1 Информация

1. Информация и сообщение

Информация. Знак. Примеры знаков. Сообщение. Примеры сообщений.

Слово “информация” используется для обозначения одного из самых фундаментальных понятий современной науки и техники. Поэтому его не удается определить через другие более простые понятия. Вместо определения смысл слова “информация” поясняется с помощью других слов, которые являются его синонимами. Таковыми, например, являются слова “сведения” и “знания “. Понятий, подобных “информации”, в науке и технике довольно много. Например, слова множество и операция также приходиться разъяснять при помощи их синонимов. В первом случае это “совокупность”, “ансамбль” и другие. Во втором – “действие”, “преобразование”.

Материальный объект, используемый для обозначения (в качестве заменителя) некоторой информации, называется знаком. По-видимому, первыми знаками были жесты и мимика. С их помощью первобытные люди предупреждали друг друга об опасности, выражали радость, страх и другие чувства. В настоящее время к числу наиболее распространенных знаков относятся звуки естественных языков, их графические обозначения, называемые буквами, цифры и некоторые другие. Человек воспринимает знаки при помощи органов чувств. Слова символ, сигнал являются синонимами слова знак.

Совокупность из нескольких знаков называется сообщением. Каждое сообщение относится к одной из пяти групп в зависимости от органа чувств, который применяется для его восприятия. Наиболее важными являются сообщения, ориентированные на зрительное восприятие. Они называются визуальными сообщениями или изображениями в широком смысле и содержат, по оценке экспертов, около девяноста процентов всей информации, получаемой о внешнем мире при помощи органов чувств. Вторым по важности видом сообщений являются звуковые (акустические) сообщения, воспринимаемые слуховым анализатором.

1.2 Способы представления информации

Представление информации. Содержание сообщения. Алфавит, синтаксис и семантика. Речь. Неоднозначность семантических правил естественных языков. Письмо. Числа. Изображения. Искусственные языки.

Замена информации некоторым сообщением (в частном случае только одним знаком) называется ее представлением. При этом сама заменяемая информация называется содержанием сообщения. Очевидно, что одну и ту же информацию можно представить при помощи знаков различной природы. Например, лежащие на столе предметы можно перечислить голосом (звуковое сообщение), можно составить список на каком-либо языке (текстовое сообщение) или сфотографировать (изображение).

Любой способ представления информации предполагает решение, по меньшей мере, трех обязательных задач. Прежде всего, требуется выбрать конечный и упорядоченный набор исходных знаков, которые будут использоваться для создания сообщений. Такой набор знаков называется алфавитом. Во-вторых, необходимо задать набор правил, обеспечивающих создание допустимых (правильных) сообщений. Каждое такое правило называется синтаксическим, а их совокупность - синтаксисом. Примерами синтаксических правил, используемых при написании текстов на русском языке, являются требования о выделении деепричастных оборотов запятыми, раздельном написании частицы “не” с глаголами и многие другие. О правильном написании того или иного слова можно справиться в орфографическом словаре. Наконец, нужны правила, устанавливающие соответствие между различной информацией и сообщениями. Такие правила позволяют, с одной стороны, по сообщению определить его содержание. С другой стороны они дают возможность представить информацию в виде сообщения. Эти правила называются семантическими правилами, а их совокупность - семантикой. В качестве примеров семантических правил можно указать определения частей речи: существительные обозначают предметы, а глаголы - действия. Кроме того, значения отдельных слов и предложений разъясняются в толковых словарях и энциклопедиях. Набор, состоящий из алфавита, синтаксических и семантических правил, принято называть языком. Рассмотрим несколько примеров представления информации.

(1.2.1) Речь. По мере накопления знаний отдельными членами первобытного кол­лектива росла потребность в более совершенном, чем мимика и жесты, способе представления информации. Такими способами стали естественные языки, предназначенные для общения. Их алфавиты, представляющие наборы изолированных звуков, их синтаксические и семантические правила формировались в течение тысячелетий зачастую стихийно (без заранее составленного плана).

Как свидетельствуют результаты археологических раскопок, формирование членораздельной речи как способа общения произошло только 35-10 тыс. лет назад (на этапе позднего палеолита). Примерно, к этому же периоду относятся наиболее древние из известных наскальных рисунков. Умение создавать орудия труда является одним из важнейших признаков, отличающих человека от остальных представителей животного мира. Возраст самых древних орудий труда, найденных в 1975 году на территории сегодняшней Танзании (Восточная Африка), исчисляется 3.5 миллионами лет. Поэтому упомянутая находка позволяет определить, хотя и довольно приблизительно, вре­мя появления на Земле первых людей, а также временной период, потребовавшийся для формирования речевого аппарата.

