Главная » Безопасность » Графические информационные модели. Графические информационные модели — Гипермаркет знаний Основная цель моделирования

Графические информационные модели. Графические информационные модели — Гипермаркет знаний Основная цель моделирования

В графических информационных моделях для наглядного отображения объектов используются условные графические изображения (образные элементы), зачастую дополняемые числами, символами и текстами (знаковыми элементами). Примерами графических моделей могут служить всевозможные схемы, карты, чертежи, графики и диаграммы.

Схема - это представление некоторого объекта в общих, главных чертах с помощью условных обозначений. С помощью схем может быть представлен и внешний вид объекта, и его структура. Схема как информационная модель не претендует на полноту предоставления информации об объекте. С помощью особых приёмов и графических обозначений на ней более рельефно выделяется один или несколько признаков рассматриваемого объекта. Примеры схем приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4.
Примеры схем, используемых на уроках физики, биологии, истории

Уменьшенное обобщённое изображение поверхности Земли на плоскости в той или иной системе условных обозначений даёт нам географическая карта.

Чертёж - условное графическое изображение предмета с точным соотношением его размеров, получаемое методом проецирования. Чертёж содержит изображения, размерные числа, текст. Изображения дают представления о геометрической форме объекта, числа - о величине объекта и его частей, надписи - о названии, масштабе, в котором выполнены изображения.

График - линия, дающая наглядное представление о характере зависимости одной величины (например, пути) от другой (например, времени). График позволяет отслеживать динамику изменения данных.

Диаграмма - графическое изображение, дающее наглядное представление о соотношении каких-либо величин или нескольких значений одной величины, об изменении их значений. Более подробно типы диаграмм и способы их построения будут рассмотрены при изучении электронных таблиц.

2.3.2. Графы

Если объекты некоторой системы изобразить вершинами, а связи между ними - линиями, то мы получим информационную модель рассматриваемой системы в форме графа. Граф состоит из вершин, связанных линиями - рёбрами. Вершины графа могут изображаться кругами, овалами, точками, прямоугольниками и т. д.

Граф называется взвешенным, если его вершины или рёбра характеризуются некоторой дополнительной информацией - весами вершин или рёбер.

На рис. 2.5 с помощью взвешенного графа изображены дороги между пятью населёнными пунктами А, Б, С, D, Е; веса рёбер - протяжённость дорог в километрах.

Рис. 2.5.
Взвешенный граф

Путь по вершинам и рёбрам графа, в который любое ребро графа входит не более одного раза, называется цепью. Цепь, начальная и конечная вершины которой совпадают, называется циклом.

Граф с циклом называется сетью. Если героев некоторого литературного произведения представить вершинами графа, а существующие между ними связи изобразить рёбрами, то мы получим граф, называемый семантической сетью.

Графы как информационные модели находят широкое применение во многих сферах нашей жизни. Например, можно существующие или вновь проектируемые дома, сооружения, кварталы изображать вершинами, а соединяющие их дороги, инженерные сети, линии электропередач и т. п. - рёбрами графа. По таким графам можно планировать оптимальные транспортные маршруты, кратчайшие объездные пути, расположение торговых точек и других объектов.

Дерево - это граф, в котором нет циклов, т. е. в нём нельзя из некоторой вершины пройти по нескольким различным рёбрам и вернуться в ту же вершину. Отличительной особенностью дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь.

Всякая иерархическая система может быть представлена с помощью дерева. У дерева выделяется одна главная вершина, называемая его корнем. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет только одного предка, обозначенный им объект входит в один класс 1 высшего уровня. Любая вершина дерева может порождать несколько потомков - вершин, соответствующих классам нижнего уровня. Такой принцип связи называется «один-ко-многим». Вершины, не имеющие порождённых вершин, называются листьями.

    1 Класс - множество объектов, обладающих общими признаками.

Родственные связи между членами семьи удобно изображать с помощью графа, называемого генеалогическим или родословным деревом.

Ресурс «Живая Родословная» (http://school-collection.edu.ru/) - инструмент для формирования и анализа генеалогических деревьев, содержащий примеры родословных. С его помощью вы можете изучить генеалогические деревья многих известных семей и построить генеалогическое дерево своей семьи.

2.3.3. Использование графов при решении задач

Графы удобно использовать при решении некоторых классов задач.

Пример 1 . Для того чтобы записать все трёхзначные числа, состоящие из цифр 1 и 2, можно воспользоваться графом (деревом) на рис. 2.6.

Рис. 2.6.
Дерево для решения задачи о записи трёхзначных чисел

Дерево можно не строить, если не требуется выписывать все возможные варианты, а нужно просто указать их количество. В этом случае рассуждать нужно так: в разряде сотен может быть любая из цифр 1 и 2, в разряде десятков - те же два варианта, в разряде единиц - те же два варианта. Следовательно, число различных вариантов: 2 2 2 = 8.

В общем случае, если известно количество возможных вариантов выбора на каждом шаге построения графа, то для вычисления общего количества вариантов нужно все эти числа перемножить.

Пример 2. Рассмотрим несколько видоизменённую классическую задачу о переправе.

На берегу реки стоит крестьянин (К) с лодкой, а рядом с ним - собака (С), лиса (Л) и гусь (Г). Крестьянин должен переправиться сам и перевезти собаку, лису и гуся на другой берег. Однако в лодку кроме крестьянина помещается либо только собака, либо только лиса, либо только гусь. Оставлять же собаку с лисой или лису с гусем без присмотра нельзя - собака представляет опасность для лисы, а лиса - для гуся. Как крестьянин должен организовать переправу?

Для решения этой задачи составим граф, вершинами которого будут исходное размещение персонажей на берегу реки, а также всевозможные промежуточные состояния, достигаемые из предыдущих за один шаг переправы. Каждую вершину-состояние переправы обозначим овалом и свяжем рёбрами с состояниями, образованными из неё (рис. 2.7).

