情報科教育法第８回 「情報の科学的理解とは何か」 東京理科大 清水克彦 指導要領課題例：「修学旅行の計画」を 立てる 生徒に興味のある問題を取り入れることで、 問題解決の授業を行う。 ここで考えられる解決プロセス 問題の発 見・設定 情報の収 集・整理 情報の分 析・検討 情報の発 信・伝達 解決案の実 施 「修学旅行の計画」の問題の設定 何を決めれば、「修学旅行の計画」をした ことになるのか。 目的地、旅行形態（体験型・見学型など）、 旅程、旅費など それをどのような方法で決めたらよいだ ろうか。 問題を理解し設定するための方法 要求分析(Need Analysis)：実際に行く生徒や 先生、そして親などの希望や要求を、アンケー トや過去のデータをもとに収集分析する。 課題分析（Task Analysis)：修学旅行という課題 をその条件の面から分析する。３泊４日で行け る範囲はどこか、全校生徒（例：８００人）が同時 に移動できる交通手段にはどのようなものがあ るか、などなど 「修学旅行の計画」のためにどのような 情報を集めるか 旅行形態のための情報 移動手段のための情報 旅行先を決めるための情報 旅行先に関する情報 旅程に関する情報 旅費に関する情報 問題解決のための情報源：情報機器の役割は 何か 体験による情報収集 刊行物などからの情 報収集 電子メディアからの 情報収集 情報通信ネットワー クからの情報収集 ・会議 ・調査（現地調査、サ ンプリング調査、ヒヤ リング、アンケートな ど） ・実験（科学的な実験、 模擬実験など） ・講演会・説明会など への参加（説明会、 研究発表会、シンポ ジウム、パネル討論 など） ・刊行物（新聞、週刊 誌、月刊誌、機関紙、 論文、報告書、パンフ レットなど） ・書籍（図書、写真集、 解説書、マニュアル、 地図、時刻表など） ・磁気記憶メディア （音楽ソフト、ビデオソ フトなど） ・光記憶メディア（音 楽ソフト、ビデオソフト、 電子書籍、データ ベース型ソフト、パッ ケージ型ソフトなど） ・放送（テレビ、ラジオ、 インターネットラジオ・ 放送など） ・電話、ファックス ・電子メール、めーリ ングリスト、電子掲示 板 ・Ｗｅｂ ・ネットニュース ・チャットなど 修学旅行の計画のために役立つ情報源 を具体的に同定する 旅行形態や旅行先を決定するための情 報源にはどのようなものがあるか 詳細な旅行先に関する情報源には 旅程に関する情報源には 旅費に関する情報源には 情報源の解答例 旅行形態や旅行先を決定するための情報源：ヒヤリング・アン ケート調査、今までの修学旅行・他校の修学旅行の情報 詳細な旅行先に関する情報源：旅行ガイドブック、電話・電子 メール、メーリングリスト・Ｗｅｂページ、旅行会社カウンター 旅程に関する情報源には：旅行ガイドブック、地図、時刻表、電 話・電子メール、メーリングリスト・Ｗｅｂページ、交通検索ソフト、 旅行会社カウンター 旅費に関する情報源：旅行ガイドブック、運賃表、割引パックの 情報、電話・電子メール、メーリングリスト・Ｗｅｂページ、交通検 索ソフト、旅行会社カウンター 「修学旅行の計画」のための集めた情報をどの ように整理・分析するか 情報はデジタル化しておくと、情報の蓄 積・表現・伝達などの処理が統一的に行 える 情報源 文字 画像・動 画 音声 デジタル化の方法 保存形式 文字コード（キーボード、ＯＣ テキスト Ｒなど）(議事録・新聞・書籍 ファイル 画素３原色（ＲＧＢ）による数 値化（スキャーナー、動画用 画像・動画 ボード）（絵画、写真、イラス ファイル ト、動画など） 音の標本化による数値化（Ａ 音声ファイ Ｖ変換装置)、（音楽・ラジオ・ ル 会話記録など） 問題解決のための情報の蓄積・管理・分析 蓄積と管理のためには、デジタル化が望ましい とともに、ディレクトリーやフォルダー、ファイル などにきちんとした構造を持って整理しておくこ とが肝心である。 情報の分析のためには、索引づくり(分類）、重 み付け（重要度を判定する）、ＫＪ法（似たものを 集め、それを構造的に配置する）などのことを 行う必要がある。 ディレクトリー、フォルダー、ファイル ディレクトリー コンピュータのな かで上手く情報を 整理し引き出せ るようにする。 情報整理のメタファー フォルダー ファイル 「修学旅行の計画」の計画のために集めた情 報から何を分析し発信するか プランを整理して、比較し、いくつかの条件のも とに優劣をつける（希望者の多さ、旅程、経費、 安全など） それをうまく構造化して、発信していく必要があ る。 問題解決のための情報分析・発信にお ける情報の構造化 線型構造に整理する：直線的な構造で、手順や順序を 持つ情報を整理する。機器の接続、スケジュールなど 階層構造に整理する：上下関係の位置と結びつきで、 会社組織などのように上下関係が持つ情報を整理する。 コンピュータのフォルダー、ファイル、植物分類など ネットワーク構造に整理する：多くの内容と関係が複雑 に絡んでいる場合に、ネットワークの形で整理する。路 線図、Ｗｅｂのページの構造など 問題解決のための情報発信の手段：「修学旅 行の計画」の場合 壁新聞： ポスター： どんな情報機器が 活用できるのだろ 配布物： うか。 