Несмотря на универсальность естественных языков, под которой понимается возможность обмена самой различной информацией, они обладают рядом очень серьезных недостатков. Прежде всего, их семантические правила не обеспечивают взаимно однозначного соответствия между языковыми конструкциями (словами и предложениями) и их содержанием. Оказалось, что одна и та же информация может быть представлена при помощи различных слов (сообщений). Например, разные по написанию слова “строение”, “сооружение” и “постройка” имеют одно и то же значение. Это синонимы. С другой стороны, некоторые слова и даже целые предложения могут иметь несколько различных значений. Например, слово “коса” может означать инструмент, применяемый в сельском хозяйстве для срезания травы. Этим же словом называют соединенную с берегом песчаную мель. Наконец, оно может служить названием прически. Таким образом, определить смысл изолированного слова “коса” не представляется возможным. Однако если это слово входит в некоторое сообщение, то появляется возможность правильного определения его значения по остальной части сообщения. Например, в словосочетаниях “лезвие косы”, “заплетать косу” и “песчаная коса” смысл слова “коса” определяется однозначно. Отрывок текста, в пределах которого можно правильно установить смысл всех входящих в него слов называется контекстом. Очевидно, что предложение “Навстречу студенту шла женщина и решительно размахивала длинной косой”, несмотря на большое количество образующих его слов, контекстом не является. По этой же причине не является контекстом и предложение “Иван Иванович является преподавателем кафедры истории Казанского университета”.

Наконец, для естественных языков характерно присутствие предложений, смысл которых не совпадает со смыслом образующих их слов: “Съесть собаку”, “Загребать жар чужими руками” или “Свернуть себе шею”. Такие конструкции называются идиоматическими выражениями или кратко – иди­омами.

Рассмотренные свойства естественных языков стали серьезным препятствием на пути автоматизации перевода с одного языка на другой. В этом легко убедиться, если воспользоваться любой из доступных программ-переводчиков.

(1.2.2) Письмо. Графические знаки, обозначающие звуки естественных языков, называются буквами. Представление информации в виде последовательности букв из конечного заранее выбранного алфавита принято называть письмом. Сообщения, получаемые таким способом, предназначены для восприятия зрительным анализатором человека и называются текстовыми или кратко текстом. Письмо начало формироваться в четвертом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии и Египте как способ фиксации речи. Первый алфавит, состоящий из 32 букв, появился всего 1300 лет до нашей эры в Сирии. Каждая буква в нем обозначала определенный звук.

(1.2.3) Числа. Одним из основных понятий математики является число. По-видимому, оно появилось как результат сравнения некоторого свойства одного предмета с таким же свойством другого предмета. Например, высоты человека и высоты дерева или количества жидкости, вмещающейся в разные сосуды. Позднее такое сравнение стало называться измерением, а участвующие в нем предметы – измеряемым и единицей измерения.

Способ наименования и записи натуральных чисел получил название системы счисления или нумерации, а применяемые для этого графические знаки стали называться цифрами. Самая древняя из известных систем счисления появилась за 3000-2500 лет до нашей эры в Египте и поэтому получила название Египетской. В ней применялись только три цифры, напоминающие знаки |,  и . Они обозначали числа 1, 10 и 100 соответственно. Все остальные числа записывались в виде соответствующей последовательности из этих трех цифр. Например, число 345 в этой системе счисления имело следующий вид

|||||.

Египетская нумерация является примером системы счисления, в которой значения цифр не зависят от их места (позиции) в записи числа. Такие системы называются непозиционными. Другим известным примером непозиционной системы счисления является римская нумерация, использующая семь цифр I, V, X, L, C, D, M. Они обозначают числа один, пять, десять, пятьдесят, сто, пятьсот и тысяча. Главный недостаток таких систем счисления заключается в сложности выполнения арифметических операций. В этом легко убедиться, если попытаться найти сумму или произведение двух чисел, представленных в римской системе счисления.

