи информации от источника к получателю. Каналы могут быть физическими (провода, радиоволны) или
логическими (протоколы связи).
Получатель и шум
Получатель – объект, принимающий и интерпретирующий информацию. Шум – случайные или систематические помехи,
искажающие информацию в процессе передачи.

3.

Классификация информационных
процессов по природе
Физические
Биологические
Социальные
Технические
Связаны с передачей и
Включают обмен генетической
Охватывают коммуникацию
Связаны с
преобразованием энергии,
информацией, нервную
между людьми, культурный
функционированием
физическими явлениями и
деятельность, гормональную
обмен, образовательные
компьютерных систем,
процессами. Примеры
регуляцию и другие
процессы и другие формы
телекоммуникационных сетей
включают распространение
информационные процессы в
социального взаимодействия,
и других технических
электромагнитных волн,
живых организмах. Эти
основанные на обмене
устройств, обрабатывающих
передачу сигналов по
процессы обеспечивают
информацией.
информацию.
проводам и другие
функционирование и
физические формы передачи
адаптацию биологических
информации.
систем.

4.

Классификация по характеру преобразования
Хранение и накопление
Сбор и регистрация
Сохранение информации на различных
Получение информации из различных
носителях для последующего
источников и её первичная фиксация в
форме, пригодной для дальнейшей
1
обработки.
использования.
2
Обработка и
преобразование
Изменение формы или содержания
Представление и
использование
Отображение информации в форме,
удобной для восприятия, и её применение
для решения задач.
3
5
4
информации в соответствии с
определёнными правилами.
Передача и
распространение
Перемещение информации в пространстве
от источника к получателю.

5.

Классификация по степени формализации
Строго формализованные
1
2
Математически точно описанные процессы с однозначной интерпретацией.
Частично формализованные
Процессы, описываемые с определённой долей абстракции.
Слабо формализованные
3
Процессы, трудно поддающиеся точному описанию и
формализации.
Степень формализации определяет возможность автоматизации информационного процесса и точность его воспроизведения. Чем выше
степень формализации, тем легче реализовать процесс с помощью компьютерных систем.

6.

Примеры информационных процессов в
технических системах
Передача данных по компьютерной сети
Индексирование и поиск в базах данных
Включает кодирование информации, её передачу по
Структурирование информации для быстрого доступа,
физическим или беспроводным каналам связи,
создание индексов, выполнение запросов, ранжирование
маршрутизацию, обнаружение и исправление ошибок,
результатов поиска по релевантности.
декодирование на стороне получателя.
Обработка изображений и
распознавание образов
Шифрование и дешифрование данных
Преобразование визуальной информации, выделение
несанкционированного доступа, и обратное преобразование
признаков, классификация объектов, интерпретация
для авторизованных пользователей.
содержания изображений.
Преобразование информации в форму, недоступную для

7.

Примеры информационных процессов в живых
организмах
Передача генетической
информации
Обработка сенсорных сигналов
При размножении организмов происходит
Нервная система живых организмов постоянно
распознаёт чужеродные антигены, активирует
передача генетической информации от
обрабатывает сигналы от органов чувств,
защитные механизмы и формирует
родителей к потомству. Этот процесс включает
преобразуя их в нервные импульсы и
иммунологическую память, что представляет
репликацию ДНК, транскрипцию, трансляцию и
интерпретируя для формирования целостной
собой сложный информационный процесс.
другие механизмы передачи наследственной
картины окружающего мира.
информации.
Иммунный ответ организма
При вторжении патогенов иммунная система

8.