ビデオ： Ｗｅｂページ： プレゼンテーションソフト： 説明会： 情報の発信における留意点 「受け手の立場」を考える：読みやすさ（明瞭さ・簡潔さ など）のための工夫、欲しい情報がそこにあるのか、マ ルチメディアの活用（望ましい情報提示法の選択）、モ ラルへの配慮 「送り手の立場」を考える：伝えたいことが伝わっている か、提示したい情報がそこにあるか、著作権を侵害して いないかなど 自分たちの主張がアピールが上手く通るように、様々な 配慮をすること 問題解決のプロセスを通じて、情報は評価しな がら使い・発信する必要がある 情報の評価のための３つの観点 情報の品質：もとの情報源に忠実に収集・表現され ているか。誤り、劣化などが起こっていないか。 情報の信頼性：信頼できる人、たしかな機関などか らの情報であるのか。作成者や差出人のない情報 への疑いを持つ。 情報の有効性：その情報が、自分たちの問題解決 のためにどれぐらい役に立つのか。旅行の情報の 場合では、古い時刻表は有効でない。 生徒にとって興味のある問題のありか 生徒と社会の関係から出てくる「問題」 生徒の興味の方向性から出てくる「問題」 生徒の個人的な歴史から出てくる「問題」 生徒と社会の関係から出てくる問題 世界の出来事 他の地域 地域の会社 友達 親戚・家族 地域の人 クラブ 学校 地域の公共施設など 日本 生徒の興味の方向性から出てくる「問題」 暮らす・楽しむ 食べる・生きる 学ぶ・教える 悩む・考える 過去・将来 知る・伝える 買う・売る 働く・遊ぶ 生徒の個人的な歴史から出てくる「問題」 生まれる 兄弟ができる 学校に入る（入学式など） 親しい人が亡くなる 学校生活 結婚する 卒業する（卒業式など） 家を買う 進学する（試験など） 旅行に行く 就職する 社会活動をする よい問題選びが、情報活用の実践力の育成の 決め手となる 生徒が意欲的取り組めるテーマであること 生徒がある程度長い期間取り組めるプロジェクトであ ること 情報の収集・整理・統合・発信・表現などの活動がプ ロセスとして現れること 問題解決の工夫を様々に試みられるものであること 情報機器が貢献できるようになっていること 情報A,B,Cと育成する力 情報活用の実践力 をつける方向 情報A 情報C 情報社会に参画する 態度を付ける方向 情報B 情報の科学的な理 解を深める方向 情報の科学的理解 「情報活用の基礎となる情報手段・特性の理解 と、情報を適切に扱ったり、自ら情報活用能力 を評価・改善するための基礎的な理論や方法 の理解」（情報教育調査協力者会議、平成９年） 普通教科「情報」の内容であるとともに、専門教 科「情報」の内容でもあるのが、「情報の科学的 理解」である。 情報の科学的理解と情報Ａ、Ｂ、Ｃ 科目名 情報の科学的理解の指導方法 情報Ａ 情報活動の具体的例を通じて、帰納的に「情報の科学的な理 解」を育成し、体験的に「情報社会に参画する態度」を育成す る 情報Ｂ コンピュータの仕組みやコンピュータを活用した問題解決の学 習を通じて、「情報の科学的な理解」を深めていく、コンピュー タの機能や仕組みの理解だけにとどまらず、コンピュータを効 果的に活用するための考え方や方法を習得させ、「情報の科 学的な理解」を深めるとともに「情報活用の実践力」を高めるこ とが重要である。 情報Ｃ 情報活動に関連させて、情報機器や情報通信ネットワークの 仕組みや特性などの「情報の科学的な理解」も併せて育成す る。 「情報の科学的理解」と情報A（岡本２００２より） 学 習 内 容 情報A 学習内容の事例・留意点 （２）情報を活 用するための 工夫と情報機 器 イ 情報の発 信と共有に適 した情報の表 し方 コード系、ファイル形式、 プロトコル、情報の圧縮、 階層構造、ネットワーク 構造、情報の加工や再 利用 （４）情報機器 の発達と生活 の変化 ア 情報機器 の発達とその 仕組み アナログ、デジタル、コン ピュータ、情報通信ネット ワーク 「情報の科学的理解」と情報B 学 習 内 容 （１）問題解決とコン ピュータ 情報B （２）コンピュータの仕 組みと働き （３）問題のモデル化 とコンピュータを活用 した解決 学習内容の事例と・留意点 ア 問題解決における 手順とコンピュータの 活用 制約条件内の問題解決等の実習 ア コンピュータにおけ る情報の表し方 技術より基本的な考え方の理解 イ コンピュータにおけ る情報の処理 コンピュータの仕組み、モデル ウ 情報の表し方と処 理手順の工夫の必要 性 コンピュータを用いた課題の解決 ア モデル化とシミュ レーション 身の回りの現象や社会現象を題 材にして、考え方や方法を理解す る イ 情報の蓄積管理と データベース活用 データベースの概念を具体的に理 解する 「情報の科学的理解」と情報C 学 習 内 容 （１）情報の デジタル化 情報 C （２）情報通 信ネットワー クとコミュニ ケーション 学習内容の事例・留意 点 ア 情報のデ 文字コード、２進数表現、 ジタル化の 標本化、単位 仕組み ア 情報通信 プロトコル、インター ネットワーク ネット、電子メール、 の仕組み WWW、ブラウザ イ 情報通信 通信速度、回線の容量、 の効率的な 誤り検出・訂正、情報 方法 の圧縮・解凍 専門教科「情報」の科目構成 情報産業と社会 課題研究 情報実習 アルゴリズム 情報システムの開 発 ネットワークシステ ム モデル化とシミュ レーション コンピュータデザイ ン 図形と画像の処理 マルチメディア表現 情報科学の分野構成 分野 関連する科目内容 コンピュータ ハードウエア、ソフトウエア、アルゴリズム、 及び情報処理 プログラミング、計測・制御等 情報システム データベース、情報検索、情報システムの 設計・管理等 情報通信ネット 通信ネットワーク、インターネット、暗号、符 号等 ワーク マルチメディア 情報メディア、図形処理と画像処理等 表現及び技術 情報の処理：コンピュータの仕組み コンピュータの仕組みを理解するためのキー概念 基本原理としてのブール代数とスイッチング 回路 プログラム内臓方式コンピュータと万能チュー リング機械 オートマトン（状態遷移）の概念 ブール代数とスイッチング回路 コンピュータは何故「計算」ができるのかに対す る答えは、ブール代数の計算がスイッチング回 路によって実現されたからである。 ジョージ・ブール(Boole)が思考作用を論理的 に説明し、数学的に定式化するための真＝１、 偽＝０であらわし、２進数の計算の考え方を用 いて作り出したのがブール代数 ブール代数の基本演算 ＡＮＤ（論理積）：２つの入力が両方１の とき、出力が１になる演算 ＯＲ（論理和）：２つの入力のうち、いず れかが１のとき、出力が１になる演算 ＮＯＴ（否定）：入力が１なら０を、０なら１ を出力する演算 各演算の真理表 Ａ ０ ０ １ １ Ｂ ０ １ ０ １ Ｙ ０ ０ ０ １ Ａ ０ ０ １ １ Ｂ ０ １ ０ １ 論理積ＡＮＤ 論理和ＯＲ Ａ・Ｂ＝Ｙ Ａ＋Ｂ＝Ｙ Ｙ ０ １ １ １ Ａ ０ １ Ｙ １ ０ 否定ＮＯＴ not Ａ＝Ｙ 各演算を実現化したスイッチング回路 ＡＮＤ回路 ＯＲ回路 ＮＯＴ回路 スイッチの開閉でそれぞれの回路を実現した。これは、スイッ チの代わりに電気的に切断しても同じ。 排他的論理和をAND,OR,NOTで表現する ２つの入力がお互い異なる（０，１）（１,０）のとき に、出力が１となる回路を、ＡＮＤ回路、ＯＲ回 路、ＮＯＴ回路を一つずつ使って作成する。 Ａ ０ ０ １ １ Ｂ ０ １ ０ １ Ｙ ０ １ １ ０ ヒント： ＸＯＲの 真理表 ・ＡＮＤを２個、ＯＲを１個、 ＮＯＴを２個使う ・逆向きに考えよう ・最後はＯＲ回路一つ Ａ 答え Ｂ Ｙ Not A B A Not B Not A A and and B Not B (1) (2) (1) OR (2) 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 回路があれば２進数が計算できる。 例：ＡとＢの２つの入力に対して、次のようにすれば 加算ができる。 Ａ＋Ｂ＝２１＊ＡＮＤ（Ａ，Ｂ）＋２０：ＸＯＲ（Ａ，Ｂ） Ａ 0 Ｂ 0 0 1 1 1 0 1 ＡＮＤ（Ａ，Ｂ） ＸＯＲ（Ａ，Ｂ） 0 0 0 0 1 1 1 0 通常は３ビットの和を取って、２ビットの２進数を出力 するような加算回路を扱う。 ２進数の足し算 ００１１ ００１１ ００１１ ００１１ ＋０１１０ ＋０１１０ ＋０１１０ ＋０１１０ １ １ ０１ １ ００１ １００ １ ２進数の引き算を足し算で行う 補数の概念：加算すると零 元になるもの ２進数では１の補数と２の 補数がある Ａ‘（２の補数）＝２ｒ－Ａ 各桁を反転し、１を加える Ａ‘（１の補数）＝２ｒ－１－Ａ 各桁についてそれぞれ１から引く １０１１ －０１０１ ０１０１→１０１０→１０１１ １０１１ +１０１１ １０１１０ ２進数のかけ算とわり算 かけ算は桁をずらして、足し算をすればできる。 わり算は、桁をずらして、引けるか引けないかを 確認すればできる。 ０ ００１０）０００１１０１ ００１０ ０１ ００１０）０００１１０１ ００１０ ２進数の計算はどのような回路があれば できるのか 足し算＝加算器 桁の値を反転する計算＝フリップ・フロップ回路 この二つの回路があれば、すべての「計算」が回 路でできることになる 計算と記憶を支える回路 加算回路（半加算回路、全加算回路） 否定回路（反転） フリップ・フロップ回路、レジスター回路（記憶す る） 万能チューリング機械 アラン・チューリングが考え出した仮想の計算機械でどのような 課題にも対応できることから、このような名前がついている。 計算機の設計原理として使われることになった。 制御部（Ｃ）、何本かのテープ（Ｔ）、それを見ているヘッド（Ｈ）よ りなる。 Ｔ Ｈ Ｃ 例：エクセルのシート B2 B3 B4 3 4 7 B2 B3 B4 5 2 7 Ｂ４には、＝Ｂ２＋Ｂ３という指示が入っている。これはコンピュータ では次のように実行される。 ・セルＢ２の内容をレジスターに持っていく。 ・レジスターの内容にセルＢ３の内容を加える。 ・レジスターの内容をセルＢ４にコピーする。 この命令の列がプログラムである（この場合、機械語）。 プログラム内蔵方式 フォン・ノイマンが１９４６年に提案した方式 プログラム（前の意味での命令の列）を主記憶 装置に記憶させて、実行する方式である。 以前のコンピュータに比べて、コンピュータが始 めて自律的になることができた。 ちなみに、プログラムは以前は人間がする配線 や紙テープのことであった。 機械語の中での表現 例えば、機械語を２バイト（16ビット）とすると、４ビットを 基本命令に、１２ビットを番地指定に使う。 