Bài giảng Tin học ứng dụng trong Hóa học - TS. Mai Xuân Trường

Để phục vụ công tác giảng dạy và học tập tin học ứng dụng trong hóa học, tác giả đã biên soạn bài giảng "Tin học ứng dụng trong hoá học". Bài giảng này chủ yếu cung cấp những khái niệm cơ bản nhất của các ngôn ngữ lập trình để người học có thể lập trình những chương trình đơn giản hay có thể sử dụng các chương trình nguồn mở đã có. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Tin học ứng dụng trong Hóa học - TS. Mai Xuân Trường ®¹I häc th¸i nguyªn tr−êng ®¹I häc s− ph¹m Khoa Ho¸ häc TS Mai Xu©n Tr−êng DĐ : 0912.739.257 CQ : 0280.3856.853 NR 0280.3759.402 Bµi gi¶ng Tin häc øng dông trong ho¸ häc (2 tÝn chØ) (TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ) Th¸i nguyªn, 2011 TS Mai Xu©n Tr−êng - Tr−êng §¹i häc S− ph¹m - §¹i häc Th¸i Nguyªn Më ®Çu Tin häc trong hãa häc (chemometric) hay ho¸ tin (computational chemistry) lµ danh tõ dïng ®Ó chØ mét lÜnh vùc khoa häc kÕt hîp to¸n häc - mµ chñ yÕu lµ ph−¬ng ph¸p tÝnh - víi m¸y tÝnh ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n ho¸ häc. Ho¸ tin bao giê còng ®−îc cÊu thµnh bëi ba yÕu tè: thuËt to¸n (algorithm), ®o¹n ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh (computer code) vµ néi dung ho¸ häc. Tin häc øng dông trong hãa häc cã thÓ hiÓu lµ c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n trªn m¸y tÝnh ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n ho¸ häc vµ kh«ng cã tÝnh ®Æc thï ®Çy ®ñ. Tøc lµ cã thÓ cã nh÷ng ph−¬ng ph¸p chØ dïng ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n ho¸ häc, th−êng lµ nh÷ng ph−¬ng ph¸p tæ hîp cÊu thµnh bµi to¸n lín nh− ho¸ l−îng tö (quantum chemistry), m« pháng ®éng lùc ph©n tö l−îng tö (quantum molecular dynamics simulation), vµ cã nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh«ng chØ ®−îc dïng trong ho¸ häc mµ cßn dïng trong c¸c lÜnh vùc kh¸c. C¸c ph−¬ng ph¸p nµy, ®Æc biÖt lµ trong viÖc khai th¸c d÷ liÖu (datamining), th−êng lµ nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®¬n, kh«ng qu¸ phøc t¹p vµ xuÊt ph¸t tõ nh÷ng bµi to¸n c¬ b¶n trong to¸n häc vÒ ph−¬ng ph¸p tÝnh nh−: ph−¬ng ph¸p håi quy phi tuyÕn, gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n, läc Kalman (Kalman filter), m¹ng n¬ron, ... Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, sù ph¸t triÓn c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh, thuËt to¸n, c¸c bµi to¸n ho¸ häc, c¸c phÇn mÒm tÝnh to¸n øng dông trong ho¸ häc vµ sè l−îng ng−êi sö dông ngµy cµng nhiÒu. §Ó phôc vô c«ng t¸c gi¶ng d¹y vµ häc tËp tin häc øng dông trong hãa häc, chóng t«i ®· biªn so¹n bµi gi¶ng 'Tin häc øng dông trong ho¸ häc'. HiÖn nay cã rÊt nhiÒu thuËt to¸n, phÇn mÒm còng nh− c¸c bµi to¸n ho¸ tin øng dông ®· ®−îc t¶i lªn m¹ng INTERNET, b¹n cã thÓ t×m thÊy trªn m¹ng c¸c thuËt to¸n d−íi d¹ng m· nguån më cho hÇu hÕt c¸c bµi to¸n øng dông trong ho¸ häc th× viÖc thay ®æi c¸ch häc thùc lµ rÊt cÊp thiÕt. Tuy nhiªn ®Ó cã thÓ hiÓu ®−îc c¸c ch−¬ng tr×nh ®ã ta cÇn ph¶i hiÓu c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n cña tin häc dïng trong ho¸ häc nh− c¸c häc thuËt to¸n, nh÷ng lÖnh rÊt c¬ b¶n cña ng«n