Рис. 2.7.
Граф переправы

Недопустимые по условию задачи состояния выделены пунктирной линией; они исключаются из дальнейшего рассмотрения. Начальное и конечное состояния переправы выделены жирной линией.

На графе видно, что существует два решения этой задачи. Приведём соответствующий одному из них план переправы:

  1. крестьянин перевозит лису;
  2. крестьянин возвращается;
  3. крестьянин перевозит собаку;
  4. крестьянин возвращается с лисой;
  5. крестьянин перевозит гуся;
  6. крестьянин возвращается;
  7. крестьянин перевозит лису.

Пример 3 . Рассмотрим следующую игру: сначала в кучке лежит 5 спичек; два игрока убирают спички по очереди, причём за 1 ход можно убрать 1 или 2 спички; выигрывает тот, кто оставит в кучке 1 спичку. Выясним, кто выигрывает при правильной игре - первый (I) или второй (II) игрок.

Игрок I может убрать одну спичку (в этом случае их останется 4) или сразу 2 (в этом случае их останется 3).

Если игрок I оставил 4 спички, игрок II может своим ходом оставить 3 или 2 спички. Если же после хода первого игрока осталось 3 спички, второй игрок может выиграть, взяв две спички и оставив одну.

Если после игрока II осталось 3 или 2 спички, то игрок I в каждой из этих ситуаций имеет шанс на выигрыш.

Таким образом, при правильной стратегии игры всегда выиграет первый игрок. Для этого своим первым ходом он должен взять одну спичку.

На рис. 2.8 представлен граф, называемый деревом игры; на нём отражены все возможные варианты, в том числе ошибочные (проигрышные) ходы игроков.

Рис. 2.8.
Дерево игры

Самое главное

В графических информационных моделях для наглядного отображения объектов используются условные графические изображения (образные элементы), зачастую дополняемые числами, символами и текстами (знаковыми элементами). Примерами графических моделей могут служить всевозможные схемы, карты, чертежи, графики и диаграммы, графы.

Граф состоит из вершин, связанных линиями - рёбрами. Граф называется взвешенным, если его вершины или рёбра характеризуются некоторой дополнительной информацией - весами вершин (рёбер).

Путь по вершинам и рёбрам графа, в который любое ребро графа входит не более одного раза, называется цепью. Цепь, начальная и конечная вершины которой совпадают, называется циклом. Граф с циклом называется сетью.

Граф иерархической системы называется деревом. Отличительной особенностью дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь.

Вопросы и задания

  1. Какие информационные модели относят к графическим?
  2. Приведите примеры графических информационных моделей, с которыми вы имеете дело:
    • а) при изучении других предметов;
    • б) в повседневной жизни.
  3. Что такое граф? Что является вершинами и рёбрами графа на рис. 2.5? Приведите примеры цепей и циклов, имеющихся в этом графе. Определите, какие два пункта наиболее удалены друг от друга (два пункта считаются самыми удалёнными, если длина кратчайшего пути между ними больше, чем длина кратчайшего пути между любыми другими двумя пунктами). Укажите длину кратчайшего пути между этими пунктами.
  4. Приведите пример системы, модель которой можно представить в форме графа. Изобразите соответствующий граф.
  5. Грунтовая дорога проходит последовательно через населённые пункты А, В, С и D. При этом длина грунтовой дороги между А и В равна 40 км, между В и С - 25 км, и между С и D - 10 км. Между А и D дороги нет. Между Л и С построили новое асфальтовое шоссе длиной 30 км. Оцените минимально возможное время движения велосипедиста из пункта А в пункт В, если его скорость по грунтовой дороге - 20 км/ч, по шоссе - 30 км/ч.
  6. Составьте семантическую сеть по русской народной сказке «Колобок».
  7. Что такое дерево? Моделями каких систем могут служить деревья? Приведите пример такой системы.
  8. Сколько трёхзначных чисел можно записать с помощью цифр 2, 4, 6 и 8 при условии, что в записи числа не должно быть одинаковых цифр?
  9. Сколько существует трёхзначных чисел, все цифры которых различны?
  10. Для составления цепочек используются бусины, помеченные буквами: А, Б, С, D, Е. На первом месте в цепочке стоит одна из бусин А, С, Е. На втором - любая гласная, если первая буква гласная, и любая согласная, если первая согласная. На третьем месте - одна из бусин С, D, Е, не стоящая в цепочке на первом месте. Сколько цепочек можно создать по этому правилу?
  11. Два игрока играют в следующую игру. Перед ними лежит куча из 6 камней. Игроки берут камни по очереди. За один ход можно взять 1, 2 или 3 камня. Проигрывает тот, кто забирает последний камень. Кто выигрывает при безошибочной игре обоих игроков - игрок, делающий первый ход, или игрок, делающий второй ход? Каким должен быть первый ход выигрывающего игрока? Ответ обоснуйте.

4.8 Графические информационные модели.

Графическая информационная модель – это наглядный способ представления объектов и процессов в виде графических изображений. К ним относятся: чертежи, графики, диаграммы, образные модели, схемы (карты, графы, блок-схемы).

Графические (геометрические) информационные модели передают внешние признаки объекта - размеры, форму, цвет, расположение. В графических информационных моделях для наглядного отобра­жения объектов используются условные графические изображения (образные элементы). Часто графические модели дополняются числами, символами и текстами (знаковыми элементами). В этом случае их называют смешанными моделями.

Образные модели представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кинопленке и др.). К ним относятся рисунки, фотографии.

Схема - это представление некоторого объекта в общих, главных чертах с помощью условных обозначений. Схема – это графическое отображение состава и структуры сложной системы. С помощью схем может быть представлен и внешний вид объекта, и его структура. Схема как информационная модель не претендует на полноту предоставле­ния информации об объекте. С помощью особых приёмов и графичес­ких обозначений на ней более рельефно выделяется один или не­сколько признаков рассматриваемого объекта.