左記のエクセルの例 0 0 1 0 0 1 １ 0 0 0 0 0 1 0 0 0 持ってくる レジスタ０１に 主記憶装置の上記番地から（Ｂ２） 0 １ 0 1 0 1 １ 0 0 0 0 0 1 0 1 0 加える レジスタ０１に 主記憶装置の上記番地の内容（Ｂ３） 0 0 1 １ 0 1 １ 0 0 0 0 １ 1 １ 0 0 コピーする レジスタ０１を 主記憶装置の上記番地に（Ｂ４） 状態遷移としてのコンピュータ チューリングマシンの様々なタイプのものを総称して、 オートマトンと呼ぶ。 状態遷移システムとしてのオートマトンの考え方は、コ ンピュータの動作を理解するのに役立つ。 金額訂正 引き出し 開始 引き出し 金額入力 暗証番号 照会 残高照会 金額表示 続いて引 き出し 残高表示 暗証番号 確認 完了 オートマトン（状態遷移） 「現在の状態」と「新たな入力」による次の結果（もしくは 次の状態）が決められる系のこと（例：自販機、エレ ベータの盛業など） 入力・出力ともに離散値を取り、現在の入力と今まで与 えられた入力によって出力が与えられる論理回路」 扱われている状態数が有限なものを「有限オートマト ン」と呼ぶ。 これにプッシュダウン記憶（出入り口が１ヶ所しかない 直列倉庫）を加えたものを、「プッシュダウンオートマト ン」と呼ぶ オートマトンの簡単な例 非常に制限された自販機を考える。受け入れ る硬貨は１０、５０、１００円のみとして、投入さ れた額の総計が１２０円になったら商品とおつ りを出して、初期状態（q0:お金が投入されて いない状態）に戻る。 １０円×i枚＝qiとすると、次のような状態遷移 表ができる。 簡単な自販機の状態遷移図 入 力 現在の状態 q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 q1 0 q1 1 10 円 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 q1 0 q1 1 q0 50 円 q5 q6 q7 q8 q9 q1 0 q1 1 q0 q0 q0 q0 q0 10 q1 0円 0 q1 1 q0 q0 q0 q0 q0 q0 q0 q0 q0 q0 JRの発券機の状態遷移図を描こう 1. 下記のサイトにシミュ レータがあります。 http://www.jreast.co.jp/ mv-guide/menu.html 2. 状態遷移をもとにプロ グラムが作成されてい ます。 3. 状態遷移を上手く表現 することで、プログラム も効率的になります。 ソフトウエアの区分 「コンピュータ自体を動かすもの」と「課題を行う ためのもの」の区分 言語のレベルや目的による区分 プログラミング・パラダイムによる区分 実行の仕方による区分 基本ソフトウエアと汎用ソフト 基本ソフトウエアとしてのＯＳ（Operating System) それよりも先に主記憶装置に入るＢＩＯＳ(Basic Input Output System) ブートストラップ時に起動、機械語で表現されている。 様々な課題を情報処理するための汎用ソフトウエア これがあるから、コンピュータは人間が始めて作りあげた 特定の目的をもたない道具であると言われる。 汎用プログラムと特殊問題向けプログラ ム 汎用プログラム：様々な課題に使用可能 低水準言語（アセンブラ言語：ＯＳに依存する） 高水準言語（Ｃ、Ｐａｓｃａｌ、Ｂａｓｉｃ、ＪＡＶＡなど： ＯＳに依存しない。手続き型（実行順序を意識） と非手続き型（実行順序を意識しない）） 特殊問題向け言語 シミュレーション用言語（ＧＰＳＳなど） 数式処理言語（Ｍａｐｌｅ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ，Ｒｅｄｕｃｅなど） プログラミング・パラダイムによる区分 手続き型言語（命令型）：Ｃ、Ｂａｓｉｃなど 関数型言語：ＬＩＳＰ、ＬＯＧＯ 論理型言語：Ｐｒｏｌｏｇ オブジェクト指向型言語：Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ、Ｓｍ ａｌｌｔａｌｋ，Squeak（どういうデータをどのように扱うか ということを明確に定義した単位でプログラミングする） など データ構造 データの型（整数型、論理型、実数型（固定小数点表 示、浮動小数点表示）、文字型など） データのまとめ方（データ構造）：配列型、レコード型、 再帰型（ポインタ型：リスト、二分木、グラフなど） データの型 扱うデータのタイプ分けのこと 整数型：N 論理型：０、１ 実数型：R 文字型：文字をデータとして処理 複素数型 などがある 例：浮動小数点数法によるデータ表現 （－１）S×１．M×２K（ｓ：符号、M：仮数、２：基数、ｋ：指数） で数を表現する 単精度表現（３２ビット）と倍精度表現（６４ビット）がある。 5.75を単精度で表すと5.75=101.11（２）,指数表現にし1.0111×２２、 さらに小数点以下を２３ビットに調整する、指数２を２進で表す(10)、 それをイクセス表現に直す（01111111を加える）10000001とすると 単精度の浮動小数点表示となる。 