ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Пособие

Минск 2014

Рецензенты:

Заведующий кафедрой информационных технологий Белорусской государственной сельскохозяйственной академии,

кандидат экономических наук, доцент

Шуин Н.К.,

кафедра прикладной математики и информатики Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка

Н.Г. Серебрякова, О.Л. Сапун , Р.И. Фурунжиев

Основы информационных технологий. ‑ Минск, БГАТУ. – 2014.

Учебное пособие ориентировано на магистрантов и аспирантов технических и экономических специальностей.

©Издательство БГАТУ 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ. 7

1 СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.. 14

1.1 История, современное состояние и перспективы развития вычислительной техники 14

1.2 Элементная база, архитектура, сетевая компоновка, производительность 18

1.3 Понятие информации. Классификация и виды информационных технологий 23

1 .4Операционные системы.. 43

1.5 Языки и технологии программирования. 53

2 ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.. 72

2.1. Программное обеспечение. Текстовые редакторы, их возможности и назначение 72

2.2. Графические редакторы.. 100

2.3. Электронные таблицы.. 111

2.4. Сервисные инструментальные программные средства. 129

2.5. Системы математических вычислений MatLab. 136

2.6 Система подготовки презентаций. 164

3 СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИНТЕРНЕТ. 175

3.1 Классификация компьютерных сетей. 175

3.2 Семиуровневая модель структуры протоколов связи. 177

3.3 Организационная структура Internet 191

3.4 Инструментальные средства создания web-сайтов. Основы web-дизайна 204

3.5 Языки разметки гипертекста HTML и XML. 214

3.6 Скриптовые языки программирования. 238

4 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ.. 242

4.1. Классификация систем управления базами данных. 242

4.2 Модели данных. 243

4.3 Моделирование баз данных. 256

4.4 Архитектура и функциональные возможности СУБД. Языковые и программные средства СУБД.. 268

4.5 Общая характеристика СУБД MS Access 278

4.6 Основные объекты MS Access 284

5 ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.. 314

5.1 Основы информационной безопасности. 314

5.2. Методы и средства защиты информации. 326

5.3 Защита от несанкционированного доступа к данным. 331

5.4 Классы безопасности компьютерных систем. 343

5.5 Основные аспекты построения системы информационной безопасности 353

6 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ.. 359

6.1 Математические модели и численные методы решения задач в различных предметных областях. 359

6.2 Численное дифференцирование и интегрирование. 371

6.2.1 Особенность задачи численного дифференцирования. 371

6.2.2 Интерполяционная формула Лагранжа для равноотстоящих узлов. 372

6.2.3 Численное дифференцирование на основе интерполяционной формулы Лагранжа. 375

6.2.4 Численное дифференцирование на основе интерполяционной формулы Ньютона. 377

6.2.5 Постановка задачи численного интегрирования. 379

6.2.6 Квадратурные формулы Ньютона-Котеса. 381

6.2.7 Формула трапеций. 382

6.2.8 Формула Симпсона. 386

6.2.9 Оценка точности квадратурных формул. 388

6.3 Методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. 389

6.3.1 Задача Коши и краевая задача. 390

6.3.1.1 Классификация уравнений. 390

6.3.1.2 Задача Коши. 391

6.3.2 Одношаговые методы решения задачи Коши. 392

6.3.2.1 Метод Эйлера. 392

6.3.2.2 Модифицированный метод Эйлера. 394

6.3.2.3 Метод Рунге-Кутта четвертого порядка. 396

6.3.2.4 Погрешность решения и выбор шага. 398

6.3.3 Многошаговые методы решения задачи Коши. 400

6.3.3.1 Многошаговые методы.. 400

6.3.3.2 Метод Адамса. 401

6.3.3.3 Методы прогноза и коррекции (предиктор-корректор) 402

6.3.3.4 Общая характеристика многошаговых методов. 403

6.3.4 Краевая задача и метод стрельбы.. 404

6.3.4.1 Краевая задача. 404

6.3.4.2 Метод стрельбы.. 405

6.3.4.3 Метод стрельбы для линейного дифференциального уравнения. 406

6.4 Решение дифференциальных уравнений в чстных производных. 407

6.4.1 Краткие теоретические сведения. 407

6.4.2 Классификация уравнений по математической форме. 407

6.4.3 Основы метода конечных разностей. 411

6.4.3.1 Построение сетки. 411

6.4.3.2 Аппроксимация уравнения эллиптического типа. 413

6.4.3.3 Аппроксимация уравнения гиперболического типа. 416

6.4.3.4 Аппроксимация уравнения параболического типа. 420

6.4.3.5 Погрешность решения. 421

6.4.4 Основы метода конечных элементов. 423

6.4.4.1. Формирование сетки. 423

6.4.4.2 Конечно-элементная аппроксимация. 425

6.4.4.3 Построение решения. 430

6.6 Элементы математической статистики. 432

6.6.1 Генеральная совокупность. Выборка. Статистические ряды.. 433

6.6.2 Графическое изображение вариационных рядов. Эмпирическое распределение. 436

