Основы теории информации Информатика, 11 класс

ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ. КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Информационная картина мира.

Мы живем в макромире, т.е. в мире, который состоит из объектов, по своим размерам сравнимых с человеком. Обычно макрообъекты разделяют на неживые (здания, средства транспорта, мебель, одежда, станки и механизмы и т.д.) и живые (сам человек, животные, растения и т.д.).

Макрообъекты состоят из молекул и атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц, размеры которых чрезвычайно малы. Этот мир называется микромиром.

Мы живем на планете Земля, которая входит в солнечную систему. Солнце вместе с миллионами других звезд образует нашу галактику - Млечный путь, а миллионы галактик образуют Вселенную. Все эти объекты имеют громадные размеры и образуют мегамир. Все многообразие этих объектов состоит из вещества.

Согласно физической теории "Большого взрыва" наша Вселенная образовалась в результате взрыва сгустка "перво-материи" около 20 миллиардов лет назад. Тогда материя существовала фактически в форме энергии. Затем на протяжении долей секунды начало образовываться вещество в форме элементарных частиц. Постепенно структура вещества стала усложняться, элементарные частицы стали образовывать атомы, а атомы - молекулы. Атомы и молекулы за счет сил гравитационного притяжения образовали сложные структуры мегамира (галактики, звезды, планеты).

Окружающий мир можно представить в виде иерархического ряда объектов: элементарных частиц, атомов, молекул, макротел, звезд, галактик и т.д. При этом на уровне молекул и макротел в этом иерархическом ряду образуется ответвление - другой ряд, связанный с живой природой, человеком, обществом и техникой.

Поднятое над поверхностью земли тело обладает механической энергией, нагретый чайник - тепловой, заряженный проводник - электрической, ядра атома - атомной.

Механическая энергия падающей воды вращает турбины гидроэлектростанций, тепловая энергия превращается в электрическую на тепловых электростанциях, атомная в электрическую - на атомных станциях. Электрическая энергия передается по проводам и с помощью электродвигателей превращается в механическую энергию (движение поездов, лифтов и т.д.).

Вещественно-энергетическая картина мира начала складываться еще в античной философии, а с XVIII века формировалась в основном в рамках физической науки и химии. С середины XX века все большее внимание стало уделяться исследованию строения и функционирования сложных систем (биологических, социальных и технических) в рамках биологии и других наук. Однако не все особенности таких систем оказалось возможным объяснить в рамках традиционного вещественно-энергетического подхода.

Строение и функционирование сложных систем различной природы (биологических, социальных, технических) оказалось невозможным объяснить, не рассматривая общих закономерностей информационных процессов. К концу XX века стала складываться, сначала в рамках кибернетики и биологии, а затем информатики, информационная картина мира. Информационная картина мира рассматривает окружающий мир под особым, информационным углом зрения, при этом она не противопоставляется вещественно-энергетической картине мира, но дополняет и развивает ее.

Информация в природе. Второе начало термодинамики, один из основных законов классической физики, утверждает, что если какую-либо систему "предоставить самой себе" и убрать все внешние воздействия (такую систему называют "закрытой"), то эта система стремится к состоянию термодинамического равновесия.

Генетическая информация. Любой живой организм, в том числе человек, является носителем генетической информации, которая передается по наследству. Генетическая информация хранится в каждой клетке организма в молекулах ДНК, которые состоят из отдельных участков (генов). Каждый ген "отвечает" за определенные особенности строения и функционирования организма и определяют как его возможности, так и предрасположенность к различным наследственным болезням.

Человек и информация. Человек живет в мире информации. Человек воспринимает окружающий мир (получает информацию) с помощью органов чувств. Наибольшее количество информации (около 90%) человек получает с помощью зрения, около 9% - с помощью слуха и только 1% с помощью других органов чувств (обоняния, осязания и вкуса). Полученная человеком информация в форме зрительных, слуховых и других образов хранится в его памяти.

Человеческое мышление можно рассматривать как процессы обработки информации в мозгу человека. На основе информации, полученной с помощью органов чувств, и теоретических знаний, полученных в процессе обучения, человек создает информационные модели окружающего мира. Такие модели позволяют человеку ориентироваться в окружающем мире и принимать правильные решения для достижения поставленных целей.

Информационные процессы.

Процессы, связанные с получением, хранением, обработкой и передачей информации, называются информационными процессами.

Из истории.

Если обратиться в далекое прошлое, то жалобы на обилие информации обнаруживаются тысячелетия назад.

Пример. На глиняной дощечке (шумерское письмо IV тысячелетия до нашей эры) начертано: «Настали тяжелые времена. Дети перестали слушаться родителей, и каждый норовит написать книгу».

Особенно модным стало жаловаться на непереносимость информационного бремени с XVII века. В XX веке заговорили ни более ни менее, как об информационной катастрофе. Информационный кризис — это возрастающее противоречие между объемом накапливаемой в обществе информации и ограниченными возможностями ее переработки отдельно взятой личностью. По оценкам специалистов в настоящее время количество информации, циркулирующей в обществе, удваивается примерно каждые 8-12 лет. Появилась уверенность в том, что для того, чтобы справиться с такой лавиной информации, недостаточно возможностей человеческого организма. Для этого нужны специальные средства и методы обработки информации, ее хранения и использования. Сформировались новые научные дисциплины — информатика, кибернетика, бионика, робототехника и др., имеющие своей целью изучение закономерностей информационных процессов, то есть процессов, цель которых — получить, передать, сохранить, обработать или использовать информацию.