В информатике особое место занимает построение блок-схем. Блок-схемы наглядно отражают алгоритм, т.е. последовательность действий при решении задачи. Они строятся при программировании – создании новых программ.

Карта описывает конкретную местность, которая является для нее объектом моделирования. Это уменьшенное обобщённое изображение поверхности Земли на плоскости в той или иной системе условных обозначений.

Карта создается с определенными целями для определения:


  • местоположения населенных пунктов;

  • рельефа местности;

  • расположения автомагистралей;

  • измерения расстояний между реальными объектами на местности

  • и т.д.
Сейчас получили большое распространение геоинформационные модели (Например, http://maps.google.ru/ - спутниковая съемка карты местности).

Чертеж – точная геометрическая копия реального объекта. Чертёж - условное графическое изображение предмета с точным соотношением его размеров, получаемое методом проецирования. Чертёж содержит изображения, размерные числа, текст. Изображения дают представления о геометрической форме объекта, числа - о величине объекта и его частей, надписи - о названии, масштабе, в котором выполнены изображения. Чертежи создаются конструкторами, проектировщиками, они должны быть очень точным, т.к. на них указываются все необходимые размеры реального объекта. Существует масса различных компьютерных сред для создания конструкторских чертежей: Автокад, Адем, Компас, 3D MАХ - для трехмерного моделирования и т.д.


Графики и диаграммы - это информационные модели, которые в наглядной форме представляют числовые и статистические данные.

График - линия, дающая наглядное представление о характере зависимости одной величины (например, пути) от другой (например, времени). График – отображение и визуализация различных процессов (природных, экономических, общественных и технических). График позволяет отслеживать динамику изменения дан­ных.

Диаграмма - графическое изображение, дающее наглядное пред­ставление о соотношении каких-либо величин или нескольких зна­чений одной величины, об изменении их значений. Более подробно типы диаграмм и способы их построения будут рассмотрены при из­учении электронных таблиц.


Отдельное место среди графических моделей занимают графы.


4.9 Графы
Графы – замечательные математические объекты, с их помощью можно решать очень много различных, внешне не похожих друг на друга задач. В математике существует целый раздел – теория графов , который изучает графы, их свойства и применение. В информатике по графам строятся программы. В этом параграфе рассмотрены только самые основные понятия, свойства графов и некоторые способы решения задач.

Если объекты некоторой системы изобразить точками (кругами, овалами, прямоугольниками…), а связи между ними - линиями (дугами, стрелками…), то мы получим информационную модель рассматриваемой системы в форме графа. Граф представляет собой набор вершин и соединяющих их ребер. Вершины графа могут быть обозначены буквами, числами, словами…

Если рёбра графа харак­теризуются некоторой дополнительной информацией (выраженной числами), его называют взвешенным , а числа - весами рёбер. Вес рёбер может соответствовать, например, расстоянию между объектами (городами).

Если ребра графа указывают направление (представлены стрелками), то граф называют ориентированным (орграфом). Движение в ориентированном графе возможно тольеко в одном направлении (по стрелкам). Связи между объектами – вершинами в таком случае считаются несимметричными. У неориентированного графа связи между объектами – вершинами симметричны.



Одинаковые, но по-разному нарисованные графы, называют изоморфными . У изоморфных графов соединены одни и те же вершины.

Степенью вершины графа называется количество выходящих из нее ребер. Вершина, имеющая четную степень, называется четной вершиной , Вершина, имеющая нечетную степень, называется нечетной вершиной. На рисунке вершины A, B, D – чётные. Их степень равна 2. Вершины С, Е – нечётные. Их степень равна 3.

С понятием степени вершины связана одна из основных теорем теории графов – теорема о чётности числа нечетных вершин.

Теорема : Любой граф содержит четное число нечетных вершин.

Для иллюстрации рассмотрим задачу.

В городе Маленьком 5 телефонов. Можно ли их соединить проводами так, чтобы каждый телефон был соединен ровно с 3-мя другими?

Решение: Допустим, что такое соединение телефонов возможно. Тогда представим себе граф, в котором вершины обозначают телефоны, а ребра – провода, их соединяющие. Подсчитаем, сколько всего получится проводов. К каждому телефону подключено ровно 3 провода, т.е. степень каждой вершины нашего графа – 3. Чтобы найти число проводов, надо просуммировать степени всех вершин графа и полученный результат разделить на 2 (т.к. каждый провод имеет два конца и при суммировании степеней каждый провод взят 2 раза). (3*5)/2=15/2=7,5

Но это число не целое, то есть количество проводов получится разным. Значит наше предположение о том, что можно соединить каждый телефон ровно с пятью другими, оказалось неверным.

Ответ. Соединить телефоны таким образом невозможно.
Есть еще одно важное понятие, относящееся к графам – понятие связности. Граф называется связным , если любые две его вершины можно соединить путем , т.е. непрерывной последовательностью ребер. Существует целый ряд задач, решение которых основано на понятии связности графа. Граф на рисунке ниже имеет три компоненты связности (состоит из трёх отдельных частей).

Вершина, не имеющая рёбер, называется изолированной вершиной и составляет отдельную компоненту связности. Вершина, имеющая только одно ребро, называется концевой или висячей .

Путь по вершинам и рёбрам графа, в который любое ребро графа входит не более одного раза, называется цепью (1) . Цепь, начальная и конечная вершины которой совпадают, называется циклом (2). Дерево (иерархия ) – это граф, в котором нет циклов (3), т. е. в нём нельзя из не­которой вершины пройти по нескольким различным рёбрам и вер­нуться в ту же вершину. Отличительной особенностью дерева явля­ется то, что между любыми двумя его вершинами существует един­ственный путь.

(1)
(2)
(3)

Всякая иерархическая система может быть представлена с по­мощью дерева. У дерева выделяется одна главная вершина, называе­мая его корнем. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет только одного предка, обозначенный им объект входит в один класс1 высше­го уровня. Любая вершина дерева может порождать несколько по­томков - вершин, соответствующих классам нижнего уровня. Такой принцип связи называется «один-ко-многим». Вершины, не име­ющие порождённых вершин, называются листьями.