6.6.3 Средние величины и показатели вариации. 437

6.6.4 Средняя арифметическая и ее свойства. 439

6.6.5 Дисперсия и ее свойства. Среднее квадратическое отклонение. 440

6.6.6 Коэффициент вариации. 441

6.6.7 Структурные средние. 441

6.6.8 Законы распределения случайных величин. 442

6.6.9 Статистические гипотезы.. 444

7 МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ И СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.. 450

7.1 Характеристика методов решения задач оптимизации. 450

7.1.1 Численные методы безусловной оптимизации нулевого порядка. 463

7.1.1.1 Основные определения. 463

7.1.1.2 Классификация методов. 467

7.1.1.3 Общая характеристика методов нулевого порядка. 470

7.1.1.4 Метод прямого поиска (метод Хука-Дживса) 471

7.1.1.5 Метод деформируемого многогранника (метод Нелдера—Мида) 474

7.1.1.6 Метод вращающихся координат (метод Розенброка) 477

7.1.1.7 Метод параллельных касательных (метод Пауэлла) 479

7.1.2 Численные методы безусловной оптимизации первого порядка. 481

7.1.2.1 Минимизация функций многих переменных. Основные положения. 481

7.1.2.2 Метод наискорейшего спуска. 484

7.1.2.3 Метод сопряженных градиентов. 487

7.1.3 Численные методы безусловной оптимизации второго порядка. 491

7.1.3.1 Особенности методов второго порядка. 491

7.1.3.2 Метод Ньютона. 493

7.2 Линейное программирование. 494

7.2.1 Транспортная задача линейного программирования. 498

7.2.1.1 Постановка задачи. 498

7.2.1.2 Венгерский метод. 501

7.2.1.3 Метод потенциалов. 503

7.3 Прямые методы условной оптимизации. 503

7.3.1 Основные определения. 503

7.3.2 Метод проекции градиента. 505

7.3.3 Комплексный метод Бокса. 509

7.4 Методы штрафных функций. 513

7.4.1 Основные определения. 513

7.4.2 Методы внутренних штрафных функций. 514

7.4.3 Методы внешних штрафных функций. 516

7.4.4 Комбинированные алгоритмы штрафных функций. 519

7.5 Информационные технологии поддержки принятия решений. 525

7.6 Информационные технологии экспертных систем Характеристика и назначение 537

7.7 Эволюция систем поддержки принятия решений. 542

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 548

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный этап развития общества принято рассматривать в контексте широкой информатизации всех его сфер. Эффективное развитие сельского хозяйства невозможно без технического переоснащения производства, базирующегося на внедрении перспективных достижений науки и техники. Прогресс в развитии информационных технологий открывает дополнительные возможности в проведении научно-технических исследований в области агропромышленного производства.

В настоящее время информационные технологии – одна из самых динамично развивающихся областей. Совершенствуется элементная база и архитектура компьютеров, развиваются языки и технологии программирования, создаются новые пакеты прикладных программ на основе современных математических методов моделирования и оптимизации.

Одна из важнейших особенностей технического университета – фундаментальная подготовка инженера на основе расширенного цикла математических, естественнонаучных и общеинженерных дисциплин. Для этого необходимо современное учебно-методическое обеспечение, использующее передовые информационные технологии.

Целью дисциплины «Основы информационных технологий» является подготовка магистрантов и аспирантов к использованию современных информационных технологий как инструмента для решения на высоком уровне научных и практических задач в своей предметной области.

Задачами дисциплины являются:

-приобретение навыков использования технических устройств управления информацией и работы с компьютером;

-изучение современных средств телекоммуникаций;

-овладение современными технологиями информационного обеспечения научных исследований;

-обеспечение создания и ведения баз данных по технологической и эксплуатационной наследственности деталей машин и их соединений;

- овладение навыками работы с профессиональными базами данных;

-овладение информационными технологиями проектирования машин, сборочных единиц и технологических процессов.