Примеры информационных процессов в
обществе
Образовательный
процесс
Функционирование
СМИ
Экономические
транзакции
Передача знаний, умений и
Сбор, обработка и
Обмен информацией о
навыков от одного поколения
распространение информации
товарах, услугах и их
Передача традиций, обычаев,
к другому, формирование
о событиях в мире. Включает
стоимости. Включает
норм поведения и других
компетенций и
журналистскую деятельность,
рыночные механизмы
элементов культуры внутри
мировоззрения. Включает
редактирование, публикацию
ценообразования, финансовые
общества и между
различные формы обучения,
и доставку информации
операции и экономическое
различными культурами.
оценку результатов и
аудитории.
планирование.
обратную связь.
Распространение
культурных
ценностей

9.

Необходимость
формализации в
информатике
Формализация – процесс представления информации, концепций или процессов
в строгой, точной форме, часто с использованием математического или
логического аппарата. Это переход от интуитивного, нечёткого понимания к
строгому, однозначному описанию.
В информатике формализация играет ключевую роль, поскольку компьютерные
системы могут работать только с точно определёнными инструкциями и
данными. Без формализации невозможно создание алгоритмов, программ и
информационных систем, способных эффективно решать практические задачи.
Формализация обеспечивает возможность автоматизации процессов, их
верификации и валидации, а также облегчает коммуникацию между
специалистами в области информационных технологий.

10.

Причины необходимости формализации
Устранение неоднозначности
1
Создание недвусмысленных описаний, которые могут быть однозначно интерпретированы.
Обеспечение воспроизводимости
2
Возможность повторения процессов с одинаковым результатом.
Возможность автоматизации
3
Только формализованные процессы могут быть автоматизированы.
Верификация и валидация
4
Возможность математически доказать правильность алгоритмов и систем.
Облегчение коммуникации
5
Упрощение общения между специалистами, устранение субъективных
интерпретаций.

11.

Уровни формализации в информатике
Формализация данных
1
Определение структур данных, разработка схем баз
данных, создание форматов представления
информации. На этом уровне формализуются способы
2
хранения и организации информации.
Формализация процессов
Алгоритмизация вычислений, описание бизнеспроцессов, формализация взаимодействия
Формализация знаний
Онтологии и семантические сети, правила вывода и
экспертные системы, формальные языки
представления знаний. На этом уровне
формализуются сложные взаимосвязи между
понятиями и правила логического вывода.
3
компонентов систем. Здесь формализуются
последовательности действий и операций над
данными.

12.

Преимущества формализации
Повышение точности и надёжности
Формализация позволяет исключить неоднозначности и неточности, что повышает надёжность вычислений и обработки
информации. Это особенно важно для критически важных систем, где ошибки могут иметь серьёзные последствия.
Возможность доказательства корректности
Формальные методы позволяют математически доказать, что программа или алгоритм соответствуют своей спецификации
и не содержат ошибок определённых типов.
Улучшение возможностей масштабирования
Формализованные компоненты легче интегрировать в более крупные системы, что упрощает масштабирование и
повторное использование программных модулей.
Упрощение документирования
Формальные спецификации служат точной и однозначной документацией, что облегчает сопровождение и развитие
информационных систем.

13.

Ограничения формализации
Сложность формализации некоторых
типов знаний
Риск потери важных аспектов
Интуитивные, неявные или плохо структурированные знания
важные нюансы и особенности предметной области, что
трудно поддаются формализации. Например, сложно
может привести к неадекватности формальной модели.
При чрезмерной абстракции и упрощении могут быть утеряны
формализовать эстетические предпочтения, интуитивные
решения экспертов или эмоциональные реакции.
Потенциальное увеличение сложности
описания
Трудности в учёте человеческого
фактора
Формальные описания часто оказываются более громоздкими
Формальные модели часто не учитывают социальный
и сложными для понимания, чем неформальные, что может
контекст, психологические аспекты и другие человеческие
затруднять их создание и использование.
факторы, что может ограничивать их применимость в
реальных условиях.

14.