Способы представления бесконечного множества чисел при помощи конечного количества цифр совершенствовались на протяжении нескольких тысячелетий. Применяемая в настоящее время система счисления возникла в Индии не позднее пятого века нашей эры. В ней используются десять цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, которые называются десятичными. В Европе с этой системой познакомились в десятом веке, благодаря арабам. Поэтому у нее два названия: десятичная или арабская система счисления. В десятичной системе счисления число один называется единицей нулевого разряда. Число, состоящее из десяти единиц нулевого разряда, называется единицей первого разряда или одним десятком. Десять единиц первого разряда образуют единицу второго разряда или одну сотню. Десять единиц второго разряда образуют единицу третьего разряда или одну тысячу. В общем случае, десять единиц -ого разряда называются единицей разряда.

Для записи натурального числа по правилам десятичной системы счисления требуется определить вначале количество единиц самого младшего (нулевого) разряда, содержащихся в нем. Для этого нужно найти остаток от деления числа на единицу первого разряда, то есть число 10. Пусть . Остаток от деления удовлетворяет неравенству и поэтому его можно обозначить соответствующей цифрой. Цифра будет самой правой цифрой в представлении числа . Результат деления на единицу первого разряда представим в виде . Остаток от деления будет следующей цифрой в представлении числа , стоящей левее . Через конечное число шагов (делений) целая часть окажется меньше числа 10 - основания системы. Это будет самая левая цифра в записи числа . Число является номером единицы старшего разряда числа . Последовательность называется представлением или записью числа в десятичной системе счисления.

Если содержит одинаковое количество единиц -ого и -ого разрядов, то цифры и в его представлении совпадают. Однако в первом случае цифра обозначает число равное единицам -ого разряда, во втором – число равное единицам -ого разряда. Другими словами, значение цифры в записи числа, определяется ее позицией. Нумерации с таким свойством принято называть позиционными. Количество единиц -ого разряда, содержащихся в единице ( )-ого разряда называется основанием системы счисления.

(1.2.4) Изображения. Информация, представленная в виде сообщения, предназначенного для зрительного восприятия, называется графической информацией или видеоинформацией. Важный класс графических сообщений представляют тексты. Их содержание определяется порядком следования букв и других используемых при написании символов. В качестве примера достаточно привести две фразы. Они отличаются только местом расположения запятой, но имеют противоположный смысл. «Казнить, нельзя помиловать» и «Казнить нельзя, помиловать».

К другому классу относятся графические сообщения, содержание которых определяется изменениями яркости его отдельных участков, размер которых не превосходит одной угловой минуты. Известно, что изменения яркости внутри этих участков человеческим глазом не воспринимаются. Такие сообщения принято называть изображениями. Изображения начали создаваться непосредственно человеком. Используя природные красители, он изменял отражательные свойства доступных ему материалов. Вначале это были камень и дерево. Затем появились холст, бумага и другие материалы. Начиная с 19 века, для получения изображений стали применять технические средства, в основе действия которых лежали различные физические законы. В настоящее время широкое применение находят фотографические, рентгеновские, инфракрасные, радиолокационные, ультразвуковые и ряд других изображений. Изображение служит источником информации о реальном мире (в качестве синонима слова мир часто используют слово сцена). Получение этой информации называется дешифрированием или интерпретацией изображения. К сожалению, из-за отсутствия взаимно однозначного соответствия между изображением и его содержанием автоматизация дешифрирования изображений представляет серьезную научную проблему. Исследования по автоматизации дешифрирования изображений интенсивно ведутся многими научными коллективами. В случае успеха результаты найдут применение при решении прикладных задач из самых разных предметных областей.

(1.2.5) Искусственные языки. Для преодоления проблем, возни­ка­ю­щих из-за неоднозначности естественных языков, были предприняты попытки создания языка с четко сформулированными синтаксическими и особенно семантическими правилами, гарантирующими взаимно однозначное соответствие между сообщением и его содержанием. Такие языки стали называться искусственными. Как правило, каждый искусственный язык имеет ограниченную сферу применения. В качестве примеров широко известных искусственных языков можно назвать набор знаков, регулирующих поведение участников дорожного движения, языки программирования и некоторые другие. Исключением из этого правила является созданный в 1887 году польским врачом Заменгофом язык эсперанто. На него переведены, например, Библия, пьесы “Гамлет” и “Фауст”, роман “Евгений Онегин” и другие известные произведения. На языке эсперанто выходят десятки журналов и издаются художественные произведения. В настоящее время число искусственных языков перевалило за несколько тысяч.