Лекция «Элементы теории информации» 4 часа
1.1. Информатика как наука. Понятие информации Информатика - это наука о способах и методах представления, обработки, передачи и хранения информации с помощью ЭВМ. Термин "информатика" происходит от французского Informaticue. В англоязычной литературе можно встретить другой термин, обозначающий ту же отрасль человеческой деятельности,- Computer Science. Четкого определения термина "информация" не существует; есть множество вариантов, приведем некоторые из них.
Определение 1. Информация есть форма движения материи.
Определение 2. Информация - одна из трех составляющих основ мироздания наряду с материей и энергией.
Определение 3. Информация есть отражение реального мира, это сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте.
|
|||
Согласно последнему определению, понятие информации связывается с определенным объектом, свойства которого она отражает. Информация о любом материальном объекте может быть получена путем наблюдения за этим объектом, вычислительного эксперимента над ним или путем логического вывода. В связи с этим информацию делят на доопытную, или априорную, и послеопытную, или апостериорную, полученную в результате проведенного эксперимента. Информация передается с помощью сообщений. Под сообщением будем понимать различные средства общения людей. Соответствие между сообщением и информацией не является взаимно однозначным. Для одной и той же информации могут существовать различные передающие ее сообщения, которые появляются при добавлении сообщения, не несущего никакой дополнительной информации. Сообщения, передающие одну и ту же информацию, образуют класс эквивалентных сообщений. В то же время одно и то же сообщение может передавать совершенно различную информацию. Таким образом, одно и то же сообщение, по-разному интерпретированное, может передавать разную информацию. Правило интерпретации может быть известно лишь ограниченному кругу лиц; существуют правила интерпретации для специальных языков. Связь между сообщением и информацией особенно отчетлива в криптографии: никто посторонний не должен суметь извлечь информацию из передаваемого сообщения, иначе это означало бы, что он располагает "ключом". В житейском смысле под информацией мы понимаем совокупность интересующих нас сведений, знаний, набор данных и т. д. Информация не может существовать без наличия источника и потребителя информации. Основной источник и потребитель информации - это человек, поэтому можно сказать, что существует столько видов информации, сколько органов чувств у человека. Информацию можно отнести к абстрактным понятиям. Однако ряд ее особенностей приближает информацию к материальному миру. Информацию можно получить, записать, передать, продать, купить, своровать, уничтожить, в конце концов, информация может устареть.
1.2.
Методы оценки и виды информации
При оценке информации различают три аспекта: синтаксический, семантический и прагматический. Синтаксический аспект связан со способом представления информации вне зависимости от ее смысловых и потребительских качеств и рассматривает формы представления информации для ее передачи и хранения (в виде знаков и символов). Данный аспект необходим для измерения информации. Информацию, рассмотренную только в синтаксическом аспекте, называют данными. Семантический аспект передает смысловое содержание информации и соотносит ее с ранее имевшейся информацией.
Sп - тезаурусная мера получателя; Ic - семантическое количество информации. Прагматический аспект передает возможность достижения цели с учетом полученной информации.