Например, родственные связи между членами семьи удобно изображать с по­мощью графа, называемого генеалогическим или родословным дере­вом.

Граф с циклом называется сетью. Если героев некоторого литера­турного произведения представить вершинами графа, а существую­щие между ними связи изобразить рёбрами, то мы получим граф, на­зываемый семантической сетью.

4.10 Использование графов при решении задач
Пример 1. Для того чтобы записать все трёхзначные числа, состо­ящие из цифр 1 и 2, можно воспользоваться графом (деревом)

Дерево можно не строить, если не требуется выписывать все воз­можные варианты, а нужно просто указать их количество. В этом случае рассуждать нужно так: в разряде сотен может быть любая из цифр 1 и 2, в разряде десятков - те же два варианта, в разряде еди­ниц - те же два варианта. Следовательно, число различных вариан­тов: 2 2 2 = 8.

В общем случае, если известно количество возможных вариантов выбора на каждом шаге построения графа, то для вычисления обще­го количества вариантов нужно все эти числа перемножить.

Пример 2. Рассмотрим несколько видоизменённую классическую задачу о переправе.

На берегу реки стоит крестьянин (К) с лодкой, а рядом с ним - собака (С), лиса (Л) и гусь (Г). Крестьянин должен переправиться сам и перевезти собаку, лису и гуся на другой берег. Однако в лодку кроме крестьянина помещается либо только собака, либо только лиса, либо только гусь. Оставлять же собаку с лисой или лису с гу­сем без присмотра нельзя - собака представляет опасность для лисы, а лиса - для гуся. Как крестьянин должен организовать пе­реправу?

Для решения этой задачи составим граф, вершинами которого бу­дут исходное размещение персонажей на берегу реки, а также всевоз­можные промежуточные состояния, достигаемые из предыдущих за один шаг переправы. Каждую вершину-состояние переправы обозна­чим овалом и свяжем рёбрами с состояниями, образованными из неё. Недопустимые по условию задачи состояния выделены пунк­тирной линией; они исключаются из дальнейшего рассмотрения. Начальное и конечное состояния переправы выделены жирной ли­нией.

На графе видно, что существует два решения этой задачи. При­ведём соответствующий одному из них план переправы:


  1. крестьянин перевозит лису;

  2. крестьянин возвращается;

  3. крестьянин перевозит собаку;

  4. крестьянин возвращается с лисой;

  5. крестьянин перевозит гуся;

  6. крестьянин возвращается;

  7. крестьянин перевозит лису.
Пример 3. Рассмотрим следующую игру: сначала в кучке лежит 5 спичек; два игрока убирают спички по очереди, причём за 1 ход можно убрать 1 или 2 спички; выигрывает тот, кто оставит в кучке спичку. Выясним, кто выигрывает при правильной игре - первый (I) или второй (II) игрок.

Игрок I может убрать одну спичку (в этом случае их останется 4) или сразу 2 (в этом случае их останется 3).

Если игрок I оставил 4 спички, игрок II может своим ходом оста­вить 3 или 2 спички. Если же после хода первого игрока осталось 3 спички, второй игрок может выиграть, взяв две спички и оставив одну.

Если после игрока II осталось 3 или 2 спички, то игрок I в каждой из этих ситуаций имеет шанс на выигрыш.

Таким образом, при правильной стратегии игры всегда выиграет первый игрок. Для этого своим первым ходом он должен взять одну спичку.

На рис. 2.8 представлен граф, называемый деревом игры; на нём отражены все возможные варианты, в том числе ошибочные (проиг­рышные) ходы игроков.

Контрольные вопросы.


  1. Какие информационные модели относят к графическим?

  2. Приведите примеры графических информационных моделей, с которыми вы имеете дело:
а) при изучении других предметов; б) в повседневной жизни.

  1. Что такое граф? Что является вершинами и рёбрами графа? Укажите на собственном графе-примере.

  2. Какой граф называют ориентированным? Взвешенным?

  3. Какие графы называют изоморфными?

  4. Что такое степень вершины? Укажите степени вершин в вашем графе.

  5. Сформулируйте теорему о чётности числа нечетных вершин.

  6. Какой граф называют связным? Изобразите граф с двумя компонентами связности.

  7. Какую вершину называют изолированной? Висячей? Укажите на собственном примере – графе.

  8. Что такое путь? Цепь? Цикл? Приведите примеры цепей и циклов, имеющихся в вашем графе.

  9. Что такое дерево? Моделями каких систем могут служить де­ревья? Приведите пример такой системы.

  10. Составьте семантическую сеть по русской народной сказке «Ко­лобок».
Презентация:

2. Какие информационные модели относят к графическим?

К графическим информационным моделям являются простейшим видом моделей, которые передают внешние признаки объекты - размеры, форму, цвет.

3. Приведите примеры графических информационных моделей, с которыми вы имеете дело:
а) при изучении других предметов;
б) в повседневной жизни.

а) Электрические схемы по физике, схема Куликовской битвы по истории, политическая карта мира, чертежи по черчению.
б) График погоды на неделю, карта.

4. Что такое граф? Что является вершинами и рёбрами графа на рис. 1.6? Приведите примеры цепей и циклов, имеющихся в этом графе. Определите, какие два пункта наиболее удалены друг от друга (два пункта считаются самыми удалёнными, если длина кратчайшего пути между ними больше, чем длина кратчайшего пути между любыми другими двумя пунктами). Укажите длину кратчайшего пути между этими пунктами.


Граф - это объект изображенный с помощью вершин, а связи между ними - линиями (ребрами).
На данном рисунке вершины - города A, B, C, D, E; рёбра - дороги(линии) между ними.
Города B и D - наиболее удалены друг от друга. Длина кратчайшего пути между ними составляет 170.