符号部 １ビット 指数部 ８ビット 仮数部 ２３ビット 0 10000001 01110000000000000000000 コンピュータによる数値表現の誤差 アンダーフローと オーバーフロー 指数の最大値を上回ること、指数の最小値を下回ること が起こると誤差が生じる 情報落ち 絶対値の差が大きい二つの数を加減算するとき、小さい 数が計算結果に反映されない。仮数４ビットで0.1101と 0.00001を加算すると0.1101になってしまう 桁落ち 絶対値がほぼ等しい２つの値を減算するとき、有効桁数 が減少する、0.2135と0.2123の差は0.0012で有効桁数が ４から２へ減少する 打切り誤差 おおよその収束の処理で打ち切ることにより生じる誤差 （数値計算法の講義を聴いてください） 丸め誤差 四捨五入、切り上げ、切捨てによって生じる誤差 データ構造 データの並べ方、関係付け方のこと 配列型：エクセルのように行列型で同じデータ 構造を繰り返してできているもの レコード型：異なるデータ構造を並べる 再帰型もしくはポインタ型：データの動的な配 置を行なう。複雑なデータ表現を可能にする アルゴリズム 「有限の記号列で表されていて、有限回の繰り 返しで、問題に対する可否の解答が必ず出る 手続き（ＪＩＳの定義）」 「有限回」と「必ず解答が出る」ということが重要 な概念 反対語は発見法(heuristics) 様々なアルゴリズムがある（例：ソーティングア ルゴリズム） アルゴリズムの代表的な例 データ構造と密接な関係がある。データ構造が違えば、 同じ課題に対してもアルゴリズムは異なる。 例えばソーティング（並べ替え）に次のものがある （１）データを配列型にして、その指数の計算によって並 べ替える （２）データを木構造のリストにしておいて、木の生成と 巡回を用いて並べ替えをするもの （３）データをファイルにして、ファイルを使って並べ替え をするもの 著名なアルゴリズム 整列アルゴリズム 基本選択法、基本交換法、基本挿入法、クイックソート、 シェルソートなど 探索アルゴリズム 線形検索、二分検索、ハッシュ法など 文字操作アルゴリ ズム 文字列照合（ボイヤ・ムーア法）、文字列置換、文字列圧縮 など ファイル処理アル ゴリズム 単一ファイル処理、複数ファイル処理など その他 グラフアルゴリズム、ニュートン法、シンプソン法、図形処 理の基本アルゴリズムなど 交換法（バブルソート）のアルゴリズム 完成した ら、ｎー１ の列に繰 り返す。 120が一番下にきた 150 120 160 130 155 125 140 150 120 160 130 155 125 140 150 120 160 130 125 150 140 150 120 160 125 130 150 140 150 120 125 160 130 150 140 150 120 125 160 130 150 140 120 150 125 160 130 150 140 ２つの比較 して、大小 関係で交換 挿入法：整列済の列に新しい要素を挿入する方法 150 120 160 130 155 125 140 120 150 160 130 155 125 140 120 150 160 130 155 125 140 120 130 150 160 155 125 140 120 130 150 155 160 125 140 120 125 130 150 155 160 140 120 125 130 140 150 155 160 みなさんは、どこまでのレベルで情報の科学的理 解を持っていますか。 実はこれは生涯学習していかなくてはいけませ ん。なぜならば、コンピュータは進歩して行き、そ の先端がつねにユーザーの前に提供されるから です。 情報処理の基礎技術 シミュレーション技術：コンピュータ上でモデルを作り、 それを使って擬似的な実験をする技術（交通、ビジネス、 飛行、原子炉などで使われる） データベース技術：非常に大量のデータの管理と検索 を行うための技術 情報検索の技術：情報の保存と参照を行うための技術 シミュレーション(Simulation) 莫大な費用か時間がかかる、危険を伴うなどの様々な理由で現実 の装置を用いた実験が不可能な場合に、モデルを使って擬似的 に実験を行うこと。 モデルには物理モデル（流体の流れの風洞実験など）と数学モデ ル（多くがコンピュータ上で実現）がある。 コンピュータ上で実現されるモデルには、時間をパラメータに含む ものと含まないもの、連続時間か離散時間かによっても分けられ る。 乱数がよく用いられている。 シミュレーションの起源１ フォン・ノイマンが原子炉遮蔽の問題を解決す る際に用いた数値的解法をモンテカルロ分析と 呼んだのが起源 ある確率現象の期待値を求めるための方程式 が元の問題の模型に帰着されるとき、確率現 象を実際にシミュレートして期待値を推定して 求めることを行う。 シミュレーションの起源２ 軍隊の野外演習や机上作戦演習なども戦争 ゲームとしてシミュレーションであった。 戦後はビジネスゲームや生産管理ゲームなど 広く行われるようになった。 