В наиболее общем виде информационный процесс (ИП) определяется как совокупность последовательных действий (операций), производимых над информацией (в виде данных, сведений, фактов, идей, гипотез, теорий и пр.) для получения какого-либо результата (достижения цели).

Информация не существует сама по себе, она проявляется в информационных процессах.

Информационные процессы всегда протекают в каких-либо системах.

Информационные процессы могут быть целенаправленными или стихийными, организованными или хаотичными, детерминированными или вероятностными, но какую бы мы ни рассматривали систему, в ней всегда присутствуют информационные процессы, и какой бы информационный процесс мы ни рассматривали, он всегда реализуется в рамках какой-либо системы — биологической, социальной, технической, социотехнической.

Пример. «Танец» пчел — процесс передачи информации от пчел-разведчиков пчелам-сборщикам меда. Обучение в школе — это процесс передачи информации, накопленной предыдущими поколениями людей, подрастающему поколению.

Электронная почта (как совокупность соответствующих аппаратных средств и программ) предназначена для обеспечения передачи информации между компьютерами.

В зависимости от того, какого рода информация является предметом информационного процесса и кто является его субъектом (техническое устройство, человек, коллектив, общество в целом), можно говорить о глобальных информационных процессах, или макропроцесссах, и локальных информационных процессах, или микропроцессах. [pic]

Схема взаимосвязи информационных процессов показана на рис., где линиями без стрелок показаны включения одних процессов в другие (нижних на схеме в верхние), а линиями со стрелками — последовательность выполнения процессов.

Схема взаимосвязи информационных процессов

Пример. Процесс познания, распространение информации посредством СМИ, информационные войны, организация архивного хранения информации — глобальные ИП. Сравнение данных, двоичное кодирование текста, запись порции информации на носитель — локальные ИП.

Наиболее общими информационными процессами являются три процесса: сбор, преобразование, использование информации.

Каждый из этих процессов распадается, в свою очередь, на ряд процессов, причем некоторые из последних могут входить в каждый из выделенных обобщенных процессов.

Так, сбор информации состоит из процессов поиска и отбора. В свою очередь поиск информации осуществляется в результате выполнения процедур целеполагания и использования конкретных методов поиска.

Методы поиска бывают «ручные» или автоматизированные. Они включают в себя такие процедуры, как формирование поискового образа (в явном или неявном виде), просмотр поступающей информации с целью сравнения её с поисковым образом. Отбор информации производится на основе ее анализа и оценки ее свойств (объективность, достоверность, актуальность и пр.) в соответствии с выбранным критерием оценки. Отобранная информация сохраняется.

Хранение информации — это распространение её во времени. Хранение информации невозможно без выполнения процессов кодирования, формализации, структурирования, размещения, относящихся к общему процессу преобразования информации.

В то же время кодирование, формализацию, структурирование можно вполне обоснованно отнести к процессам обработки информации. Наряду с вышеперечисленными к процессам обработки информации относятся также информационное моделирование, вычисления по формулам (численные расчеты), обобщение, систематизация, классификация, кластеризация, схематизация и т. п.

Обработка информации составляет основу процесса преобразования информации.

Информация может быть передана (распространена в пространстве) для её последующего использования, обработки или хранения. Процесс передачи информации включает в себя процессы кодирования, восприятия, расшифровки и пр.

Важнейшим процессом использования информации субъектом является процесс подготовки и принятия решений. Наряду с этим часто использование информации сводится к в процессам формирования документированной информации (документов в том смысле, в каком этот термин используется в делопроизводстве) с целью подготовки информационного или управляющего воздействия.

Пример. Бухгалтер на основании имеющихся первичных документов (накладных, нарядов, табелей учета времени, инструкций по налогообложению и пр.) составляет сводную ведомость.

Сообщение о крупной аварии может стать основой для подготовки пакета документов о введении чрезвычайного положения.

Тот факт, что общество входит в новый виток развития цивилизации, который характеризуется освоением не только вещества и энергии, но и информации, становится общепризнанным. Термин “информация”   превратился сейчас в один из наиболее  употребляемых  терминов в науке, технике и в быту.

Это обусловлено тем, что понятия “информация” и “знания” очень близки, а знания, осведомленность играют далеко немаловажную роль в жизни, как отдельного человека, так и общества в целом. Слова известного французского дипломата Талейрана: “Кто владеет информацией - владеет миром” - наполняются сейчас не только политическим смыслом, но в большей мере экономическим, социальным.

В реальной практике широко используются процедуры, входящие в процесс защиты информации. Защита информации — важный компонент процессов хранения, обработки, передачи информации в системах любого типа, особенно в социальных и технических системах. К ней относятся разработка кода (шифра), кодирование (шифрование), сравнение, анализ, паролирование и т. п.

После того, как процесс использования информации завершен, например, решение принято и субъект приступил к его реализации, как правило, возникает новая задача и необходимы новая информация либо уточнение уже имеющейся. Это приводит к тому, что субъект вновь обращается к процедуре сбора информации и пр. Поэтому, говоря об информационных процессах, следует подчеркивать не только их взаимосвязь, но и цикличность. Отсюда ясно происхождение понятий «информационный цикл», «жизненный цикл информации».

