Компьютерные науки

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Компью́терные нау́ки (англ. Computer Science, русск. информатика) — это ядро теоретических и практических знаний, которые используют в своей работе специалисты в области вычислительной техники, программирования, информационных систем и технологий.

Как научная дисциплина компьютерные науки возникли в начале 40-х годов 20 века в результате слияния теории алгоритмов и математической логики, а также изобретения электронных вычислительных машин. На протяжении полувековой истории компьютерных наук неоднократно возникали и исчезали те или иные направления. Но одним из наиболее важных разделов компьютерных наук остаётся теория, анализ, разработка, оценка эффективности, реализация и практическое применение алгоритмов.

Чтобы применять основные результаты исследований в области компьютерных наук, необходимо обладать навыками в четырёх основных направлениях: алгоритмическое мышление, представление информации, программирование и проектирование систем. Предметная область компьютерных наук в целом может быть разделена на две обширные подобласти. Первая из них включает изучение конкретных процессов обработки информации и связанные с ними вопросы представления данных. Вторая имеет отношение к структурам, механизмам и схемам обработки информации.

Важнейшая цель обучения компьютерным наукам состоит в том, чтобы чётко понимать отношения, существующие между прикладными приложениями и компьютерными системами. Компьютерные приложения делятся на две категории: числовые и нечисловые. В числовых приложениях доминирующими являются математические модели и числовые данные. В нечисловых приложениях информация представляется в виде символов и правил. Традиционно компьютерные науки имеют более тёсные связи с математикой. Со своей стороны, компьютерные науки оказывают сильное влияние на математику.

В настоящее время в области компьютерных наук обычно выделяют следующие основные разделы:

Алгоритмы и структуры данных. Раздел теории алгоритмов включает теорию вычислимости, теорию вычислительной сложности, теорию параллельных вычислений (программирование параллельных процессов), теорию дедуктивных и реляционных баз данных, теорию распознавания образов, теорию алгоритмов, криптографию и многие другие направления.
Языки программирования. Этот раздел компьютерных наук изучает системы обозначений, предназначенных для выполнения алгоритмов на виртуальных машинах, а также способы формальной записи самих алгоритмов и данных. Венцом достижений разработчиков стали программы, которые получают описание языка и автоматически создают компилятор для перевода программ с этого языка на машинный язык (например, программы YACC и LEX).
Архитектура компьютеров. Раздел теории архитектуры компьютеров включает цифровую логику, булеву алгебру, теорию кодирования и теорию конечных автоматов. К наиболее значительным достижениям в этой области компьютерных наук относятся модули выполнения арифметических операций, кэш-память, так называемые машины фон Неймана, RISC- и CISC-компьютеры. Были разработаны эффективные методы записи и хранения информации, а также методы обнаружения и исправления ошибок, включая средства восстановления после отказов.
Операционные системы и компьютерные сети. Этот раздел компьютерных наук связан с исследованиями механизмов управления, позволяющих эффективно координировать работу большого количества вычислительных ресурсов при проведении вычислений, распределённых по многочисленным компьютерным системам, объединённым в глобальные и локальные сети.
Разработка программного обеспечения. Данный раздел компьютерных наук связан с созданием больших программных систем, которые должны удовлетворять заданным программным спецификациям, быть безопасными, защищёнными, надёжными и заслуживающими доверия пользователей.
Базы данных и информационно-поисковые системы. Этот раздел компьютерных наук связан с организацией больших наборов постоянно сохраняемых и совместно используемых данных, допускающих их обновление и обеспечивающих эффективное выполнение запросов. Для изучения и разработки баз данных и информационно-поисковых систем применяются реляционная алгебра и реляционное исчисление, теория параллельной обработки данных, выполняемых с помощью транзакций.
Искусственный интеллект и робототехника. Данный раздел компьютерных наук включает моделирование процессов познания мира животными и человеком с конечной целью создания компонентов машин, способных имитировать или усиливать их. Основные объекты изучения в этой области включают распознавание сенсорных сигналов, звуков, изображений и образов, обучение, процессы рассуждения при решении задач и планирования, а также понимание языков. Разработаны основные принципы проектирования систем искусственного интеллекта: логическое программирование; экспертные системы; методы и средства представления, хранения и использования знаний; прикладные системы, использующие естественный язык; синтезаторы речи и системы распознавания речи; роботы; генетические алгоритмы.
Компьютерная графика. Компьютерная графика связана с процессами визуального представления реальных и виртуальных объектов, а также имитации их движений на двухмерном экране компьютера или в трёхмерной голограмме. Она опирается на вычислительную геометрию и многие другие области науки.
Взаимодействие человека и компьютера. Эта область компьютерных наук изучает вопросы эффективной координации действий и передачи информации между людьми и машинами (пользовательский интерфейс) с помощью различных датчиков и устройств, имитирующих деятельность человека, а также информационные структуры, которые отражают человеческие представления об окружающем мире.
Вычислительная математика. Эта область компьютерных наук связана с проведением научных исследований, которые невозможно выполнить без высокопроизводительных вычислений и обмена данными.
Деловая информатика. Данная область компьютерных наук изучает вопросы обмена информацией и создания программных систем, обеспечивающих работу организаций и координацию действий их сотрудников.
Биоинформатика. Эта новейшая область компьютерных наук возникла в результате тесного взаимодействия вычислительной математики и биологических наук.

Наиболее перспективные направления развития компьютерных наук связываются с вычислительной математикой, теорией познания, библиотековедением, деловой информатикой, биоинформатикой, организацией и управлением промышленным производством, архитектурой.