シミュレーションの基礎となるモデル 物理的モデル：縮尺模型（自動車、飛行機など）、 モデル（ファッション、グラビア：特徴の強調化）、 ロボット（擬似生体モデル：無人化）、ゲーム （ボードゲームなどにおける疑似体験）、組織図 やファイル構造 数学的モデル（論理的モデル）：建造物モデル （設計図、建物の動きなどの）、経済モデル（需要 と供給などのモデル）、確率モデル（ランダム現 象、賭けなど）、確定モデル（約束された運動が 絡み合って生じる：連立方程式モデル）数式モデ ルと手続きモデルに分けられる モデルと時系列 時間の考慮 説明 静的モデル （なし） 時間的要素を含まないモデルである。家 族の構成モデル、家具の配置、資源配 分など 動的モデル （あり） 時間的要素を含むモデルである。駅の 切符売り場での待ち行列、道路の渋滞 の発生、TDLでの待ち行列など モデルとシミュレーション シミュレーションの型（コンピュータソフトウエア辞典より） 静的シミュレーション vs 動的シミュレーション 連続的シミュレーション vs 離散的シミュレーション 確定的シミュレーション vs 確率的シミュレーション マクロシミュレーション vs ミクロシミュレーション デジタルシミュレーション vs アナログシミュレーション 状態変化シミュレーション vs 状態平衡シミュレーション シミュレーション：例１ 幾何学モデルのコンピュータ上での実 現： Virtual Solid（free Software) http://ngm.edhs.ynu.ac.jp/negami/ シミュレーション：例２ Excelシートによる預金残高シミュレーション 元金 1000000 単利 １年目 ２年目 ３年目 ４年目 ５年目 ６年目 ７年目 ８年目 ９年目 １０年目 1.20% 1012000 1024000 1036000 1048000 1060000 1072000 1084000 1096000 1108000 1120000 複利 1.20% 1012000 1024144 1036434 1048871 1061457 1074195 1087085 1100130 1113332 1126692 シミュレーションには専門の言語もある GPSS, Simula, Dynamo（社会経済用）, CSSL, CSMP（連続系シミュレーション）などの問題 向き言語 建築設計用のNASTARN これらが使用されている範囲は非常に多岐 にわたっている。また、CADなどにも活用さ れている。 共同作業課題：シミュレーションを体験 （予告）来週エクセルで行う モンテカルロ法を用いて円周率を求めてみよう。 使用できる道具：自由 方法：乱数を何らかの方法で発生させ、円の中 に入る確率を実験的に推定して、円周率を推 定する。 ３．１に何回の試行で近づくか？ データベース データを管理し、保管し、検索するための システム データベースとデータベース管理システ ムよりなる データ その管理 データベースシステムの構成 データベース言語 データベース定義 データモデル ・リレーショナル型 ・階層型 ・ネットワーク型 データベース検索 編集など デ ー タ ベ ー ス 管 理 シ ス テ ム （ Ｄ Ｂ Ｍ Ｓ ） 履歴ファイル データベース データをどのように表現するか データを表現するためにモデルが必要。 代表的なモデルには、リレーショナル・モデル、階層・ ネットワークモデル、実体・関連(E/R）モデルがある。 メンバー 名前 年齢 原 長島 王 篠塚 清水 理科太郎 遠藤 松井 清原 元木 河原 安部 高橋 仁志 江藤 19 20 19 22 23 24 19 20 21 22 23 19 20 21 19 学科 S S S OS S OS S OB B OS S OB S B OB 従業員 プロジェクト マネ ジャー 時間 日付 技能ランク データをどのように検索・管理するか 「問い合わせ言語｝（SQL:Structured Query Language) が多く用いられている。 SQLの基本構文は Select some From table Where cond. で表 される。 典型的な情報検索の例 文献情報検索：著者、標題、目次、キーワード、 年代などをインデックスにして絞込検索を行う。 画像情報検索：基本情報（タイトル、作者など） のほかに画像に関するキーワードを決めたりし て検索したり、パターン認識などによる一致に よって検索する。 キーワード検索の基礎 論理和・論理積・否定の活用（AND、OR、 NOT）：１９９９年と２０００年に出版の本（OR）、１９９９ 年以外の本（NOT）、著者が田中康夫で２０００年に出 版された本（AND） 正則表現の活用：○○で始まるもの、××を含 むもの、□□で終わるのもの、など文字列の一 致の仕方を利用する。（これには前回のソーティングア ルゴリズムが利用されている） コンピュータ、情報処理、システムのまとめ 項目 基本概念 提唱者・年 代 計算モデル Turing machine オートマトン 状態遷移 Turing 1936 スイッチン グ回路 ２進表現、２ 進演算、ス イッチング回 路 Stibitz, Zuse, Shannon 1940 アルゴリズ ム 連接、分岐、 反復、代入 現在の例 現在の大き さ 半導体 メモリー CPU 数１００Mbit （メモリー） プログラム内 蔵式コン ピュータ ノイマン型アー Neumann 1950 キテクチャー 頃 OS、プログラ ム言語 VOS、Fortran IBM、1960頃 情報システム データベース Pentium 約4200万素子 Windows, Mac OS, Linux, TRON(I mode) 数1000万行 （大型機OS） 銀行システム、 数１００～数１ 戦略情報シス ０００万行 テム 関係データ ベース Codd 1970頃 情報通信ネットワークの発達 1969 1972 1983 1986 1990 1991 1992 1995 ARPANET運用開始（軍事情報ネット） 商用ネットテレネット設立 ARPANETがTCP/IPを採用、軍事部門が分離した。 