Человек всегда стремится автоматизировать выполнение рутинных операций и операций, требующих постоянного внимания и точности. То же справедливо и по отношению к информационным процессам.

Универсальным устройством для автоматизированного выполнения информационных процессов в настоящее время является компьютер. Немалую роль в этом играют вычислительные системы и сети.

Установлена общность информационных процессов в живой природе, обществе, технике

Информационные процессы в природе. Каждую весну вы наблюдаете, как на деревьях появляются почки, которые потом распускаются превращаясь в листья, а осенью меняют окраску и опадают. Все эти процессы неразрывно связаны с информацией. Дерево воспринимает информацию о состоянии окружающей среды: температуре воздуха и почвы, продолжительности светового дня, интенсивности солнечных лучей. Такая информация служит сигналом для протекания различных физико-химических процессов в клетках, а значит, управляет этими процессами. В животном мире, так же как и в мире людей, информация играет немаловажную роль. Например, звуковое общение насекомых имеет удивительную особенность: несмотря на многочисленные помехи (другие звуки), они безошибочно выделяют нужный сигнал и точно определяют его источник.    Звуки и запахи несут информацию для животных и растений. Прикосновение - это тоже информационный процесс.

Есть ли различия в информационных процессах, характерных для растительного и животного мира? Заметим, что изменение температуры передается листьям от корней, а не при непосредственном контакте. Передача растением информации за пределы собственных живых клеток другому растению не предусмотрена, что отличает животный мир от растительного. У животных, живущих сообществами, даже выработался особый язык (например язык хвостов у волков) для передачи сообщений друг другу. Но это отличие растительного мира от животного, а не информационных процессов, которые протекают в этих мирах.

Можно утверждать, что в неживой природе информационный процесс не свойственен — ни камню, ни умершему живому организму. При воздействии окружающей среды могут происходить изменения (разрушение, химические реакции). Но эти изменения происходят не в результате информационного воздействия, а в результате физического воздействия или химической реакции. Здесь нет информационной системы. Отсутствует восприятие параметров, подлежащей обработке, тем самым переводящие ее в ранг информации.

В неживой  природе можно говорить об информационных процессах применительно  к технике, когда  она реагирует на некоторые действия человека.

Информационные процессы в технике. Информационные процессы характерны не только для природы, человека и общества, но и для техники.    

С такими процессами вы сталкиваетесь, когда опускаете в автомат турникета жетон, который проверяется на соответствие. Информация о проверке поступает на специальное устройство, которое открывает турникет.

Человеком разработаны технические устройства, в частности компьютеры, которые специально предназначены для автоматической обработки информации. Нормальное функционирование технических устройств связано с процессами управления, которые включают в себя получение, хранение, преобразование и передачу информации. В некоторых случаях главную роль в процессе управления выполняет человек (например, вождение автомобиля), в других управление берет на себя само техническое устройство (например, кондиционер).

Техника моделирует некоторые действия человека и способна иногда заменить его. Пример — телефонный автомат на улице.

Информационные процессы в обществе. 

С информационными процессами вы сталкиваетесь с детства.

Для того чтобы получать и передавать знания, узнавать об опасности, выражать свое отношение к происходящему, людям необходимо вступать в контакты (общаться друг с другом). Это называется коммуникацией и является основой информационных процессов в человеческом обществе. Это слово происходит от латинского communicatio (сообщение,  передача) и обозначает процесс обмена мыслями, сведениями, идеями, то есть информацией. Коммуникацией часто называют не только процесс, но и путь и средства передачи некоего объекта с одного места на другое.

Люди общаются при помощи речи, жестов, книг телепередач кинофильмов, театральных представлений, компьютеров и пр. Люди являются самыми важными объектами в системе коммуникаций. Без их участия этот процесс не может состояться. Общение - процесс двусторонний. Без обмена информацией невозможно развитие человеческого общества.

Внешние условия (среда накладывают отпечаток на  информационные процессы, а следовательно, и  на коммуникационные процессы. Например, поведение человека в воде совершенно другое, нежели на суше. Изменение коммуникационной среды требует от людей, желающих общаться между собой, знания языка, правил общения, умения читать, писать. В процессе общения с другими людьми человек передает и получает информацию. Обмен информацией между людьми может осуществляться в различных формах (письменной, устной или с помощью жестов), но независимо от формы всегда используется определенный язык (русский, язык программирования Бейсик, азбука Морзе и т.д.). Для того чтобы информация была понятна, язык должен быть известен всем людям, участвующим в общении. Чем большее количество языков вы знаете, тем шире круг вашего общения.

Коммуникационная среда - это совокупность условий обмена информацией.

С появлением электричества прочное место в передаче информации занимают телефон, телеграф. Позже появились средства радиосвязи, обеспечивающие коммуникации  без проводов. Это сделало возможной связь в любых условиях.

После изобретения радио, телевидения, аудио- и видеосредств появилась возможность тиражирования и распространения информации в больших количествах, она стала доступна широким массам людей. Поэтому коммуникационные системы, обеспечивающие распространение информации с помощью радио, телевидения, кино, звукозаписи, видеозаписи и печатных изданий, называют средствами массовой информации (СМИ). С развитием этих средств люди получили постоянные источники информации.