Практический пример: формализация
задачи сортировки
Программная
реализация
Частичная
формализация
Полная
формализация
(алгоритм)
"Для массива A длины n найти
Алгоритм сортировки с точным
программирования, готовая к
"Расположить числа в порядке
такую перестановку его
описанием входных и
выполнению на компьютере.
возрастания" - интуитивно
элементов, чтобы A[1] ≤ A[2]
выходных данных, а также
Это финальный этап
понятное, но недостаточно
≤ ... ≤ A[n]" - более точное
последовательности шагов для
формализации, когда
точное для компьютерной
математическое описание, но
преобразования входа в
абстрактный алгоритм
реализации описание задачи.
без указания конкретного
выход. Например, алгоритм
превращается в исполняемый
алгоритма.
сортировки пузырьком или
код.
Неформальное
описание
быстрой сортировки.
Конкретная реализация
алгоритма на языке

15.

Историческая
перспектива развития
формализации
История формализации тесно связана с развитием математики, логики,
философии и, в последнее столетие, информатики. Этот процесс отражает
эволюцию человеческого мышления и стремление к более точному
описанию мира.
От первых аксиоматических систем Древней Греции до современных
формальных методов верификации программ, формализация прошла долгий
путь развития, постоянно расширяя свои возможности и области
применения.
Изучение исторической перспективы помогает лучше понять современное
состояние и тенденции развития формализации информационных
процессов, а также оценить её значение для развития науки и технологий.

16.

Античность и ранние формализации
Евклидова геометрия
Пифагорейская школа
Первая формальная аксиоматическая система,
Формализация математических законов и открытие
созданная в Древней Греции (около 300 г. до
иррациональных чисел. Пифагорейцы первыми
н.э.). Евклид сформулировал набор аксиом и
начали систематическое изучение чисел и их
постулатов, из которых логически выводились все
свойств, заложив основы теоретической
теоремы геометрии.
математики.
1
2
3
4
Аристотелевская логика
Развитие алгебры
Первая формализация правил рассуждения,
В Древнем Вавилоне и Китае развивались
включающая учение о силлогизмах и законах
алгебраические методы решения уравнений и
логики. Аристотель создал систему, позволяющую
формализация астрономических процессов для
формально проверять правильность логических
предсказания небесных явлений.
выводов.

17.

Средневековье и Ренессанс
Развитие символической
алгебры (XV-XVII вв.)
Механицизм и формализация
природных процессов
Франсуа Виет ввёл буквенные обозначения
для неизвестных и коэффициентов, что
Механистическая философия Декарта
позволило формулировать общие
представляла мир как сложный механизм,
алгебраические законы. Рене Декарт создал
подчиняющийся математическим законам.
аналитическую геометрию, объединив алгебру
Исаак Ньютон сформулировал законы
и геометрию. Готфрид Лейбниц развивал идею
движения и всемирного тяготения, что стало
универсального исчисления, способного
примером успешной формализации физических
формализовать все рассуждения.
процессов. Началась математизация
естествознания, заложившая основы
современной науки.
Этот период характеризовался постепенным переходом к символическим обозначениям и
развитием математического аппарата, что значительно расширило возможности формализации
различных областей знания.

18.

XIX век – революция в основаниях
математики
1
Неевклидовы
геометрии
2
Формализация логики
Джордж Буль разработал алгебру
3
Кризис в основаниях
математики
Работы Николая Лобачевского и
логики, представив логические
Обнаружение парадоксов в наивной
Яноша Бойяи показали возможность
операции в виде алгебраических
теории множеств (например,
существования геометрических
выражений. Готлоб Фреге создал
парадокс Рассела) привело к
систем, отличных от евклидовой.
формальную логику предикатов, а
кризису в основаниях математики.
Это привело к переосмыслению
Георг Кантор разработал теорию
Давид Гильберт предложил
аксиоматического метода и роли
множеств, ставшую фундаментом
программу по формализации всей
интуиции в математике.
современной математики.
математики, чтобы доказать её
непротиворечивость.
XIX век стал периодом глубокого переосмысления основ математики, что создало предпосылки для развития теоретической
информатики в XX веке.

19.