5. Приведите пример системы, модель которой можно представить в форме графа. Изобразите соответствующий граф.

Пример графа: Персональный компьютер

6. Грунтовая дорога проходит последовательно через населённые пункты А, В, С и D. При этом длина грунтовой дороги между А и В равна 40 км, между В и С - 25 км, и между С и D - 10 км. Между А и D дороги нет. Между A и С построили новое асфальтовое шоссе длиной 30 км. Оцените минимально возможное время движения велосипедиста из пункта А в пункт В, если его скорость по грунтовой дороге - 20 км/ч, по шоссе - 30 км/ч.


На графе черная линия - асфальтированное шоссе, а серая линия - грунтовая дорога.
По условию скорость велосипедиста по грунтовой - 20 км/ч, по шоссе - 30 км/ч.
От A до B можно добраться двумя способами: 1) 40 км по грунтовой дороге; 2) 30 по шоссе и 25 км по грунту.
Найдем время, которое может затратить велосипедист этими двумя способами(Расстояние делим на скорость).
1) 40:20 = 2 часа.
2) 25:20 = 1,25 часа по грунту, 30:30 = 1 час по шоссе, 2,25 часа займёт весь путь.
Ответ: 2 часа по грунтовой дороге в 40 км.

7. Составьте семантическую сеть по русской народной сказке «Колобок».

8. Что такое дерево? Моделями каких систем могут служить деревья? Приведите пример такой системы.

Дерево - это граф, в котором нет циклов. Все иерархические системы можно представить в виде дерева.
Пример: генеалогическое дерево.

9. Сколько трёхзначных чисел можно записать с помощью цифр 2, 4, 6 и 8 при условии, что в записи числа не должно быть одинаковых цифр?

246; 248; 264; 284; 268; 286
426; 428; 462; 468; 482; 486
624; 628; 642; 648; 682; 684
824; 826; 842; 846; 862; 864
Всего 24 числа.

10. Сколько существует трёхзначных чисел, все цифры которых различны?

Всего цифр 10: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
В трёхзначном числе три места
На первое можно поставить любую из девяти цифр(0 нельзя)- 9 способов
На второе место останется 8 цифр + 0 = 9 цифр - 9 способов
На третье место 8 цифр, - 8 способов
Всего 9·9·8=648 чисел

11. Для составления цепочек используются бусины, помеченные буквами А, В, С, D, Е. На первом месте в цепочке стоит одна из бусин А, С, Е. На втором - любая гласная, если первая буква гласная, и любая согласная, если первая согласная. На третьем месте - одна из бусин С, D, Е, не стоящая в цепочке на первом месте. Сколько цепочек можно создать по этому правилу?



13 вариантов

12. Два игрока играют в следующую игру. Перед ними лежит куча из 6 камней. Игроки берут камни по очереди. За один ход можно взять 1, 2 или 3 камня. Проигрывает тот, кто забирает последний камень. Кто выигрывает при безошибочной игре обоих игроков - игрок, делающий первый ход, или игрок, делающий второй ход? Каким должен быть первый ход выигрывающего игрока? Ответ обоснуйте.


При безошибочной игре выигрывает первый игрок. Своим первых ходом он должен взять один камень. В куче остается пять камней. Какой бы ход ни сделал второй игрок, в куче останется 4, 3 или 2 камня. Это позволяет первому игроку своим вторым ходом оставить в куче ровно один камень, его и должен будет забрать своим вторым ходом второй игрок.

В графических информационных моделях для наглядного отображения объектов используются условные графические изображения (образные элементы), зачастую дополняемые числами, символами и текстами (знаковыми элементами). Примерами графических моделей могут служить всевозможные схемы, карты, чертежи, графики и диаграммы.

Схема - это представление некоторого объекта в общих, главных чертах с помощью условных обозначений. С помощью схем может быть представлен и внешний вид объекта, и его структура. Схема как информационная модель не претендует на полноту предоставления информации об объекте. С помощью особых приёмов и графических обозначений на ней более рельефно выделяется один или несколько признаков рассматриваемого объекта. Примеры схем приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4.
Примеры схем, используемых на уроках физики, биологии, истории

Уменьшенное обобщённое изображение поверхности Земли на плоскости в той или иной системе условных обозначений даёт нам географическая карта.

Чертёж - условное графическое изображение предмета с точным соотношением его размеров, получаемое методом проецирования. Чертёж содержит изображения, размерные числа, текст. Изображения дают представления о геометрической форме объекта, числа - о величине объекта и его частей, надписи - о названии, масштабе, в котором выполнены изображения.

График - линия, дающая наглядное представление о характере зависимости одной величины (например, пути) от другой (например, времени). График позволяет отслеживать динамику изменения данных.

Диаграмма - графическое изображение, дающее наглядное представление о соотношении каких-либо величин или нескольких значений одной величины, об изменении их значений. Более подробно типы диаграмм и способы их построения будут рассмотрены при изучении электронных таблиц.

2.3.2. Графы

Если объекты некоторой системы изобразить вершинами, а связи между ними - линиями, то мы получим информационную модель рассматриваемой системы в форме графа. Граф состоит из вершин, связанных линиями - рёбрами. Вершины графа могут изображаться кругами, овалами, точками, прямоугольниками и т. д.

Граф называется взвешенным, если его вершины или рёбра характеризуются некоторой дополнительной информацией - весами вершин или рёбер.

На рис. 2.5 с помощью взвешенного графа изображены дороги между пятью населёнными пунктами А, Б, С, D, Е; веса рёбер - протяжённость дорог в километрах.

Рис. 2.5.
Взвешенный граф

Путь по вершинам и рёбрам графа, в который любое ребро графа входит не более одного раза, называется цепью. Цепь, начальная и конечная вершины которой совпадают, называется циклом.

Граф с циклом называется сетью. Если героев некоторого литературного произведения представить вершинами графа, а существующие между ними связи изобразить рёбрами, то мы получим граф, называемый семантической сетью.