где P0 - вероятность достижения цели до получения информации; P1 - вероятность достижения цели после получения информации; Iп - прагматическое количество информации; а > 1. Виды информации: 1. Научная информация (наиболее полно отражает объективные закономерности природы, общества и мышления); 2. Информация управления: а) производственная, связанная с управлением людьми; б) техническая, связанная с управлением техническими объектами. Также классификация информации может производиться по следующим основаниям: 1. По областям применения: а) политическая; б) техническая; в) педагогическая; г) физическая; д) экономическая и др.; 2. По назначению: а) массовая; б) специальная. 1.3. Методы хранения и передачи информации Хранение и передача информации осуществляются за счет преобразования информации в удобную форму в зависимости от условий, в которых находятся источник и потребитель информации. Передача информации может осуществляться напрямую, а также за счет усиления сигнала (рупор, локальная компьютерная сеть, письменная речь и т. д.) или же путем преобразования сигнала и передачи его на далекие расстояния (телефон, телеграф, радио, телевидение, глобальные компьютерные сети и т. д.). Хранение информации осуществляется на долговременных носителях: камень, пергамент, кожа, бумага, магнитные носители, лазерные диски, серверы вычислительных сетей и т. п. При этом передача освобождается от гнета реального времени, становятся возможными даже сообщения человека самому себе (заметки на память). Таким образом за счет использования "инструмента" уменьшается нагрузка на человеческую память. В настоящее время основным средством хранения информации является персональный компьютер (ПК) и другие средства вычислительной техники. Процедура хранения информации в ПК состоит в том, чтобы сформировать и поддерживать структуру хранения данных в памяти компьютера. Современные структуры хранения данных должны быть независимы от программ, использующих эти данные, и реализовывать принципы полноты и минимальной избыточности. Такие структуры получили название "базы данных". Процедуры создания структуры хранения (базы данных), актуализации, извлечения и удаления данных производятся при помощи специальных программ, называемых "системы управления базами данных". Процедура актуализации данных позволяет изменить значения данных, записанных в базе, либо дополнить определенный раздел, группу данных. Устаревшие данные могут быть удалены с помощью соответствующей операции. Процедура извлечения данных необходима для пересылки из базы данных необходимых сведений либо для преобразования, либо для отображения, либо для передачи по вычислительной сети. Хранение и передача данных тесно связаны между собой, для выполнения этих процедур используют сетевые информационные технологии. Программы, предназначенные только для хранения и передачи данных, носят название "информационные хранилища" и представляют собой компьютеризированные архивы. 1.4. Обработка информации. Двоичная система счисления Источниками и носителями информации могут быть сигналы любой природы: речь, музыка, текст, показания приборов и т. д. Однако хранение, передача и переработка информации в ее естественном физическом виде большей частью неудобна, а иногда и просто невозможна. В таких случаях применяется кодирование. Кодирование - это процесс установления взаимно однозначного соответствия элементам и словам одного алфавита элементов и слов другого алфавита. Кодом называется правило, по которому сопоставляются различные алфавиты и слова. Всю информацию, участвующую в электронном вычислительном процессе, можно разделить на обрабатываемую (данные) и управляющую (программы). В схеме преобразования информации в данные (рис. 1) представлены проводимые над информацией и данными процессы, которые образуются после введения информации в компьютер. Также представлены процедуры и связи между ними, с помощью которых осуществляются эти процессы. Процедура отображения - преобразование информации в вид, удобный для восприятия человеком. Практически всегда основой кодирования чисел в современной ЭВМ является двоичная система счисления. Системой счисления называется способ записи чисел при помощи ограниченного числа символов (цифр). Позиционной системой счисления называется система счисления, при которой число, связанное с цифрой, зависит от места, которое она занимает.
Рис. 1. Схема преобразования информации в данные и действий над ними Пример. Перевести в десятичную запись число (10000111)2. Перевести в двоичную запись число 89. Сложить в двоичной записи эти два числа, результат перевести в десятичную запись. Решение: (10000111)2 =1·27 + 1·22 + 1·21 + 1·20 = 128 + 4 + 2 + 1 = (135)10, (89)10 = 1·26 + 1·24 + 1·23 + 1·20 = (1011001)2,
(11100000)2 =128+64+32=(224)10. 1.5. Представление информации в компьютере Единицы измерения информации
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например, наложить друг на друга звуки различных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму. Аналогичным образом на компьютере можно обработать и текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства для восприятия человеком по этим числам строится соответствующее изображение буквы. Бит - единица информации, представляющая собой двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Байт - восемь последовательных битов. В одном байте можно кодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 28). Более крупными единицами информации являются следующие: 1 Кбайт = 210 = 1024 байта; 1 Мбайт = 220 байт = 1024 Кбайта; 1 Гбайт = 230 байта и т. д. В них обычно измеряется емкость запоминающих устройств.