Изучение дисциплины способствует формированию следующих компетенций:

- академических, включающих:

- способность самостоятельно приобретать новые знания и умения, в том числе в областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности;

- способность к самостоятельной научно-исследовательской деятельности, готовность генерировать и использовать новые идеи.

- методологические знания и исследовательские умения, обеспечивающие решение задач научно-исследовательской, научно-педагогической, управленческой и инновационной деятельности;

- способность использовать современные информационные технологии и базы данных;

- способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, изменению научного профиля своей профессиональной деятельности.

- социально-личностных, включающих умения:

- совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень;

- владеть навыками формирования и аргументации собственных суждений и профессиональной позиции;

- оказывать личным примером позитивное воздействие на окружающих и участников профессиональной деятельности с точки зрения соблюдения норм и правил здорового образа жизни, активной жизненной позиции;

- сотрудничать, работать в команде, руководить и подчиняться;

- обобщать, анализировать, критически осмысливать, систематизировать, прогнозировать, определять цели и выбирать пути их достижения; владеть культурой мышления.

- профессиональных, включающих способность:

- подготавливать и проводить учебные занятия в учреждениях среднего специального и высшего образования;

- разрабатывать и использовать современное научно-методическое обеспечение;

- осуществлять мониторинг образовательного процесса, диагностику учебных и воспитательных результатов;

- руководить научно-исследовательской работой обучающихся;

- планировать и организовывать воспитательную работу с обучающимися;

- использовать современные средства и методы решения задач, связанных с реализацией образовательной и воспитательной деятельности;

- осваивать и внедрять в образовательный процесс инновационные образовательные технологии;

- анализировать работу основных аппаратных средств персонального компьютера, осуществлять поиск и изучение ин­формации, применять персональный компьютер при решении при­кладных задач;

- формулировать проблемы, решать задачи, разрабатывать планы и обеспечивать их выполнение в избранной сфере профессио­нальной деятельности.

В результате изучения дисциплины магистрант должен

знать:

- основные принципы создания, хранения, обработки и передачи информации;

- основы технологии обмена данными;

- методы и средства решения задач в своей предметной области на базе использования информационных технологий.

уметь:

- пользоваться основными программными продуктами информационных технологий: текстовыми, табличными и графическими процессорами, базами данных, средствами подготовки презентаций, сетевыми клиентскими программами, средствами поддержки математических вычислений;

- пользоваться глобальными информационными ресурсами;

- осуществлять поиск, систематизацию и анализ информации по перспективам развития отрасли, инновационным технологиям, проектам и решениям;

- проводить с использованием информационных технологий расчеты и оформление проектно-конструкторской документации;

- использовать современные достижения науки и передовые технологии в области систем технического обеспечения сельского хозяйства и автоматизации технологических процессов;

- выбирать методы расчета и анализа систем технического обеспечения сельского хозяйства, анализировать и представлять результаты научных исследований;

- намечать практические рекомендации по использованию научных исследований в области технического обеспечения сельского хозяйства;

- планировать и проводить аналитические, иммитационные и экспериментальные исследования, критически оценивать результаты и делать выводы.

- выбирать методы и проводить испытания для оценки физических, механических и эксплуатационных свойств средств механизации и систем технического обеспечения сельскохозяйственного производства;

- проводить патентный поиск и исследовать патентоспособность и показатели технического уровня разработок систем технического обеспечения сельского хозяйства;

- разрабатывать научно-техническую документацию, оформлять научно-технические отчеты, обзоры, публикации по результатам выполненных исследований;

- применять методы анализа вариантов, разработки и поиска компромиссных решений;

- использовать средства компьютерной техники при проектировании;

- оформлять проектную документацию;

- принимать оптимальные управленческие решения;

- осваивать и реализовывать управленческие инновации в профессиональной деятельности;

- разрабатывать планы и программы организации инновационной деятельности;

- применять инновационные методы решения профессиональных задач;

иметь научное представление:

¾ о современных информационных технологиях в предметной области;

¾ о современных операционных системах и инструментальных пакетах программ;

¾ об основных программных продуктах информационных технологий: текстовых, графических, табличных процессорах, базах данных, средствах подготовки презентаций и средствах поддержки математических вычислений;

¾ сетевых технологиях и сервисах сети Интернет;

¾ проблемах защиты информации в компьютерах и компьютерных сетях.

Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных при изучении математики, информатики, информационных технологий, основ научных исследований и моделирования, оптимизации технологических процессов и принятия решений.