NSF NET 運用開始 NSFNETがARPANETを吸収、IP接続サービス開始 CIX協会設立（商用ネットワークの相互接続） 情報スーパーハイウエイ構想 NSFNETの運用を民間に委託 日本におけるネットワークの発達 1984 JUNET運用開始(国内の大学、研究機関のネットワー クを相互接続） 1988 WIDEプロジェクト発足、WIDEインターネット運用開始 1989 INSネット64サービス開始 WIDEとNSFNETが接続 1992 SINET構築 1993 IIJがIP接続サービスを開始 1994 JUNET解散、Imnet構築、IIJが国際接続を開始 東京理科大は日本で初めて電子メールを使い始めた大学 インターネット用アプリケーションの 発達 1972 1973 1977 1978 1987 1992 1993 1994 1995 Telnet FTP、Ethernet開発 電子メール TCP/IP標準化 HTML開発 WWW開発 Mosaic登場 NetScape Navigator登場 Internet Explorer登場 インターネットの特徴 コンピュータネットワークのネットワークである 公開性を持っている（参加が自由） 組織としてオーナーがない 文字情報からマルチメディアまで「多様な情報」を扱える 技術的には簡単なプログラムの集積であるので拡張が簡 単である 通信両端制御方式で中間の機械は信号をリレーしている だけなので費用が安い データグラム方式なので、ファイル転送などに回線の負担 が少ない ネットワークを支える原理 プロトコル：通信の仕方のための約束のことである。通 信の伝達のためのもの、内容が正しいことを保証する もの、アプリケーションを動かすものなどの階層をなし ている。 アドレス：機器固有の番地を示すもの。MAC(Media Access Control)アドレス（48bitのコード）が各ネットワー ク機器にはついている。また、さらにIPアドレス（32bit） が同時に使われる。 海外インターネット 国際接続ゲー トウエー １次プロバイダー 国内相互接続点 １次プロバイダー ２次プロバイダー ２次プロバイダー ３次プロバイダー ２次プロバイダー MAC アドレス と IP アドレス MAC Address (Media Access Control Address): マシンレベル のコミュニケーションに 利用（ARP). IP Address (Internet Protocol Address): イン ターネットのコミュニ ケーションに利用（ＩＰ）. MAC Address IP Address IP Addressの構成 IP Address is a 32 bit data. (Decimal and Binary) 32 bit 8 bit 8 bit 8 bit 8 bit 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 202 48 64 IP Address Network Part I am in this network. Host Address Part I have this address. 14 ＩＰアドレスのクラス分け Class Net mask # of net work # of host compu ter Available IP addresses A 255.0.0.0 126 16777214 1.x.x.x-126.x.x.x B 255.255.0.0 16382 65534 128.1.x.x-191.254.x.x C 255.255.255.0 2097150 254 192.0.1.x-223.255.254.x IP Addressの構成 Class A B Class ID 0 24 bits 7 bits 10 C 110 D 1110 Host Address Part Network Address Part 16 bits 14 bits 21 bits 8 bits 28 bits (group number: multicast address) グローバルＩＰとローカルＩＰ グローバルＩＰアドレスは、実際のインターネット の通信で使用される世界に固有なアドレス（ＮＩ Ｃ：ネットワークインフォメーションセンターが割 り当て） ローカルＩＰアドレスはネットワーク内で管理者 が決め使用されるもの（ＩＰｖ４の枯渇を防ぐ） 使用可能なローカルＩＰ Class Available Local IP addresses Class A 10.0.0.0 – 10.255.255.255 Class B 172.16.0.0 – 172.31.255.255 