Графы как информационные модели находят широкое применение во многих сферах нашей жизни. Например, можно существующие или вновь проектируемые дома, сооружения, кварталы изображать вершинами, а соединяющие их дороги, инженерные сети, линии электропередач и т. п. - рёбрами графа. По таким графам можно планировать оптимальные транспортные маршруты, кратчайшие объездные пути, расположение торговых точек и других объектов.

Дерево - это граф, в котором нет циклов, т. е. в нём нельзя из некоторой вершины пройти по нескольким различным рёбрам и вернуться в ту же вершину. Отличительной особенностью дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь.

Всякая иерархическая система может быть представлена с помощью дерева. У дерева выделяется одна главная вершина, называемая его корнем. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет только одного предка, обозначенный им объект входит в один класс 1 высшего уровня. Любая вершина дерева может порождать несколько потомков - вершин, соответствующих классам нижнего уровня. Такой принцип связи называется «один-ко-многим». Вершины, не имеющие порождённых вершин, называются листьями.

    1 Класс - множество объектов, обладающих общими признаками.

Родственные связи между членами семьи удобно изображать с помощью графа, называемого генеалогическим или родословным деревом.

Ресурс «Живая Родословная» (http://school-collection.edu.ru/) - инструмент для формирования и анализа генеалогических деревьев, содержащий примеры родословных. С его помощью вы можете изучить генеалогические деревья многих известных семей и построить генеалогическое дерево своей семьи.

2.3.3. Использование графов при решении задач

Графы удобно использовать при решении некоторых классов задач.

Пример 1 . Для того чтобы записать все трёхзначные числа, состоящие из цифр 1 и 2, можно воспользоваться графом (деревом) на рис. 2.6.

Рис. 2.6.
Дерево для решения задачи о записи трёхзначных чисел

Дерево можно не строить, если не требуется выписывать все возможные варианты, а нужно просто указать их количество. В этом случае рассуждать нужно так: в разряде сотен может быть любая из цифр 1 и 2, в разряде десятков - те же два варианта, в разряде единиц - те же два варианта. Следовательно, число различных вариантов: 2 2 2 = 8.

В общем случае, если известно количество возможных вариантов выбора на каждом шаге построения графа, то для вычисления общего количества вариантов нужно все эти числа перемножить.

Пример 2. Рассмотрим несколько видоизменённую классическую задачу о переправе.

На берегу реки стоит крестьянин (К) с лодкой, а рядом с ним - собака (С), лиса (Л) и гусь (Г). Крестьянин должен переправиться сам и перевезти собаку, лису и гуся на другой берег. Однако в лодку кроме крестьянина помещается либо только собака, либо только лиса, либо только гусь. Оставлять же собаку с лисой или лису с гусем без присмотра нельзя - собака представляет опасность для лисы, а лиса - для гуся. Как крестьянин должен организовать переправу?

Для решения этой задачи составим граф, вершинами которого будут исходное размещение персонажей на берегу реки, а также всевозможные промежуточные состояния, достигаемые из предыдущих за один шаг переправы. Каждую вершину-состояние переправы обозначим овалом и свяжем рёбрами с состояниями, образованными из неё (рис. 2.7).

Рис. 2.7.
Граф переправы

Недопустимые по условию задачи состояния выделены пунктирной линией; они исключаются из дальнейшего рассмотрения. Начальное и конечное состояния переправы выделены жирной линией.

На графе видно, что существует два решения этой задачи. Приведём соответствующий одному из них план переправы:

  1. крестьянин перевозит лису;
  2. крестьянин возвращается;
  3. крестьянин перевозит собаку;
  4. крестьянин возвращается с лисой;
  5. крестьянин перевозит гуся;
  6. крестьянин возвращается;
  7. крестьянин перевозит лису.

Пример 3 . Рассмотрим следующую игру: сначала в кучке лежит 5 спичек; два игрока убирают спички по очереди, причём за 1 ход можно убрать 1 или 2 спички; выигрывает тот, кто оставит в кучке 1 спичку. Выясним, кто выигрывает при правильной игре - первый (I) или второй (II) игрок.

Игрок I может убрать одну спичку (в этом случае их останется 4) или сразу 2 (в этом случае их останется 3).

Если игрок I оставил 4 спички, игрок II может своим ходом оставить 3 или 2 спички. Если же после хода первого игрока осталось 3 спички, второй игрок может выиграть, взяв две спички и оставив одну.

Если после игрока II осталось 3 или 2 спички, то игрок I в каждой из этих ситуаций имеет шанс на выигрыш.

Таким образом, при правильной стратегии игры всегда выиграет первый игрок. Для этого своим первым ходом он должен взять одну спичку.

На рис. 2.8 представлен граф, называемый деревом игры; на нём отражены все возможные варианты, в том числе ошибочные (проигрышные) ходы игроков.

Рис. 2.8.
Дерево игры

Самое главное

В графических информационных моделях для наглядного отображения объектов используются условные графические изображения (образные элементы), зачастую дополняемые числами, символами и текстами (знаковыми элементами). Примерами графических моделей могут служить всевозможные схемы, карты, чертежи, графики и диаграммы, графы.

Граф состоит из вершин, связанных линиями - рёбрами. Граф называется взвешенным, если его вершины или рёбра характеризуются некоторой дополнительной информацией - весами вершин (рёбер).

Путь по вершинам и рёбрам графа, в который любое ребро графа входит не более одного раза, называется цепью. Цепь, начальная и конечная вершины которой совпадают, называется циклом. Граф с циклом называется сетью.

Граф иерархической системы называется деревом. Отличительной особенностью дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь.