XX век – становление теоретической
информатики
XX век ознаменовался созданием формальных моделей вычислений, которые заложили теоретический фундамент информатики. Работы
Тьюринга, Чёрча, Хомского и других учёных позволили формализовать понятие алгоритма и вычислимости, что было критически важно
для развития компьютерных наук.

20.

Теория вычислимости
Машина Тьюринга (1936)
Лямбда-исчисление
Канонические системы
Алан Тьюринг предложил абстрактную
Алонзо Чёрч разработал формальную
Эмиль Пост предложил формальную
модель вычислительного устройства,
систему для описания функций и их
модель вычислений, основанную на
способного реализовать любой
вычисления. Лямбда-исчисление стало
системах переписывания строк. Его
алгоритм. Машина Тьюринга стала
основой функционального
работы внесли значительный вклад в
одной из первых формальных
программирования и теории типов, а
теорию алгоритмов и формальных
моделей вычислений и позволила
также позволило формализовать
языков, а также в понимание границ
строго определить понятие алгоритма.
понятие вычислимой функции.
вычислимости.

21.

Теория формальных языков и грамматик
Регулярные языки (тип 3)
1
Описываются конечными автоматами и регулярными выражениями.
Контекстно-свободные языки (тип 2)
2
Описываются контекстно-свободными грамматиками и распознаются автоматами с магазинной
памятью.
Контекстно-зависимые языки (тип 1)
3
Описываются контекстно-зависимыми грамматиками и распознаются линейноограниченными автоматами.
Рекурсивно-перечислимые языки (тип 0)
4
Описываются неограниченными грамматиками и распознаются машинами
Тьюринга.
Ноам Хомский в 1956 году предложил иерархию формальных грамматик, которая стала основой для классификации формальных языков и разработки методов их
анализа и обработки.

22.

Теория алгоритмов
Анализ сложности
алгоритмов
Проблема P=NP
Развитие методов оценки
открытых проблем теоретической
Разработка формальных моделей
временной и пространственной
информатики, связанной с
криптографических протоколов,
сложности алгоритмов, введение
соотношением классов задач,
методов шифрования и
асимптотических обозначений (O-
решаемых за полиномиальное
дешифрования, цифровой подписи
нотация), классификация
время и проверяемых за
и других механизмов защиты
алгоритмов по эффективности.
полиномиальное время.
информации.
Формулировка одной из важнейших
Криптографические
алгоритмы
Теория алгоритмов стала одним из центральных разделов теоретической информатики, обеспечивающим математический
аппарат для анализа и оценки эффективности вычислительных процедур.

23.

Конец XX – начало XXI века: Современные
тенденции
Формальная верификация программ
1
Развитие методов доказательства корректности программ,
проверки моделей (model checking) и автоматических
доказателей теорем. Эти методы позволяют математически
2
строго доказывать отсутствие определённых классов ошибок в
Формализация семантики
Разработка денотационной и операционной семантики языков
программах.
программирования, формальных методов спецификации
требований, онтологий и семантических сетей для
представления знаний.
Формализация в искусственном
интеллекте
Создание логических систем представления знаний,
формальных моделей рассуждений с неопределённостью,
нейросетевых архитектур как формальных моделей обучения.
3

24.

Значение формализации
для современных
информационных
технологий
Формализация играет центральную роль в развитии современных информационных
технологий, обеспечивая теоретический фундамент для практических разработок и
инноваций.
Без формальных моделей и методов невозможно создание надёжного программного
обеспечения, эффективных алгоритмов обработки данных, безопасных
криптографических протоколов и интеллектуальных систем.
Формализация обеспечивает возможность строгого анализа свойств информационных
систем, доказательства их корректности и оценки эффективности, что критически
важно для современных высокотехнологичных приложений.

25.

