Основные понятия и методы теории информатики и кодирования

Тема 2. Основные понятия и методы теории информатики и кодирования.

Сигналы, данные, информация; информация как предмет изучения информатики; свойства информации; классификация информации.
Понятие экономической информации, ее свойства.
Структура экономической информации.
Классификация экономической информации.
Различные подходы к измерению информации.
Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации.

2.1. Сигналы, данные, информация; информация как предмет изучения информатики; свойства информации.

Информация наряду с такими фундаментальными понятиями, как пространство, время, материя, относится к важнейшим категориям познания. Любой сознательный акт деятельности человека немыслим без получения, анализа, обобщения сведений о внешнем мире, т.е. предполагает обработку информации.

Термин информация происходит от латинского information, что означает разъяснение, осведомление, изложение. В широком смысле информация –это общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

В Федеральном законе «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» (2006 г., редакция от 2010 г.) информация определяется как сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления.

Приведем некоторые определения понятия «информация».

Информация –средство снижения неопределенности и риска. (В теории прибыли, по Ф. Найту).

Информация –сообщения, которые уменьшают существующую неопределенность, неполноту знаний. (В теории информации, по К. Шеннону).

Информация –совокупность сведений, являющихся объектом сбора, передачи, хранения и обработки. (В теории машинной обработки).

Информация –та часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т.е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы. (В кибернетике, по Н. Винеру)

Информация должна обладать рядом свойств.

Объективность. Информация объективна, если она не зависит от чьего-либо мнения, суждения.

Достоверность. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел.

Информация становится недостоверной в следующих случаях:

технические помехи (испорченный телефон);
дезинформация (преднамеренное искажение фактов);
преувеличение или преуменьшение фактов (слухи).

Полнота. Информация полная, если ее достаточно для принятия решения.

Актуальность. Информация актуальная, если она важна в данный момент времени.

Информация становится неактуальной в следующих случаях:

устарела (подшивка прошлогодних газет);
не важна для вас лично (цены в другом государстве).

Понятность (ясность). Информация ясна, если она изложена на языке, понятном для получателя.

Ценность (полезность). Ценность информации определяется тем количеством задач, которые можно решить с ее помощью.

Эргономичность. Эргономичность информации определяется удобством формы или объема с точки зрения данного потребителя.

Защищенность. Информация защищена, если невозможно ее несанкционированное использование или изменение.

При работе с информацией всегда имеется ее источник и потребитель (получатель). Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее потребителю, называются информационными коммуникациями.

Для потребителя информации очень важной характеристикой является ее адекватность.

Адекватность информации –это определенный уровень соответствия создаваемого с помощью полученной информации образа реальному объекту, процессу, явлению и т.п.

В реальной жизни вряд ли возможна ситуация, когда вы сможете рассчитывать на полную адекватность информации. Всегда присутствует некоторая степень неопределенности. От степени адекватности информации реальному состоянию объекта или процесса зависит правильность принятия решений человеком.

Пример: вы окончили школу и хотите продолжить образование. От друзей вы получаете разноречивые сведения о подготовке в различных вузах, поэтому покупаете справочник. В этом случае можно говорить, что информация, полученная вами из справочника, адекватно отражает направления обучения в вузах и помогает вам определиться в окончательном выборе.

Адекватность информации может выражаться в трех формах: семантической, синтаксической, прагматической.

Синтаксическая адекватность отображает внешние структурные характеристики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность преобразования этих кодов и т.д. Информация, рассматриваемая только относительно ее синтаксического аспекта без учета ее смысловых и потребительских качеств, называется данными.

После получения данных, их структуризации в соответствии с конкретной предметной областью человеком формируется знание о некотором объекте, процессе, явлении. Знание –это информация, усвоенная человеком, не существующая вне его сознания и позволяющая решать задачи в данной области.

Семантическая (смысловая) адекватность определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет смыслового содержания информации. Эта форма служит для формирования понятий и представлений, выявления смысла, содержания информации и ее обобщения.

Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Прагматический аспект рассмотрения связан с ценностью, полезностью использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. С этой точки зрения анализируются потребительские свойства информации. Эта форма адекватности непосредственно связана с практическим использованием информации, с соответствием ее целевой функции деятельности системы.

Классификация информации:

по способу восприятия: визуальная, аудиальная, вкусовая, обонятельная и тактильная;
по форме представления: текстовая, числовая, графическая, звуковая, видеоинформация;
по значению: личная, профессиональная, массовая.

Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Воспринимаемая информация поступает в виде энергетических сигналов (свет, звук, тепло) и излучений (вкус и запах), причем процесс поступления этих сигналов происходит непрерывно. Сигналы бывают двух типов: аналоговые (непрерывные) и дискретные (цифровые).

Дискретная форма представления дает ряд преимуществ перед аналоговой. Например, такая форма более устойчива к помехам и аппаратура приема-передачи и алгоритмы обработки дискретного сигнала проще, чем аналогового.

2.2. Понятие экономической информации, ее свойства.

Экономическая информация обслуживает процессы общественного производства, распределения, обмена и потребления материальных благ. Объектом исследования экономической информатики является информация, которая может быть представлена совокупностью различных сведений экономического характера. Под этим понимаются данные сферы экономики, отражающие через систему натуральных, трудовых и стоимостных показателей плановую и фактическую производственно-хозяйственную деятельность объектов управления.

Важность экономической информации состоит в том, что на ее основе формируются экономико-математические модели развития предприятия, позволяющие эффективно управлять объектом.

К экономической информации предъявляются следующие требования: точность (характеризует однозначное восприятие экономической информации многими потребителями), достоверность (определяет допустимый уровень искажения как исходной, так и результатной информации, при котором сохраняется эффективность функционирования системы) и оперативность ее поступления (определяет быстроту замены устаревшей с течением времени и потерявшей ценность информации).

Отличительные черты экономической информации.

Экономическая информация отражает акты хозяйственной деятельности с помощью системы натуральных и стоимостных показателей. Поэтому используются количественные величины, цифровые значения. Это отличает экономическую информацию, например, от юридической или культурной, где дается качественная оценка.
Дискретность. Экономическая информация представляет собой конечный набор числовых показателей. В экономике оперируют нормативными, плановыми, фактическими значениями различных показателей, дающих количественную оценку процессов и явлений. Эта особенность экономической информации предоставляет широкие возможности использования вычислительной техники для ее обработки.
Цикличность. Для большинства производственных процессов характерна повторяемость составляющих его стадий. Следовательно, и информация, отражающая эти процессы, периодически повторяется. Это позволяет многократно использовать программы машинного счета, что значительно упрощает процесс проектирования автоматизированной обработки данных.
Объемность. Качественное управление экономическими процессами невозможно без детальной информации о каждом работнике, рабочем месте, об этапах технологического процесса, поставщиках сырья и потребителях готовой продукции и т.д. Совершенствование управления сопровождается увеличением сопутствующих ему потоков.
Однородность и однотипность. Относительная однородность и однотипность экономической информации позволяет получить по одним и тем же исходным данным результатную информацию для всех служб и видов хозяйственной деятельности.
В процессе обработки экономической информации логические операции преобладают над арифметическими, которые сводятся, в основном, к четырем действиям.

2.3. Структура экономической информации.

Экономическая информация описывает различные объекты, явления и процессы, характеризующиеся своими свойствами. Совокупность сведений, достаточных для всесторонней характеристики изучаемого объекта на определенном уровне за некоторый промежуток времени, называется информационной совокупностью.

Для определения объема экономической информации введены единицы ее измерения.

Реквизит (минимальная единица измерения экономической информации) отражает отдельные свойства объекта, имеет смысловое содержание и не поддается дальнейшему делению. Реквизиты делятся на реквизиты-признаки и реквизиты-основания. Первые характеризуют качественную сторону объекта (наименование изделия, единицы измерения, марка продукции), вторые –количественную (количество изделий, количество сырья). Реквизиты-признаки подлежат логической, реквизиты-основания арифметической обработке. Любой реквизит имеет форму и содержание. Форма –это наименование реквизита, содержание –его конкретное значение.