Вопросы и задания

  1. Какие информационные модели относят к графическим?
  2. Приведите примеры графических информационных моделей, с которыми вы имеете дело:
    • а) при изучении других предметов;
    • б) в повседневной жизни.
  3. Что такое граф? Что является вершинами и рёбрами графа на рис. 2.5? Приведите примеры цепей и циклов, имеющихся в этом графе. Определите, какие два пункта наиболее удалены друг от друга (два пункта считаются самыми удалёнными, если длина кратчайшего пути между ними больше, чем длина кратчайшего пути между любыми другими двумя пунктами). Укажите длину кратчайшего пути между этими пунктами.
  4. Приведите пример системы, модель которой можно представить в форме графа. Изобразите соответствующий граф.
  5. Грунтовая дорога проходит последовательно через населённые пункты А, В, С и D. При этом длина грунтовой дороги между А и В равна 40 км, между В и С - 25 км, и между С и D - 10 км. Между А и D дороги нет. Между Л и С построили новое асфальтовое шоссе длиной 30 км. Оцените минимально возможное время движения велосипедиста из пункта А в пункт В, если его скорость по грунтовой дороге - 20 км/ч, по шоссе - 30 км/ч.
  6. Составьте семантическую сеть по русской народной сказке «Колобок».
  7. Что такое дерево? Моделями каких систем могут служить деревья? Приведите пример такой системы.
  8. Сколько трёхзначных чисел можно записать с помощью цифр 2, 4, 6 и 8 при условии, что в записи числа не должно быть одинаковых цифр?
  9. Сколько существует трёхзначных чисел, все цифры которых различны?
  10. Для составления цепочек используются бусины, помеченные буквами: А, Б, С, D, Е. На первом месте в цепочке стоит одна из бусин А, С, Е. На втором - любая гласная, если первая буква гласная, и любая согласная, если первая согласная. На третьем месте - одна из бусин С, D, Е, не стоящая в цепочке на первом месте. Сколько цепочек можно создать по этому правилу?
  11. Два игрока играют в следующую игру. Перед ними лежит куча из 6 камней. Игроки берут камни по очереди. За один ход можно взять 1, 2 или 3 камня. Проигрывает тот, кто забирает последний камень. Кто выигрывает при безошибочной игре обоих игроков - игрок, делающий первый ход, или игрок, делающий второй ход? Каким должен быть первый ход выигрывающего игрока? Ответ обоснуйте.

ЦЕЛИ:

  • ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ:
  • научить строить модели изучаемых объектов с использованием диаграмм;
  • освоить способы визуализации числовых данных;
  • закрепление понятий и навыков работы с электронной таблицей Microsoft Excel;
  • обобщение и закрепление материала по теме: “Основы учения о клетке”

РАЗВИВАЮЩАЯ:

  • развивать навыки формализации при решении информационных задач с помощью средств электронного процессора;
  • развивать способность анализировать и обобщать изученный материал.

ВОСПИТЫВАЮЩАЯ:

  • восприятие компьютера как инструмента обработки информационных объектов;
  • сформировать у учащихся представление о вредном воздействии факторов внешней среды на жизнедеятельность организма.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Таблицы, муляжи, карточки с заданиями, компьютеры, программное обеспечение - Еxcel, учебная презентация “Клетка” <Приложение1> , презентация “Модель” < Приложение2> , географическая карта Европы, модель головного мозга птицы, модель скелета человека, микроскоп.

ХОД УРОКА

I. ОРГАНИЗАЦИЯ КЛАССА

II. ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО (учитель информатики)

В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграции наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал информатики и биологии по темам “Модели”, “Построение диаграмм и графиков в ЭТ Excel”, “Основы учения о клетке” с использованием компьютерных технологий.

III. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ

ИНФОРМАТИКА

Ответ уч-ся по теме “Моделирование”

Демонстрация презентации “Модель”

Вопросы по теме “Модели”:

Что такое модель?

Какие свойства реальных объектов воспроизводят следующие
модели:

  • муляж яблока;
  • чучело птицы;
  • скелет человека в кабинете биологии.

Что такое информационная модель?

Поясните разницу между технической моделью самолета и информационной моделью самолета - чертежом.

Приведите различные примеры графических информационных моделей.

Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процессов?

IV. Работа в тетради

Учитель демонстрирует различные модели по биологии.

Записать в тетради в 1-й столбик материальные модели, во 2-й – информационные,

во 2-м столбике пометить графические модели.

V. Объяснение нового материала (“Компьютерное моделирование”)

Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.

В моделировании есть два разных пути. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей. Например, это игрушечный кораблик, самолетик, домик из кубиков и множество других натурных моделей. Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно - словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-то правилам, математическими соотношениями и т. д.

Цели моделирования:

  • модель нужна для того, чтобы понять, как устроен конкретный объект (или как проистекает процесс), какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);
  • модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом) и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);
  • модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).

Эти цели могут, как сочетаться в одной модели, так и достигать порознь.

На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время информационные модели обычно строятся и исследуются с использованием современных компьютерных технологий.

Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:

Использование компьютера для исследования информационных моделей различных объектов и систем, позволяет изучить их изменения, в зависимости от значения тех или иных параметров. Процесс разработки моделей и их исследования на компьютере, можно разделить на несколько основных этапов.

На первом этапе исследования объекта или процесса, обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяет существенные, с точки зрения целей

проводимого исследования, параметры объекта, а несущественными параметрами пренебрегает.

На втором этапе создается формализованная модель, то есть описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

Однако далеко не всегда удается найти формулы, явно выражающие искомые величины через исходные данные. В таких случаях используются приближенные математические методы, позволяющие получать результаты с заданной точностью.

На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную модель, то есть, выразить ее на понятном для компьютера языке. Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели:

  • построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;
  • построение компьютерной модели с использованием
    одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и пр.).

В процессе создания компьютерной модели полезно разработать удобный графический интерфейс, который позволит визуализировать формальную модель, а также реализовать интерактивный диалог человека с компьютером на этапе исследования модели.

Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.

Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.

Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при построении описательной качественной модели.

Прежде чем строить информационную модель, производится системный анализ объекта моделирования.

Задача системного анализа - выделить существенные части, свойства, связи моделируемой системы, определить ее структуру.