Class C 192.168.0.0 – 192.168.255.255 ＯＳＩモデル アプリケーション層 上位層 プレゼンテーション層 セッション層 トランスポート層 ネットワーク層 下位層 データリンク層 物理層 OSI参照モデルと郵便システム 説明 TCP/I Pでは 郵便では 情報の意味内容の制御 ブラウ ザ 業務の決まり 情報の表現形式の制御 HTML, GIF 文書などの決ま り 送受信・同期などの会 話の制御 HTTP 文書のやりとり 送受信システム間の確 実な情報伝達 TCP.U DP 郵便課 ネットワーク層 経路選択と情報転送 IP 郵便や住所を 使っての配達 データリンク層 隣接する２者間での確 実なデータ転送 郵便局間の転 送 物理層 回線の物理的・電気的 制御 郵便車両の配 送 層の名前 シ アプリケーション層 ス テ プレゼンテーション 層 ム に セッション層 関 す る トランスポート層 ネ ッ ト ワ ー ク 会 社 内 事 務 郵 便 に 関 す る TCP/IPモデル アプリケー ションプロ グラム オペレー ティングシ ステム デバイスド ライバと ネットワー クインター フェイス アプリケー ション層 HTTP,SMTP,TELNET,FTP, SNMP,MIME,HTML,MIB,RP Cなど セッションの確立、データの 表現の変換、アプリケー ションでの通信 トランス ポート層 TCP,UDP アプリケーションプログラム 間の通信を実現する インター ネット層 IP,ICMP,ARP インターネットでの通信を実 現する ネットワー クインター フェイス層 NICを動かして、OSとハード ウェアの橋渡しをして通信 を実現する ハードウェ ア 何も決めていない（デバイ スによる） インターネットを流れるデータの実際 パケットという単位でデータは通信される パケットはヘッダとデータよりなる 各層においてヘッダが加えられたり削除され たりする イーサネット ヘッダ IPヘッダ IPヘッダ TCPヘッダ データ TCPヘッダ データ TCPヘッダ データ TCP/IPとパケットの処理 送信処理 「おはようございます」 受信処理 上位層 「おはようございます」 TCPヘッダ・「おはようございます」 トランス ポート （TCPヘッダを付加） 層 TCPヘッダ・「おはようございます」 （TCPヘッダを解析） IPヘッダ・TCPヘッダ・「おはようご インター ざいます」 ネット層 （IPヘッダを付加） IPヘッダ・TCPヘッダ・「おはようご ざいます」 （IPヘッダを解析） イーサネットヘッダ・IPヘッダ・TCP データリ ヘッダ・「おはようございます」 ンク層 (イーサヘッダを付加） イーサネットヘッダ・IPヘッダ・TCP ヘッダ・「おはようございます」 (イーサヘッダを解析） 物理層 パケットの構成：もっと詳しく データリンク層 インターネット層 送信 元 MAC アドレ ス 宛先 IPアド レス 宛先 MAC アドレ ス イーサ 送信 ネット 元IPア タイプ ドレス ヘッダの次のプロト コルを示す プロト コルタ イプ トランスポート 層 送信 元ポー ト番号 ヘッダの次のプロト コルを示す 宛先 ポート 番号 上位層 デー タリン ク層 データ（ア プリのヘッ ダやデー タ） FCS （最 後） ヘッダの次のプロト コルを示す Entity と Service (N+1)th layer (N+1)th entity service service connection Nth layer Nth entity protocol (N-1)th layer (N-1)th entity service service (N+1)th entity (N+1)th layer Nth entity Nth layer (N-1)th entity (N-1)th layer WWWの原理 データ、文書、一般情報をインターネットの特徴を生か して統一的で使いやすい情報システムとして1989年に ヨーロッパのCERNが開発 HTML(Hyper Text Mark-Up Language) HTTP(Hyper Text Transfer Protocol) 独立したファイル形式としてのPostScript, PDF SGML、XML、VRMLなども登場 WWWサーバー 情報通信ネットワークの基礎概念 項目 キーワード 提唱者年代 コンピュータ間通信 パケットスイッチネットワー ク Rand Computer 1962 インターネット、プロトコル、 アドレス TCP/IP、MACアドレス 1983 電子メール Eric Allman 1979 WWW HTTP,HTTPd,HTML CERN 1989- 1991 画像ブラウザー Mosaic Andersen 1993 検索エンジン 暗号 公開鍵番号 情報処理技術とネットワークを指導する 情報を処理するとは、具体的にどういうことなのかを指 導する。 １個のコンピュータから、コンピュータのネットワークへ の展開 ブラックボックスからホワイトボックスへ（処理もハード も） ネットワークからコミュニケーションへ
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