С появлением  компьютеров развитие информационных процессов приобретает небывалый размах. История человеческого общества - это, в определенном смысле, история накопления и преобразования информации. Весь процесс познания является процессом получения и накопления информации (знаний). Полученная информация хранится на различных типах носителей информации (книги, аудио- и видеокассеты и т.д.), а в последнее время все больше на электронных носителях информации в цифровой форме (магнитные и лазерные диски и др.).

Новая среда предоставляет  условия обмена информацией и хранения ее в виде, удобном для  корректировки и видоизменения. Сейчас появились информационные системы, дающие человеку возможность практически мгновенно получать необходимую информацию, передавать ее на большие расстояния. Однако это требует от человека определенных знаний для использования такой среды. Компьютеры соединяются между собой в глобальную систему, создавая информационную среду общения людей, имеющих доступ к этой системе.

  Объединение компьютеров в глобальную сеть Интернет позволило обеспечить для каждого человека потенциальную возможность быстрого доступа ко всему объему информации, накопленному человечеством за всю его историю.

Таким образом, информационные процессы присущи живой природе, обществу и технике.

Аппаратные и программные средства информатизации. Человеком созданы специальные технические устройства, предназначенные для кодирования, обработки, хранения и передачи информации в цифровой форме (компьютер, принтер, сканер, модем и др.). Совокупность таких устройств принято называть аппаратными средствами информатизации.

Технические (аппаратные) средства, то есть аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как "твёрдые изделия".

А для программных средств выбрано (а точнее, создано) очень удачное слово Software (буквально — "мягкие изделия"), которое подчёркивает равнозначность программного обеспечения и самой машины и вместе с тем подчёркивает способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться, развиваться.

Программное обеспечение — это совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также вся область деятельности по их созданию и применению.

Существует ещё такое понятие как алгоритмические средства.

Для них российский академик А.А. Дородницин предложил название Brainware (от англ. brain — интеллект). методика разработки алгоритмов и изучением методов и приёмов их построения. Алгоритмы — это правила, предписывающие выполнение последовательностей действий, приводящих к решению задачи. Нельзя приступить к программированию, не разработав предварительно алгоритм решения задачи.

Информационные и коммуникационные технологии. Для создания на компьютере документа с использованием текстового редактора необходимо овладеть технологией обработки текстовой информации, для редактирования изображения с помощью графического редактора - технологией обработки графической информации, для проведения вычислений в электронных таблицах - технологией обработки числовой информации и т.д.

В процессе исследования информационных моделей приходится разрабатывать алгоритмы и затем кодировать их на языках программирования, т.е. использовать технологию программирования.

Поиск и получение необходимой информации из глобальной компьютерной сети Интернет требует использования коммуникационных технологий.

В любом случае кроме использования определенных аппаратных и программных средств необходимо знать и уметь применять определенные информационные и коммуникационные технологии.

Информационные и коммуникационные технологии - это совокупность методов, устройств и производственных процессов, используемых обществом для сбора, хранения, обработки и распространения информации.

Информационное общество.

Вплоть до XVI века деятельность общества была направлена на овладение веществом, то есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом более сложных орудий труда.

Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической, наконец, в XX веке — атомной. Овладение энергией позволило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда.

В то же время людям всегда была свойственна потребность выразить и запомнить информацию об окружающем мире. В истории развития цивилизаций произошло несколько информационных революций.

Первая революция связана с изобретением письменности. Появилась возможность распространения знаний и сохранения их для передачи последующим поколениям.

Вторая революция (середина XVI) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикальным образом изменило общественную культуру.

Третья революция (конец XIX в) обусловлена изобретением электричества. Появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать информацию.

Четвертая революция (70-е годы XX в) связана с изобретением персонального компьютера.

Создание ПК было предопределено нараставшими объемами информации, с которыми сложно справиться с помощью традиционных технологий: бумаги и ручки. Это противоречие стало негативно сказываться на темпах роста НТП. Начинали говорить об "информационном взрыве", называя так бурный рост потоков и объемов информации. В качестве средства для хранения и, обработки и передачи информации научно-технический прогресс предложил обществу компьютер.

Еще недавно никто не представлял, что человечество окажется на пороге новой эры в развитии цивилизации — информационной.

В настоящее время происходит активный процесс информатизации общества.

Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные средства и методы.

Информационное общество — общество, в котором большинство работающих заняты производством, хранением, переработкой, продажей и обменом информацией.

В последнее время появилась новая категория культуры - информационная. Это вызвано тем, что для жизни и работы в информационном обществе человек должен быть подготовлен к быстрому восприятию и обработке больших объемов информации; ему необходимо овладеть современными средствами, методами и технологией работы. Кроме того, в новых жизненных условиях степень информированности одного человека напрямую зависит от информации, приобретенной другими людьми. Поэтому уже недостаточно уметь самостоятельно осваивать и накапливать информацию, а следует научиться такой технологии работы с информацией, когда решения подготавливаются и принимаются на основе коллективного знания. Таким образом, человек должен иметь определенный уровень культуры для работы с информацией.

Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные средства и методы.

Будучи важнейшей составляющей культуры в целом, информационная культура является продуктом разнообразных творческих способностей человека. В основном она проявляется в следующем:

• - в конкретных навыках по использования различных технических устройств - от телефона до персонального компьютера и компьютерных сетей;

• - в способности использовать в своей работе компьютерную информационную технологию;

• - в умении извлекать информацию из различных источников - от периодической печати до электронных коммуникаций;

• - в умении представлять информацию в понятном виде и эффективно ее использовать;

• - в знании аналитических методов обработки информации;

• - в умении работать с различными видами информации.