Объединяясь, реквизиты образуют составные единицы экономической информации –показатели. Показатель –логическое высказывание, содержащее качественную и количественную характеристики объекта. Показатель включает в себя один реквизит-основание и один или несколько реквизитов-признаков. Чем больше признаков дополняют реквизит-основание, тем полнее сведения о данном объекте.

Совокупность показателей, содержащихся в документе, образует информационное сообщение.

Группа однородных показателей, объединенных по определенному признаку, составляет информационный массив. Информационный массив –множество записей на носителе информации, содержащих сведения об однородных объектах.

Несколько информационных массивов, имеющих одинаковую структуру, образуют информационный поток.

Информационная подсистема охватывает информационные потоки, относящиеся к нескольким задачам определенного направления.

Информационная система охватывает всю информацию по объекту (предприятию) и является структурной единицей высшего уровня.

При обработке информации реквизиты-основания и реквизиты признаки часто называют данными. Данные –это информация, представленная в формализованном виде, позволяющем передавать ее, хранить и обрабатывать.

2.4. Классификация экономической информации.

По месту возникновения и направлению движения: входная и выходная, внутренняя и внешняя.

Входная –информация, поступающая в объект управления.

Выходная –информация, исходящая из объекта управления.

Внутренняя –информация, возникающая внутри объекта управления.

Внешняя –информация, возникающая за пределами объекта управления.

По стадиям образования: первичная, вторичная, промежуточная, результатная.

Первичная –информация, возникающая непосредственно в процессе деятельности объекта и регистрируемая на начальной стадии процесса управления.

Вторичная –информация, получаемая в результате обработки первичной.

Промежуточная –информация между первичной и результатной.

Результатная –итоговая информация.

По принадлежности к сфере материального производства и непроизводственной сфере.
По временным стадиям управления: прогнозная, плановая, учетная, информация для анализа хозяйственной деятельности, оперативного управления, составления отчетности.
По стабильности во времени: переменная, постоянная.

Переменная –информация, отражающая фактические качественные и количественные характеристики производственно-хозяйственной деятельности объекта. Она, как правило, участвует в одном цикле обработки, а затем меняется.

Постоянная (условно-постоянная) –информация, остающаяся неизменной в течение длительного времени.

где Кст –коэффициент стабильности;

ИСобщ –общее число информационных совокупностей;

ИСизм –число информационных совокупностей, изменивших свои значения за рассматриваемый период.

Если Кст < 0,85, то информация переменная.

По времени поступления: оперативная (суточная, недельная, декадная, двухнедельная), текущая (месячная, квартальная, полугодовая, годовая), единовременная.

2.5. Различные подходы к измерению информации.

Технические проблемы развития различных средств связи потребовали ввести количественную меру информации. Согласно указанным трем уровням выполняется и количественное измерение информации.

Синтаксический подход (основоположник К. Шеннон, 1948) измеряет количество информации уменьшением (изменением) неопределенности состояния системы. Количественно выраженная неопределенность состояния системы получила название энтропии.

Действительно, получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы. Т.е. информацией является не любое сообщение, а лишь такое, которое несет неизвестные ранее получателю факты. Энтропия системы выражается следующей формулой:

где N –число возможных состояний системы, Pi –вероятность наступления i-го состояния.

Количество информации, которое содержится в одном из двух равновероятных сообщений, называется битом и является единицей измерения информации.

Количество информации, содержащейся в сообщении, равно разности между мерами неопределенности получателя до и после получения сообщения.

Таким образом, количество информации в сообщении измеряется уменьшением неопределенности состояния системы. Если эта разность равна нулю, то информация в сообщении отсутствует. Для случая, когда все состояния системы равновероятны: .

Семантический подход (основатели Н. Винер, Ю. Шнайдер) предполагает, что для получения и использования информации получатель должен обладать определенным запасом знаний –тезаурусом.