ng÷ lËp tr×nh ®ã. V× vËy gi¸o tr×nh nµy chñ yÕu cung cÊp nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n nhÊt cña c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh ®Ó ng−êi häc cã thÓ lËp tr×nh nh÷ng ch−¬ng tr×nh ®¬n gi¶n hay cã thÓ sö dông c¸c ch−¬ng tr×nh nguån më ®· cã. 1 TS Mai Xu©n Tr−êng - Tr−êng §¹i häc S− ph¹m - §¹i häc Th¸i Nguyªn Ch−¬ng 1 : më ®Çu 1.1. c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n 1.1.1. Th«ng tin Mäi yÕu tè cã thÓ mang l¹i sù hiÓu biÕt ®Òu ®−îc gäi lµ th«ng tin. Th«ng tin ®−îc thÓ hiÖn d−íi nhiÒu d¹ng thøc kh¸c nhau. Th«ng tin vÒ mét ®èi t−îng chÝnh lµ c¸c d÷ kiÖn vÒ ®èi t−îng ®ã, cµng nhiÒu th«ng tin th× ®é bÊt ®Þnh cña ®èi t−îng cµng gi¶m xuèng. 1.1.2. §¬n vÞ ®o th«ng tin §¬n vÞ ®o th«ng tin trong m¸y tÝnh ®−îc gäi lµ bÝt. 1 bÝt mang l−îng th«ng tin t−¬ng øng víi 1 trong 2 kh¶ n¨ng cã thÓ x¶y ra: 1 (t−¬ng øng víi cã ®iÖn hay bãng ®Ìn s¸ng) hoÆc 0 (t−¬ng øng víi kh«ng cã ®iÖn (bãng ®iÖn t¾t) ). 1 byte = 8 bÝt 1KB = 1024 byte 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1.1.3. Xö lý th«ng tin b»ng m¸y tÝnh ®iÖn tö Th«ng tin vµo Qu¸ tr×nh xö lý KÕt qu¶ Quy t¾c theo ®ã qu¸ tr×nh xö lý ®−îc thùc hiÖn (do con ng−êi ®Æt ra) M¸y tÝnh sÏ kh«ng lµm g× nÕu kh«ng cã t¸c ®éng cña con ng−êi. Ng−êi sö dông ph¶i nhËp sè liÖu, bÊm c¸c phÝm thùc hiÖn phÐp to¸n còng nh− yªu cÇu hiÓn thÞ kÕt qu¶ hoÆc l−u tr÷ kÕt qu¶. 1.2. CÊu tróc hÖ xö lý th«ng tin tù ®éng ThiÕt bÞ vµo CPU ThiÕt bÞ ra Bé nhí ROM Bµn phÝm Bé nhí RAM Mµn h×nh Chuét Bé xö lý trung t©m M¸y in æ ®Üa Bé sè häc logic M¸y Scan Bé ®iÒu khiÓn æ ®Üa 2 TS Mai Xu©n Tr−êng - Tr−êng §¹i häc S− ph¹m - §¹i häc Th¸i Nguyªn C¸c thiÕt vµo vµ c¸c thiÕt ra gäi lµ c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi, tïy theo yªu cÇu mµ ta cã thÓ thªm, bít c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi cho phï hîp. M¸y tÝnh ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý c¬ b¶n Von Neumann. C¸c lÖnh vµ d÷ liÖu cïng ®−îc l−u tr÷ trong bé nhí ®−îc t¹o bëi c¸c tõ ®Þa chØ dùa trªn 2 yÕu tè then chèt : + §iÒu khiÓn b»ng ch−¬ng tr×nh: M¸y tÝnh ho¹t ®éng theo sù chØ dÉn, ®iÒu khiÓn cña ch−¬ng tr×nh ®−îc l−u tr÷ trong bé nhí cña nã. C¸c b−íc t¸c ®éng ®−îc tiÕn hµnh theo c¸c c©u lÖnh cña ch−¬ng tr×nh. Ch−¬ng tr×nh chØ dÉn cho m¸y tÝnh biÕt ph¶i lµm g× vµ ph¶i lµm nh− thÕ nµo. + Truy xuÊt theo ®Þa chØ: D÷ liÖu theo nghÜa réng (d÷ liÖu vµo, kÕt qu¶ trung gian, kÕt qu¶ cuèi cïng, ch−¬ng tr×nh, d÷ liÖu ra, . . ) ®−îc l−u tr÷ trong RAM t¹i mét vïng nhí ®−îc ®Þnh vÞ b»ng c¸c sè thø tù ®−îc gäi lµ ®Þa chØ. D÷ liÖu ®−îc chØ ®Þnh vµ ®−îc truy cËp (®äc hay ghi) theo ®Þa chØ « nhí chøa chóng. 1.3. phÇn mÒm Trong tin häc, thuËt ng÷ phÇn mÒm ®−îc dïng ®Ó nãi vÒ c¸c ch−¬ng tr×nh dïng ®Ó ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña m¸y tÝnh, xö lý d÷ liÖu phôc vô cho mét øng dông cô thÓ trong ho¹t ®éng kinh tÕ, s¶n xuÊt, kinh doanh, . . . VÝ dô: c¸c ch−¬ng tr×nh n¹p s½n trong ROM, c¸c ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm do ng−êi lËp tr×nh viÕt. NÕu ta ®−a ra khái m¸y t×nh toµn bé c¸c ch−¬ng tr×nh n¹p s½n trong nã, kÓ c¶ c¸c ch−¬ng tr×nh ghi s½n trong ROM ...