Информационная культура заимствует и использует достижения многих наук: кибернетики, информатики, теории информации. математики, теории проектирования баз данных и ряда других дисциплин. Неотъемлемой частью информационной культуры является знание информационной технологии и умение применять ее на практике.

В информационном обществе необходимо овладевать информационной культурой с раннего детства, сначала с помощью электронных игрушек, а позднее - с привлечением персонального компьютера.

Для любознательных [pic]

 В информационном обществе использование компьютеров во всех сферах человеческой деятельности обеспечит доступ к надежным источникам информации, избавит людей от рутинной работы, ускорит процесс принятия оптимальных решений, автоматизирует обработку информации в производственной и социальной сферах.

В результате движущей силой развития общества должно стать производство информационного, а не материального продукта. Что же касается материального продукта, то он станет более "информационно емким", и его стоимость будет в значительной степени зависеть от объема допущенных в его структуре инноваций, от дизайнерского решения, от качества маркетинга.

В информационном обществе изменится не только производство, но и весь уклад жизни, система ценностей, возрастет значимость культурного досуга. От человека потребуется способность к творчеству, возрастет спрос на знания.

Материально-технической основой информационного общества станут различного рода системы на базе компьютерной техники и компьютерных сетей, информационной технологии, телекоммуникационной связи.

В конце XX века созданная теоретиками картина информационного общества постепенно приобретает зримые очертания. Прогнозируется превращение всего мирового пространства в единое компьютеризированное и информационное сообщество людей, проживающих в квартирах и коттеджах, оснащенных всевозможными электронными приборами и компьютеризированными устройствами. Деятельность людей будет сосредоточена, главным образом, на обработке информации, а производство энергии и материальных продуктов будет возложено на машины.

Выводы: В последнее десятилетие XX века массовое производство персональных компьютеров и стремительный рост Интернета существенно ускорили становление информационного общества в развитых странах мира. В информационном обществе главным ресурсом является информация, именно на основе владения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. Большая часть населения в информационном обществе занята в сфере обработки информации или использует информационные и коммуникационные технологии в своей повседневной производственной деятельности. Для жизни и деятельности в информационном обществе необходимо обладать информационной культурой, т.е. знаниями и умениями в области информационных технологий, а также быть знакомым с юридическими и этическими нормами в этой сфере.

Информатика. Теория информации. Информационный подход к исследованию мира реализуется в рамках информатики; комплексной науки об информации и информационных процессах, аппаратных и программных средствах информатизации, информационных и коммуникационных технологиях, а также социальных аспектах процесса информатизации.

Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика".

Широко распространён также англоязычный вариант этого термина — "Сomputer science", что означает буквально "компьютерная наука".

Инфоpматика — это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности

Инфоpматика — научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения. Её основные направления:

• pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;

• теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;

• методы искусственного интеллекта, позволяющие создавать программы для решения задач, требующих определённых интеллектуальных усилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

• системный анализ, заключающийся в анализе назначения проектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;

• методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;

• средства телекоммуникации, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;

• разнообразные пpиложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Основные понятия и задачи теории информации.

Современная информатика делится на теоретическую и прикладную. Теоретическая информатика включает в себя множество научных дисциплин, для которых общим предметом изучения является информация. Среди них: теория информации, теория алгоритмов, теоретическая кибернетика, математическое и информационное моделирование, дискретная математика, искусственный интеллект, архитектура ЭВМ, теория и методика программирования и др.

К прикладной информатике относятся все области разработки и использования компьютерной техники, её аппаратных и программных составляющих.

Научной и инструментальной базой информатизации общества являются теоретическая и прикладная информатика.

Понятия теории информации:

Информация, информационный процесс, информационная модель, алгоритм, программа, компьютер как исполнитель алгоритмов, информационная технология, информационная система – все эти понятия, так или иначе, ссылаются на понятие «Информация».

Задачи теории информации:

Основной задачей теории информации является формирование представлений об информации и информационных процессах.

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая за революциями в овладении веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не только сферу материального производства, но и интеллектуальную, духовную сферы жизни.

ФОРМУЛА ХАРТЛИ. ФОРМУЛА ШЕННОНА

Итак мы видим, что в науке есть проблема определения информации. А как же обстоит дело с измерением информации? На эти вопросы мы попытаемся сегодня ответить. Изучение нового материала организовать в виде самостоятельной работы с учебником Угринович Н.Д.

Карточки для самостоятельной работы:

1. Как может рассматриваться информация с точки зрения процесса познания?

2. Как наглядно можно изобразить процесс познания? Приведите примеры.

3. Что надо сделать, чтобы уменьшить неопределенность знаний? Приведите примеры.

4. Что позволяет сделать научный подход к информации как мере уменьшения неопределенности знаний? Приведите примеры. Почему такой подход к измерению информации называют содержательным (вероятностным подходом)?

1. Человек получает информацию от органов чувств, обрабатывает её с помощью мышления и хранит в памяти. Полученная информация, обрабатываясь образует знание (факты, научные теории и т.д). С точки зрения процесса познания информация может рассматриваться как знания.