Компьютеры представляют собой средства обработки и хранения информации. Для того чтобы информация превратилась в данные, ее надо собрать, соответствующим образом подготовить и только после этого ввести в ЭВМ, представив в виде данных на машинных носителях. На этапах подготовки и ввода информации осуществляется процедура контроля - выявление и устранение ошибок. Обычно для контроля применяют совокупность ручных и машинных методов, направленных на обнаружение ошибок. Методы подразделяются на визуальный (перед вводом в компьютер человек просматривает информацию на наличие возможных ошибок), логический (информация по мере ввода в компьютер сравнивается с эталоном, правилами или ранее имевшейся информацией) и арифметический (проверка путем подсчета контрольных сумм, применяется в бухгалтерии). Ввод информации осуществляется ручным способом с клавиатуры или с помощью сканера и программ распознавания. Программы распознавания делятся на программы оптического распознавания, распознающие печатный текст, и интеллектуального - для распознавания рукописного текста. Вопросы 1. Какое количество информации содержит один разряд двоичного числа? 2. Как записать число (17)10 в двоичной системе счисления? 3. Какие этапы проходит информация, чтобы предстать в виде данных? 4. Для чего необходима процедура актуализации данных? |
3.1. Различные уровни представлений об информации. 3.2. Непрерывная и дискретная информация.
3.1. Различные уровни представлений об информации
Ранее мы неоднократно употребляли термин “информация”, никак его при этом не раскрывая.
Понятие информация является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Однако, если задаться целью формально определить понятие “информация”, то сделать это будет чрезвычайно сложно. Аналогичными “неопределяемыми” понятиями, например, в математике является “точка” или “прямая”. Так, можно сделать некоторые утверждения, связанные с этими математическими понятиями, но сами они не могут быть определены с помощью более элементарных понятий.
В простейшем бытовом понимании с термином “информация” обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т.п. Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т.д. При этом предполагается, что имеются “источник информации” и “получатель информации”.
Сообщение от источника к получателю передается посредством какой-нибудь среды, являющейся в таком случае “каналом связи” (рис. 3). Так, при передаче речевого сообщения в качестве такого канала связи можно рассматривать воздух, в котором распространяются звуковые волны, а в случае передачи письменного сообщения (например, текста, распечатанного на принтере) каналом сообщения можно считать лист бумаги, на котором напечатан текст.
Человеку свойственно субъективное восприятие информации через некоторый набор ее свойств: важность, достоверность, своевременность, доступность и т.д. В этом смысле одно и то же сообщение, передаваемое от источника к получателю, может передавать информацию в разной степени. Так, например, вы хотите сообщить о неисправности компьютера. Для инженера из группы технического обслуживания сообщение “компьютер сломался” явно содержит больше информации, чем для вахтера. Но, в свою очередь, для инженера сообщение “не включается дисплей” содержит информации больше, чем первое, поскольку в большей степени снимает неопределенность, связанную с причиной неисправности компьютера. Как видно, одно и то же сообщение для различных пользователей несет различную информацию.
Использование терминов “больше информации” или “меньше информации” подразумевает некую возможность ее измерения (или хотя бы количественного соотнесения). При субъективном восприятии измерение информации возможно лишь в виде установления некоторой порядковой шкалы для оценки “больше” — “меньше”, да и то субъективной, поскольку на свете немало людей, для которых, например, оба сообщения, использованных выше в качестве примера, вообще не несут никакой информации. Такое становится невозможным при введении объективных характеристик, из которых для информации важнейшей является количество. Однако, при объективном измерении количества информации следует заведомо отрешиться от восприятия ее с точки зрения субъективных свойств, примеры которых перечислены выше. Более того, не исключено, что не всякая информация будет иметь объективно измеряемое количество — все зависит от того, как будут введены единицы измерения. Не исключено и то, что при разных способах введения единиц измерения информация, содержащаяся в двух допускающих измерение сообщениях, будет по разному соотноситься.