Такая мера связывает семантические свойства информации со способностью системы принимать поступившее сообщение. Тезаурус можно трактовать как совокупность сведений, которыми располагает данная система.

В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом Sт изменяется количество семантической информации Iс, воспринимаемой системой и включаемой в дальнейшем в свой тезаурус.

При Sт=0 пользователь не воспринимает поступившую информацию; при Sт = он все знает и поступившая информация ему не нужна. Максимальное значение Iс приобретает при согласовании S с Sт, когда поступающая информация понятна системе и несет ей ранее неизвестные сведения.

Следовательно, количество семантической информации в сообщении и новых знаний, получаемых системой, является величиной относительной –одно и то же сообщение может иметь смысловое содержание для компетентной системы и быть бессмысленным (семантический шум) для некомпетентной.

При разработке информационного обеспечения систем управления стремятся к согласованию величин S и Sт так, чтобы циркулирующая в системе информация была доступна для восприятия и обладала наибольшей содержательностью S:

Прагматический подход (основатель А. Харкевич) определяет количество информации как меру, способствующую достижению поставленной цели. В качестве меры ценности информации в данном подходе рассматривается количество информации как приращение вероятности достижения цели. Ценность информации целесообразно измерять в тех же единицах, в которых задается целевая функция управления системой.

Структурный подход предполагает абстрагирование от смыслового содержания информации с целью организации таких логических и физических структур организации информации, которые позволяли бы наиболее эффективно ее использовать (быстрый поиск, извлечение, копирование, изменение и т.д.). Структурный подход предполагает преобразование информации в машинные коды и, наоборот, из машинных кодов в доступную форму. При машинном хранении информации структурной единицей информации является один байт. Структурными элементами информации являются поля, записи, массивы, базы и банки данных, банки знаний.

Другими, более крупными, единицами измерения являются:

1 байт = 8 бит;

Кбайт = 1024 байт;

Мбайт = 1024 Кбайт;

Гбайт = 1024 Мбайт;

Тбайт = 1024 Гбайт.

2.6. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации.

Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и переработки информации, принятия решений на ее основе и их выполнения. Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств, хранит и перерабатывает ее с помощью мозга и центральной нервной системы. Процессы обработки информации составляют суть умственной деятельности человека. Человек думает, вычисляет, говорит, слушает, читает, пишет, рисует и т.д. При этом он всегда имеет дело с информацией.

Связанные с информацией процессы происходят не только в мире, имеющем отношение к деятельности человека, но также и в живой природе и технике. Организация живой природы, сообществ и популяций основана на постоянном обмене информацией, переработке информации, получаемой из неживой природы. Например, сезонные изменения в растительном мире –результат информационного процесса. Температура воздуха и почвы, длина светового дня –сигналы внешней среды, значимые для выживания растения.

Под информационным понимают процесс, связанный с определенными операциями над информацией, в ходе которого может измениться содержание информации или ее форма. Среди всех информационных процессов можно выделить наиболее общие. К ним относятся получение, передача, хранение и обработка информации.

Получение информации

Человек воспринимает информацию с помощью пяти органов чувств (классификация по способу восприятия).

Мир живой природы дает великое множество примеров, когда органы чувств (органы получения информации) достигли удивительного совершенства: зоркость глаза орла, круговое поле зрения стрекозы, тонкость обоняния и слуха диких животных. Встречаются у животных и органы чувств, которых человек не имеет. Это боковая линия у рыб, ультразвуковой «локатор» у летучих мышей. У саламандры под кожей на голове есть железа, которая способна различать солнечный свет («третий глаз»). А у змеи между глазами и носом есть участок кожи, очень чувствительный к теплу. С помощью этого органа змея воспринимает тепловую картину мира.

Человек создает приборы, позволяющие получать информацию, которая недоступна ему в непосредственных ощущениях: микроскопы, телескопы, термометры, спидометры и т.д. Аналогам органов чувств человека в технических приборах соответствуют различные датчики. Получение информации называется вводом. В персональном компьютере за ввод информации отвечают специальные устройства ввода: клавиатура, сканер, дигитайзер, микрофон, мышь и многое другое.