Древнегреческое изображение процесса познания: накопление информации в форме знаний.

Парадокс заключается в том, что чем большим объемом знаний обладает человек (чем шире круг знаний), тем больше он ощущает недостаток знаний.

Пример: выпускник при подготовке к экзамену по физике может обнаружить, что он не знает, что существуют физические законы. Первоклассник об этой недостаточности знаний не подозревает.

3. Пример 1. Чтобы уменьшить неопределенность знаний, надо получить сообщение, содержащее информацию. Пример, после сдачи экзамена ученик мучается неопределенностью, какую оценку он получил. После объявления экзаменационной комиссией результатов экзамена ученик получает сообщение об оценке, т.е. получает информацию, тем самым исчезает неопределенность знаний.

Пример 2. Перед броском монеты существует неопределенность наших знаний (возможны два события «орел» или «решка»). После броска наступает полная определенность (например, «орел»).

4. Научный подход к информации как мере уменьшения неопределенности знаний позволяет количественно измерить информацию.

Пример 1. При бросании монеты имеется 2 равновероятных события, может с одинаковой вероятностью выпасть «орел» или «решка». Неопределенность наших знаний после броска уменьшается ровно в 2 раза.

Пример 2. При бросании равносторонней четырехгранной пирамиды существует 4 равновероятных события, шестигранного игрального кубика – 6 равновероятных событий. Чем больше количество возможных событий, тем больше начальная неопределенность, тем большее количество информации будет содержать сообщение о результатах опыта.

В2.

1. Что принимается за минимальную единицу количества информации с точки зрения уменьшения неопределенности знаний в 2 раза?

2. Какая формула связывает между собой количество возможных событий и количество информации? Как зависит количество информации от количества возможных событий?

3. Какое количество информации получит второй игрок после первого хода первого игрока в игре «Крестики-нолики» на поле размером 4*4?

4. Каково было количество возможных событий, если после реализации одного из них мы получили количество информации, равное 3 битам? 7 битам?

1. За минимальную единицу измерения информации и приняли бит- количество информации, уменьшающее неопределенность в 2 раза. В случае с монетой полученное количество информации равно 1 биту.

2. Существует формула, которая связывает между собой количество возможных событий N и количество информации I. N=2^I.

3. Чем больше количество возможных событий, тем больше количество информации. Всего клеток на поле 16. Второй игрок получит 4 бит информации.

4. Ответ: 8 событий, 128 событий.

В3.

1. В чем заключается алфавитный подход к определению количества информации?

2. Как посчитать количество информации в сообщении с помощью алфавитного подхода?

3. Почему информационная емкость русской буквы а больше информационной ёмкости английской буквы?

4. Пусть две книги на русском и китайском языках содержат одинаковое количество знаков. В какой книге содержится большее количество информации с точки зрения алфавитного подхода?

1. Для человека количество информации определяется на основе уменьшения неопределенности наших знаний, а компьютер не понимает содержание и новизну. Информация рассматривается им как последовательность букв, цифр, кодов цветов точек изображения и т.д. Это важно для хранения и передачи информации техническими устройствами.

2. Через количество символов с учетом информационного веса символов.

3. Потому, что в русском алфавите букв больше, чем в английском. Число равновероятных событий появления русской буквы больше, значит и само её появление несет больше информации

4. Ответ: в китайской.

Единицы измерения информации

Какие единицы измерения вы знаете?

Ученик: минимальная единица измерения информации 1 бит. Так как «алфавит компьютера» (число символов на клавиатуре) составляет примерно 256 символов, то 1 символ составляет 8 бит информации (2⁸=256).

1 байт=2³=8 бит

Учитель: Более крупные единицы измерения информации:

1Кбайт (килобайт)=2¹⁰ байт=1024 байт

1Мбайт (мегабайт)=2¹⁰ Кбайт=1024 Кбайт=2²⁰ байт

1Гбайт (гигабайт)=2¹⁰ Мбайт=1024 Мбайт=2³⁰ байт

1Тбайт (терабайт)=2¹⁰ Гбайт=1024 Гбайт=2⁴⁰ байт

1Пбайт (петабайт)=2¹⁰ Тбайт=1024 Тбайт=2⁵⁰ байт

Итак, количество информации, которое содержит сообщение, закодированное с помощью знаковой системы, равно количеству информации, которое несет один знак, умноженному на количество знаков в сообщении.

Формулы Хартли и Шеннона.

Как определить полученное количество информации за один бросок игрального кубика?

У куба 6 граней, значит требуется решить показательное уравнение 2^I =6. Это можно сделать, используя понятие логарифма. Напомню, что логарифмом называют показатель степени I, в которую нужно возвести основание логарифма (2) чтобы получить заданное число N. Log26 ≈2,6 бит. Значит за один бросок мы получим 2, 6 бит информации.

1. Для равновероятных событий расчетная формула количества информации имеет вид: N=2^I или I =log2 N. Иногда формула Хартли записывается иначе. Так как наступление каждого из N возможных событий имеет одинаковую вероятность P=1/N, то N = 1/P и формула имеет вид:

I =log2 (1/P)= - log2 (P)

3. Существуют множества ситуаций, когда возможные события имеют различные вероятности реализации. Например, если монета не симметрична (одна сторона тяжелее другой), то при её бросании вероятности выпадения «орла» и «решки» будут различаться.