БИОЛОГИЯ

VI. Вступительное слово учителю биологии

Биология изучает многообразие форм жизни. На Земле существует огромное многообразие организмов. Различаясь между собой рядом существенных признаков, они имеют общее свойство - клеточное строение.

VII. Индивидуальное задание по карточкам (у доски 4 человека)

КАРТОЧКА № 1

Каково строение клетки?

Написать на доске, из каких основных, главных частей состоит клетка.

КАРТОЧКА № 2

Написать на доске органоиды клетки – особые клеточные органы, расположенные в цитоплазме, и в которых протекают основные жизненные процессы.

КАРТОЧКА № 3

Используя магнитное пособие, собрать модель животной клетки.

КАРТОЧКА № 4

Для чего используется в электронных таблицах экспоненциальный (научный формат) представления чисел?

Представить числа в научном формате.

VIII. Актуализация знаний (беседа с классом)

Показ презентации “Клетка”

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ПО ТЕМЕ “КЛЕТКА”:

  1. Какое строение имеет животная и растительная клетка?
  2. Чем отличается животная клетка от растительной?
  3. В чем сходство в строении клеток различных организмов?
  4. Написать на доске, из каких основных, главных частей состоит клетка (обратить внимание на грамотность написания слов).
  5. Функция, значение, роль: клеточной мембраны, цитоплазмы, ядра.
  6. Почему цитоплазму называют внутренней средой клетки?
  7. Перечислить органоиды клетки (их еще называют особыми клеточными органами).
  8. Какие клетки не имеют ядра? Как их еще называют?
  9. Как называют организмы, в клетках которых есть ядро?
  10. Что изучает цитология?
  11. История возникновения цитологии.
  12. Что называется тканью?
  13. Сколько химических элементов в периодической системе Менделеева?
  14. Сколько химических элементов содержится в животной клетке?
  15. Макроэлементы - это…
  16. В чем заключается значение углерода?
  17. Написать химические знаки макроэлементов.
  18. В чем значение макроэлементов?
  19. Микроэлементы – это…
  20. Написать химические знаки микроэлементов.
  21. В чем значение микроэлементов?
  22. Какие болезни возникают при недостатке микроэлементов?
  23. Какие химические соединения находятся в клетке?

IX. Проверка заданий у доски

ИНФОРМАТИКА

X. Компьютерное моделирование (учитель информатики)

Наглядным способом представления информационных моделей являются графические изображения: карты, чертежи, схемы, графики.

Электронные таблицы (так же, как и базы данных) можно рассматривать как информационные модели реальных объектов или процессов.

Способом наглядного представления числовых данных является диаграмма.

Тип диаграммы устанавливается в зависимости от представленных в диаграмме данных и необходимости получения результирующих описаний числовых зависимостей.

Диаграмма состоит из нескольких элементов, которые можно последовательно и независимо друг от друга отредактировать, выделяя нужный объект двойным щелчком мыши.

На материале биологии по теме “клетка” построим графическую информационную модель

Учащиеся работают в парах (один выполняет роль консультанта и отвечает на вопросы по теме “электронные таблицы”, другой - выполняет задание на компьютере по построению модели)

Задание№1

Построить информационную графическую модель (столбчатую диаграмму), отражающую содержание химических элементов клетки, средствами электронной таблицы Microsoft Excel.

Элементы Количество (в %)
Кислород 70
Углерод 15
Водород 9
Азот 2,2
Кальций 2
Фосфор 1
Калий 0,4
Сера 0,2
Хлор 0,1
Магний 0,03
Натрий 0,03
Микроэлементы 0,025
Железо 0,015

Вопросы по теме “Электронные таблицы”:

  1. Что такое табличный процессор?
  2. Какими функциональными возможностями обладает электронные таблицы?
  3. Что в электронной таблице называют ячейкой?
  4. Как именуются ячейки таблицы?
  5. Какая информация может храниться в ячейках?
  6. Как ввести формулу в ячейку?
  7. В чем разница между режимом отображения формул и режимом отображения значений?
  8. Что происходит в электронной таблице в результате замены числа в ячейке на новое значение?
  9. Что необходимо сделать для выделения всей строки?
  10. Что необходимо сделать для выделения всего столбца?
  11. В каких форматах электронные таблицы могут представлять числовые данные?
  12. Для чего используются диаграммы?
  13. Какие типы диаграмм вам знакомы?
  14. Что показывает легенда?
  15. Когда применяется научный или экспоненциальный формат чисел?
  16. Какие встроенные функции есть в электронных таблицах?

XI. Региональный компонент

XII. Физминутка

БИОЛОГИЯ

XIII. Системный анализ

  1. Какое значение воды?
  2. Какое значение минеральных веществ?
  3. Какое значение органических веществ: белков, углеводов, жиров (липидов), нуклеиновых кислот?
  4. Почему клетка считается сложнейшей химической лабораторией?
  5. Какие жизненно важные процессы происходят в клетках?

ИНФОРМАТИКА

XIV. Компьютерное моделирование

Задание№2

Построить информационную графическую модель (круговую диаграмму), отражающую содержание в клетке химических соединений, средствами электронной таблицы Microsoft Excel.

XV. Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность организма

(алкоголь, никатин, наркотики, загрязнения окружающей среды)

Беседа с учащимися.

XVI. Подведение итогов:

Учитель информатики:

Учитель биологии:

Домашнее задание:

ИНФОРМАТИКА

Выписать в тетрадь слова изученной темы, трудные для запоминания (экспоненциальный, модель, электронная таблица, компьютерный эксперимент).

Опережающее задание:

  • “Электронные таблицы и математическое моделирование”
  • Использование электронных таблиц в научных целях (для прогнозирования)
  • Сообщения уч-ся по данной теме из других источников.

БИОЛОГИЯ

Опираясь на параграф из учебника “Строение клетки”, доказать, что клетка-биосистема.

Поделиться:

Похожие статьи