Передача информации

Информация передается по каналу передачи, направляясь от источника к получателю. Канал передачи –это некоторое «транспортное средство», осуществляющее доставку информации. Природа информационных каналов –колебательные движения среды: звуковые, световые, электромагнитные волны и пр. С открытием радиоволн и созданием устройств, их генерирующих и улавливающих, в процессе передачи информации произошли революционные изменения.

Информация передается в виде последовательности сигналов, составляющих информационное сообщение. Физический смысл сигнала, с помощью которого передается информация, может не совпадать со смыслом передаваемой информации. Восприятие информации невозможно без определенных предварительных соглашений и знаний, без которых сигнал будет восприниматься лишь как сообщение о некотором факте, который непонятно как интерпретировать. В одном случае воздетые вверх руки выражают эмоциональный всплеск по поводу одержанной победы, а в другом –обозначают капитуляцию противника. Для достижения взаимопонимания необходима предварительная договоренность о значениях сигналов. Поэтому и существуют алфавиты различных языков, правила движения, азбука Морзе, шрифт Брайля и т.д.

В процессе передачи информация может теряться, искажаться из-за помех и вредных воздействий. Причины таких воздействий могут быть как технического характера –перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, перепады температур, давления, влажности окружающей среды, так и следствием человеческого вмешательства. Для нейтрализации помех применяются устойчивые материалы и средства связи, программируются избыточные коды, позволяющие восстановить исходную информацию. Развитие цифровых каналов связи открывает новые возможности пользователям компьютерных сетей.

Для защиты информации от несанкционированного вмешательства возникает необходимость ее засекречивания. Изобретением и использованием шифров занимается наука криптография.

Информация распространяется не только в пространстве, но и во времени.

Древние рукописи, книги, наскальные рисунки, археологические находки –источники информации из глубины времен. Геологические отложения –свидетели исторических процессов развития земли. Благодаря генетической информации, которая хранится в закодированном виде в молекуле ДНК и передается следующим поколениям, существует непрерываемая смена поколений каждого вида живых существ.

Обработка информации

Обработка информации –процесс получения новой информации на базе уже имеющейся. Преобразование информации может быть связано с изменением ее содержания или формы представления. В последнем случае говорят о кодировании информации. Например, шифрование информации или перевод текстов на другой язык.

Упорядочивание информации, поиск нужной информации в информационном массиве являются другими вариантами обработки. Редактирование текста, математические вычисления, логические умозаключения –примеры процедур получения новой информации.

Обработка информации может производиться формально, руководствуясь правилами, или по заданному алгоритму. Либо применяется эвристический подход, при котором создается новая система действий или открываются неизвестные ранее закономерности изучаемой информации.

Хранение информации

Информация не может существовать без своего носителя.

Носитель информации –это среда, непосредственно хранящая информацию. При этом слово «носитель» означает «нести в себе», то есть содержать, а не переносить информацию.

Носителем информации о самом себе является практически любой предмет, явление, живое существо. Можно использовать и другие средства для хранения информации о чем-либо. Это может быть материальный предмет (камень, дерево, папирус, бумага, магнитные, оптические носители информации). Это могут быть волны различной природы (световые, звуковые, электромагнитные) или разные состояния вещества.

Чтобы иметь возможность дальнейшего –в будущем, а также многократного использования информации используют так называемые внешние (по отношению к человеческой памяти) носители информации. Записные книжки, справочники, магнитные записи, картины, фото- и кинодокументы и т.д. Для извлечения информации из внешних носителей зачастую требуется много времени и необходимы дополнительные средства. Например, для того, чтобы получить информацию, содержащуюся на аудиокассете, необходим магнитофон.

Человеческое общество способно накапливать информацию и передавать ее от поколения к поколению. На протяжении всей историй накапливаются знания и жизненный опыт отдельных людей, а также «коллективная память» - традиции, обычаи народов.

Основные понятия и методы теории информатики и кодирования