Формулу для вычисления количества информации в случае различных вероятностей событий предложил К.Шеннон в 1948 году. В этом случае количество информации определяется по формуле:

pi log 2 pi , где I –количество информации, N –количество возможных событий, pi –вероятности отдельных событий. Вероятность события pi =1/N.

Поясним формулу на примере:

Пусть при бросании несимметричной четырехгранной пирамидки вероятности отдельных событий будут равны:

P1 =1/2

P2 =1/4

P3 = 1/8

P4 =1/8

Тогда, количество информации, которое мы получим после реализации одного из событий можно рассчитать по формуле:

I= - (1/2•log21/2 + 1/4•log21/4 + 1/8•log21/8 + 1/8•log21/8) = (1/2 + 2/4 + 3/8 + 3/8) битов =14/8 битов »1,75 бита.

Этот подход к определению количества информации называется вероятностным.

Итак, количество информации, которое мы получаем достигает максимального значения, если события равновероятны. (при бросании несимметричной четырехгранной пирамидки (1, 75 бита) – события не равновероятны, при бросании симметричной (2 бита) – события равновероятны)

Решение задач.

Заполнить пропуски числами: Г)__Гб=1536 Мб=__Кбайт

Решение:

Чтобы перевести меньшую единицу числа в большую ( из Мб в Гб) надо разделить его на 1024, чтобы перевести большую единицу измерения в меньшую (из Мб в Кб) надо умножить на 1024.

1536 Мб=1536:1024 Гб=1,5 Гб

1536 Мб= 1536*1024 Кб=1 572 864 Кб

Д) 512 Кб=2_ байт=2_ бит

512 Кб= 512*1024 байт=524288 байт или 2⁹*2¹⁰=2¹⁹ байт

2¹⁹ байт=2¹⁹*2³ бит=2²² бит, так как в 1 байте 8 бит или 2³

Найти х из следующих соотношений: а)16^х бит=32 Мб

Решение:

Для сравнения двух частей надо обе части перевести в одну единицу измерения, лучше известную, т.е.32 Мб переведем в биты. Переведем сначала в байты.

32 Мб * 2²⁰байт =2⁵*2²⁰байт=2²⁵байт.

Затем переведем в биты: 2²⁵*2³ бит=2²⁸ бит

Преобразуем левую часть в степень двойки: 2^4хбит=2²⁸ бит, значит х=7

б) 8^х Кб=16 Гб

Переведем Гб в Кбайты. 1ГБ=2²⁰ Кбайт, значит

16 Гб= 16*2²⁰ Кбайт=2⁴*2²⁰ Кбайт=2²⁴ Кбайт. Теперь переведем в степень 2 левую часть

2^3х Кб= 2²⁴ Кбайт, значит х=8

Пользователь компьютера, хорошо владеющий навыками ввода информации с клавиатуры может вводить в минуту 100 знаков. Мощность алфавита, используемого в компьютере равна 256. Какое количество информации в байтах может ввести пользователь за 1 минуту.

Решение: так как мощность алфавита ( количество символов в алфавите) равно 256, то длину кода одного символа легко посчитать, надо решить уравнение 2^x=256, где х=8, так как 1 байт= 8 бит, то 8*100=800 бит информации, или 100 байт за минуту будет введено.

Задача 4. В барабане для розыгрыша лотереи находится 32 шара. Сколько информации содержит сообщение о первом выпавшем номере (например, выпал номер 15)?

Решение:

т.к. вытаскивание любого из шаров равновероятно, то количество информации вычисляется по формуле 2^I=N, где I – количество информации, а N – количество шаров. Тогда 2^I=32, отсюда I = 5 бит.

Задача 5. Группа школьников пришла в бассейн, в котором 4 дорожки для плавания. Тренер сообщил, что группа будет плавать на дорожке номер 3. Сколько информации получили школьники из этого сообщения?

Решение:

Поскольку выбор одной дорожки из 4-х равновероятен, то количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I – количество информации, а N=4 – количество дорожек. Тогда 2^I=4, отсюда I=2 бита.

Задача 6. В корзине лежат 8 шаров. Все шары разного цвета. Сколько информации несет сообщение о том, что из корзины достали красный шар?

Решение:

Поскольку все шары разного цвета, то вытаскивание одного шара из восьми равновероятно. Количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I – количество информации, а N=8 – количество шаров. Тогда 2^I=8, отсюда I=3 бита.

Задача 6. Была получена телеграмма: «Встречайте, вагон 7». Известно, что в составе поезда 16 вагонов. Какое количество информации было получено?

Решение:

Поскольку номер вагона равновероятно может быть выбран из 16 вагонов, то количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I – количество информации, а N=16 – количество вагонов. Тогда 2^I=16, отсюда I=4 бита.

Задача 7. При угадывании целого числа в некотором диапазоне было получено 6 бит информации. Сколько чисел содержит этот диапазон?

Решение:

Поскольку выбор числа равновероятен из заданного диапазона, то количество информации определяется по формуле 2^I=N, где I=6 бит, а N – количество чисел в искомом интервале. Отсюда: 2⁶=N, N=64.

Задача 8. Сообщение о том, что ваш друг живет на 10 этаже, несет 4 бита информации. Сколько этажей в доме?

Решение:

Поскольку появление в сообщении номера этажа равновероятно из общего числа этажей в доме, то количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I = 4 – количество информации, N – число этажей в доме. Отсюда: 2⁴=N, N=16.