Роль формализации в разработке программного
обеспечения
Формальные спецификации
Языки спецификаций (Z-нотация, VDM, B-метод) позволяют точно описать требования к программному обеспечению. Контрактное
программирование обеспечивает формальное описание предусловий и постусловий функций. Формальное описание интерфейсов и
протоколов гарантирует совместимость компонентов.
Формальные методы верификации
Статический анализ кода позволяет автоматически находить потенциальные ошибки. Доказательство свойств программ обеспечивает
математическую гарантию корректности. Тестирование на основе моделей систематизирует процесс проверки программного
обеспечения.
Формализация процесса разработки
Методологии разработки (Agile, RUP, CMMI) структурируют процесс создания программного обеспечения. Формальные метрики
качества позволяют объективно оценивать программные продукты. Стандарты и нормативные документы обеспечивают соответствие
требованиям.

26.

Формализация в области безопасности
информации
Криптографические протоколы
Формальный анализ уязвимостей
Формальные модели безопасности определяют требования к
Моделирование угроз систематизирует процесс выявления
защите информации. Доказательство стойкости
потенциальных атак. Формальные методы анализа рисков
криптографических алгоритмов обеспечивает математические
позволяют количественно оценивать уровень безопасности.
гарантии безопасности. Верификация протоколов
Доказательство отсутствия определённых классов уязвимостей
безопасности позволяет выявлять потенциальные уязвимости
обеспечивает гарантии защищённости информационных
до их практической реализации.
систем.
Формализация в области безопасности информации имеет критическое значение для создания надёжных систем защиты
данных и обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности информации.

27.

Формализация в искусственном интеллекте и
машинном обучении
Формальные модели машинного
обучения
Формализация рассуждений
Нейросетевые архитектуры
Логические системы представления знаний
Формальные модели нейронных сетей описывают их
Вычислительная теория обучения (Computational
обеспечивают формальный аппарат для
структуру и функционирование. Теоретический анализ
Learning Theory) формализует процесс извлечения
моделирования рассуждений. Теория вероятностных
глубокого обучения позволяет понять причины
знаний из данных. PAC-обучение (Probably
графических моделей позволяет работать с
эффективности современных нейросетевых архитектур.
Approximately Correct learning) предоставляет
неопределённостью. Формальные модели принятия
Формализация процессов обучения с подкреплением
теоретические гарантии обобщающей способности
решений структурируют процесс выбора оптимальных
структурирует взаимодействие агента со средой.
алгоритмов. Формализация процесса обучения
действий в различных условиях.
нейронных сетей позволяет анализировать их
свойства и ограничения.

28.

Современные вызовы формализации
Формализация
сложных
распределённых систем
Описание поведения
самообучающихся
систем
Формализация
взаимодействия
человека и компьютера
Системы искусственного интеллекта,
Интерфейсы взаимодействия человека
Современные информационные
основанные на машинном обучении,
с компьютером становятся всё более
системы часто имеют
могут изменять своё поведение в
сложными и естественными.
распределённую архитектуру с
процессе функционирования.
Формализация таких интерфейсов
множеством взаимодействующих
Формализация таких систем должна
требует учёта психологических,
компонентов. Формализация таких
учитывать их адаптивность и
эргономических и социальных
систем требует учёта асинхронности,
способность к самомодификации.
аспектов взаимодействия.
параллелизма, отказоустойчивости и
других сложных аспектов их
функционирования.

29.

Перспективные направления формализации
Квантовые вычисления
Биоинформатика
Надёжные автономные
системы
Формальные модели квантовых
Формализация биологических
алгоритмов и квантовых
процессов, моделирование
Формальные методы в разработке
вычислительных устройств. Разработка
генетических и метаболических сетей,
самоуправляемых транспортных
квантовых языков программирования и
анализ биологических
средств, роботов и других автономных
методов верификации квантовых
последовательностей.
систем, требующих высокого уровня
надёжности.
программ.
Интернет вещей
Формализация взаимодействия множества устройств в распределённых сетях, обеспечение безопасности и эффективности их
функционирования.