Тема 1 Основные понятия и методы теории информатики

Тема 1 Основные понятия и методы теории информатики и кодирования. Сигналы, данные, информация. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации Лекция 1. Сообщения, данные, сигналы 1

Содержание: Основные понятие и классификация информации Сообщения, данные и сигналы Основные свойства информации Показатели качества информации Подходы к измерению информации Выводы 2

Понятие информации Ø Информация (от лат. informatio — осведомление, разъяснение, изложение) - абстрактное понятие, имеющее множество значений, в зависимости от контекста Ø В настоящее время не существует единого определения термина информация Ø С точки зрения различных областей знания, данное понятие описывается своим специфическим набором признаков Ø Информация (в общем смысле) — это все, что может воспринять человек 3

Информация в кибернетике «Информация есть информация, а не материя и не энергия. » Норберт Винер ØВинер относил информацию к фундаментальным понятиям, не выводимым через более простые ØСмысл понятия информация на конкретных примерах позволяет описывать её свойства ØСубстанция называется информацией , если в ходе взаимодействия между объектами один объект передаёт другому некоторую субстанцию, но при этом сам её не теряет 4

Классификация информации 1 2 3 • По способу восприятия • По формам представления • По предназначению 5

Классификация информации по способу восприятия 1 • Визуальная — воспринимаемая органами зрения 2 • Аудиальная — воспринимаемая органами слуха 3 • Тактильная — воспринимаемая тактильными рецепторами 4 • Обонятельная — воспринимаемая обонятельными рецепторами 5 • Вкусовая -воспринимаемая вкусовыми рецепторами 6

Классификация информации по форме представления 1 • Текстовая- передаваемая в виде символов, предназначенных обозначать лексемы языка 2 • Числовая – в виде цифр и знаков, обозначающих математические действия 3 • Графическая – в виде изображений, предметов, графиков 4 • Звуковая — устная или в виде записи передача лексем языка аудиальным путём 7

Классификация информации по предназначению 1 2 3 • Массовая — содержит тривиальные сведения и оперирует набором понятий, понятным большей части социума • Специальная — содержит специфический набор понятий, при использовании происходит передача сведений, которые могут быть не понятны основной массе социума, но необходимы и понятны в рамках узкой социальной группы, где используется данная информация • Личная — набор сведений о какой-либо личности, определяющий социальное положение и типы социальных взаимодействий внутри популяции 8

Сообщения Информация, представленная в какой-либо форме, называется сообщением Сообще ние — наименьший элемент языка, имеющий идею или смысл, пригодный для общения. В информатике — форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи Одно и то же сообщение может быть представлено различными способами. Переход от представления к значению сообщения называется интерпретацией Сообщения представляются в виде сигналов и данных 9

Данные 1 • Данные — результат фиксации, отображения информации на каком-либо материальном носителе 2 • Данные – это зарегистрированное на носителе представление сведений независимо от того, дошли ли эти сведения до какого-нибудь приёмника и интересуют ли они его • Данные — это и текст книги или письма, картина художника, ДНК 3 • Данные, являющиеся результатом фиксации некоторой информации, сами могут выступать как источник информации 10

Данные – предмет изучения информатики Ø Предметом изучения науки информатика являются именно данные: методы их создания, хранения, обработки и передачи Ø Информация, зафиксированная в данных, ее содержательный смысл интересны пользователям информационных систем, являющимся специалистами различных наук и областей деятельности: q медика интересует медицинская информация qгеолога — геологическая qпредпринимателя — коммерческая q специалиста по информатике интересует информация по вопросам работы с данными 11

Дискретное сообщение Дискретным сообщением называется последовательность символов, взятых из некоторого набора символов – алфавита Каждый отдельный символ алфавита называется буквой Примером дискретного сообщения может служить обычный текст С точки зрения компьютера, информация подразделяется на отдельные виды данных, обработка которых и может производиться машиной в конкретный момент времени 12

Компьютерная информация Цифровая вычислительная машина (компьютер), является инструментом сбора, обработки, хранения и передачи информации Основные виды представления информации в компьютере Текстовая Числовая Графическая Мультимедиа 13

Сигнал – носитель информации Ø Носителями информации являются сигналы Ø В качестве сигналов используются физические процессы различной природы (процесс протекания электрического тока в цепи, процесс механического перемещения тела, процесс распространения света и т. д. ) Ø Информация представляется (отражается) значением одного или нескольких параметров физического процесса (сигнала), либо комбинацией нескольких параметров 14