Задача 9. Какое количество информации несет сообщение: «Встреча назначена на сентябрь».

Решение:

Поскольку появление в сообщении месяца сентябрь равновероятно из 12 месяцев, то количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I – количество информации, N – количество месяцев. Отсюда: 2^I=12, I=log212≈3.584962501 бит.

Задача 10. Какое количество информации несет сообщение о том, что встреча назначена на 15 число?

Решение:

Поскольку появление в сообщении определенного числа равновероятно из общего числа дней в месяце, то количество информации определяется по формуле: 2^I=N, где I – количество информации, N=31 – количество дней в месяце. Отсюда: 2^I=31, I=log231≈4.954196310 бит.

Вывод: математическая теория информации не охватывает всего богатства содержания информации, поскольку она отвлекается от содержательной (смысловой, семантической) стороны сообщения. С точки зрения этой теории фраза из 100 слов, взятая из газеты, пьесы Шекспира или теории Эйнштейна, имеет приблизительно одинаковое количество информации. Советский математик Ю. А. Шрейдер оценивал информацию по увеличению объема знаний у человека под воздействием информационного сообщения. Академик А.А. Харкевич измерял содержательность информации по увеличению вероятности достижения цели после получения информации человеком или машиной. В компьютере применяется алфавитный подход к измерению информации.

ЗАКОН АДДИТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИИ

Самостоятельная работа

1) В коробке лежат 7 разноцветных карандашей. Какое количество информации содержит сообщение, что из коробки достали красный карандаш.

2) Перечислите единицы измерения информации.

Вариант 2:

1. Какое количество информации несет сообщение «Встреча назначена на сентябрь»?

2. Что такое информация с точки зрения неопределенности в знаниях.

Известно, что кодирование информации в рамках алфавитного подхода осуществляется следующим образом: для записи сообщений определенного вида вводится алфавит, т. е. набор символов. Количество различных символов в алфавите называется мощностью. Алфавит вводится, чтобы любое сообщение можно было записать с помощью конечной последовательности символов. Алфавитный подход к измерению информации позволяет определить количество информации, заключенной в тексте. Алфавитный подход является объективным, т. е. он не зависит от субъекта (человека), воспринимающего текст.

Если допустить, что все символы алфавита встречаются в тексте с одинаковой частотой (равновероятно), то количество информации, которое несет каждый символ, вычисляется по формуле:

N=2ⁱ

Где [pic] — мощность алфавита. Следовательно, в 2-символьном алфавите каждый символ «весит» 1 бит; в 4-символьном алфавите каждый символ несет 2 бита информации ; в 8-символьном — 3 бита (log28 = 3) и т. д.

Один символ из алфавита мощностью 256 (2⁸) несет в тексте 8 битов информации. Такое количество информации называется байтом. Алфавит из 256 символов используется для представления текстов в компьютере.

1 байт = 8 битов.

Если весь текст состоит из К символов, то при алфавитном подходе размер содержащейся в нем информации равен:

[pic]

где i — информационный вес одного символа в используемом алфавите, k – количество символов в сообщении.

Решение задач

1). Алфавит племени Мульти состоит из 8 букв. Какое количество информации несет одна буква этого алфавита?

Дано: решение:

N=8 N=2ⁱ; 8=2ⁱ

Определить: i=3 бита

i Ответ: 3 бита

2) Сообщение записано буквами из 64-символьного алфавита, содержит 20 символов. Какой объем информации оно несет?

Дано: решение:

N=64 I=i*k

k=20 N=2ⁱ; 64=2ⁱ

Определить: i=6 бит

I I=6*20

I=120 бит = 1,5 байт

Ответ: 1,5 байт

3) Книга, набранная с помощью компьютера, содержит 150 страниц; на каждой странице — 40 строк, в каждой строке — 60 символов. Каков объем информации в книге?

Дано

m=150

r=40

z=60

N=256

Определить I

Решение.

I=k*i

k=m*r*z

k=150*60*40

k= 360 000

N=2ⁱ

256=2ⁱ

i=8 бит

I=360000*8 бит = 360000 байт=351,6 кбайт

Ответ 351,6 кбайт

АЛГОРИТМ ХАФФМАНА

Идея метода опубликована Хаффманом заключается в кодировании часто встречающихся символов, короткими кодами. А редко встречающимися более редкими

Алгоритм Хаффмана сжимает данные в 2 подхода. На первом подходе читаются все входные данные и подсчитываются частоты, встречаемости всех символов. Затем по этим данным строится дерево Хаффмана, а по нему код символов.

После этого на втором подходе входные данные читаются еще раз, и при этом генерируются выходной массив данных.

Алгоритм построения дерева Хаффмана

1. Символы входного алфавита образуют список свободных узлов. Каждый лист имеет вес, который равен частоте появления символа

2. Выбираются два свободных узла дерева с наименьшими весами

3. Создается их родитель с весом, равным их суммарному весу

4. Родитель добавляется в список свободных узлов, а двое его детей удаляются из этого списка

5. Одной дуге, выходящей из родителя, ставится в соответствие бит 1, другой — бит 0

6. Шаги, начиная со второго, повторяются до тех пор, пока в списке свободных узлов не останется только один свободный узел. Он и будет считаться корнем дерева.