Компьютерные науки

Компьютерные науки — это дисциплина, назначение которой состоит в создании научной основы для таких предметов, как проектирование электронно-вычислительных машин, разработка программного обеспечения, обработка информации, алгоритмическое решение задач, а также алгоритмический процесс сам по себе. Следовательно, она представляет собой фундамент для успешного применения современных вычислительных машин, а также закладывает основы, необходимые для разработки новых прикладных программ. Это означает, что невозможно стать специалистом в области компьютерных наук, изучив лишь несколько тем как независимые предметы или же просто научившись использовать уже существующие вычислительные инструменты. Для того чтобы получить глубокие знания в области компьютерных наук, следует охватить весь спектр разнообразных аспектов из широкого диапазона динамически развивающихся тем.

Эта книга и создана в целях обеспечения такого фундамента. Здесь дисциплина компьютерных наук представлена как комплексное введение в ряд предметов, составляющих типичную университетскую учебную программу для специалистов по вычислительной технике. Таким образом, эта книга может использоваться как базовый курс для студентов факультетов информатики и вычислительной техники или как основной источник сведений для студентов других специальностей, которым требуется изучить основы тех дисциплин, которые определяют развитие современного компьютеризированного общества.


0.1. Знакомство с алгоритмами
Мы начнем с самого фундаментального понятия в области компьютерных наук — алгоритма. Говоря неформально, алгоритм — это последовательность действий, которая определяет способ решения некоторой задачи. Например, существуют алгоритмы для конструирования моделей самолетов (представляемые в форме пооперационных инструкций), для управления стиральными машинами (обычно помещаемые на внутреннюю сторону крышки машины), для воспроизведения музыки (изображаемые в виде музыкальных нот), а также для выполнения различных фокусов. Пример алгоритма последнего типа приведен на рис. 0.1.
Прежде чем машина сможет выполнить некоторое задание, необходимо определить алгоритм выполнения этого задания и предоставить его машине в том виде, который будет с ней совместим. Представление алгоритма в таком виде называется программой. Программы, представляющие эти алгоритмы, принято называть программным обеспечением, в противоположность самой машине, которую принято называть аппаратным обеспечением.
Изучение алгоритмов первоначально составляло один из разделов математики. Поиск алгоритмов занимал математиков задолго до того, как появились современные вычислительные машины. Основная цель этого поиска — отыскать общий набор указаний, описывающих способ решения задачи определенного типа. Одним из наиболее известных результатов ранних поисков является алгоритм деления столбиком для определения частного двух многозначных чисел. В качестве еще одного примера можно привести алгоритм Евклида, предложенный древнегреческим математиком для определения общего наибольшего делителя двух положительных целых чисел. Описание этого алгоритма представлено на рис. 0.2.
Как только алгоритм решения задачи будет найден, само выполнение предусмотренных этим алгоритмом действий уже не потребует понимания законов, по которым данный алгоритм был построен. Напротив, решение задачи сужается до простого выполнения установленной последовательности инструкций. Мы можем применять алгоритм деления столбиком для поиска частного двух многозначных чисел или Евклидов алгоритм определения наибольшего общего делителя, даже не понимая тех принципов, на основании которых эти алгоритмы работают. По сути, в алгоритме закодированы все сведения, необходимые для решения поставленной задачи.