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДИСКРЕТНАЯ НЕПРЕРЫВНАЯ Формы представления информации 15

Непрерывные и дискретные сигналы Ø Сигнал называется непрерывным, если его параметр в заданных пределах может принимать любые промежуточные значения Ø Сигнал называется дискретным, если его параметр в заданных пределах может принимать отдельные фиксированные значения Ø Различают непрерывность или дискретность сигнала по уровню и во времени 16

Разновидности сигналов Сигнал — изменяющийся во времени физический процесс, изменение параметров которого несёт информацию к получателю а) непрерывный по уровню и во времени сигнал Хнн б) дискретный по уровню и непрерывный во времени сигнал Хдн в) непрерывный по уровню и дискретный во времени сигнал Хнд г) дискретный по уровню и во времени сигнал Хдд 17

Последовательность импульсов тока, соответствующая двоичному сообщению 11011 ток 1 0 1 1 Время

Основные свойства информации ØОбъективность -не зависит от чьего-либо мнения ØПонятность -изложена на языке доступном получателю ØЦенность (полезность, значимость) - обеспечивает решение поставленной задачи, нужна для того чтобы принимать правильные решения ØДостоверность -отражает истинное положение дел ØАктуальность - важна и существенна для настоящего времени ØПолнота -достаточно для принятия правильного решения 19

Дополнительные свойства информации Атрибутивные – это свойства, без которых информация не существует. (Атрибут – неотъемлемая часть чеголибо) Динамические свойства характеризуют изменение информации во времени Прагматические свойства характеризуют степень полезности информации для пользователя, потребителя и практик 20

Атрибутивные, динамические и прагматические свойства информации Атрибутивные свойства Дискретность- информация состоит из отдельных частей, знаков Кумулятивность- возможность накапливать информацию Неотрывность информации от физического носителя и языковая природа информации Динамические свойства перевод с одного языка на другой передача от источника к потребителю Копирование – размножение информации перенос на другой носитель Прагматические свойства Смысл и новизна Полезность – уменьшение неопределенности сведений об объекте Ценность – различна для различных потребителей Старение (физическое – носителя, моральное - ценностное ) 21

Дискретность информации 1 • Дискретность сведений - характеризуют отдельные фактические данные, закономерности и свойства изучаемых объектов 2 • Дискретность представления информации – сообщения состоят из линий, составного цвета, букв, символов, знаков 22

Кумулятивность 1 2 • Информация сливается с ранее накопленной • Реализуется поступательное развитие и накопление информации 23

Неотрывность информации от физического носителя и языковая природа информации 1 2 3 • Изучение особенностей различных носителей • Изучение языков и разработка новых, более совершенных и современных • Информация неотрывна от физического носителя и имеет языковую природу, но она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем 24

Прагматические свойства информации проявляются в процессе использования информации ØСмысла и новизна характеризует перемещение информации в социальных коммуникациях и выделяет ту ее часть, которая нова для потребителя ØПолезность Полезной называется информация, уменьшающей неопределенность сведений об объекте. Дезинформация расценивается как отрицательные значения полезной информации. Полезная или положительная информация - это та, которая радостно воспринимается человеком, способствует улучшению его самочувствия, а отрицательная информация угнетающе действует на психику и самочувствие человека, может привести к ухудшению здоровья ØЦенность информации различна для различных потребителей и пользователей 25

Динамические свойства Характеризуют динамику развития информации во времени. ØРост информации Информация может быть получена и использована несколькими потребителями. Копирование – размножение информации и возможность переноса на другой носитель. Перевод с одного языка на другой расширяет круг пользователей ØСтарение физическое – это старение носителя Старение моральное – это старение ценностное 26

Виды информации По способу передачи и восприятия различают следующие виды информации: Ø визуальную — передаваемую видимыми образами и символами: q Символ (знак, жест) q Текст (состоит из символов) q Числовая информация q Графическая информация (рисунки, картины, чертежи, фото, схемы, карты) Ø аудиальную — звуками Ø тактильную — ощущениями Ø органолептическую — запахами и вкусом Ø машинную — выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, и т. д. 27

Классификация по области возникновения Ø Элементарная информация - отражает процессы и явления неодушевленной природы, характеризуется как порядок, организованность неоднородность: q Замкнутые системы (нет обмена информацией и энергией с внешней средой) q Открытые системы (возможно увеличение информации) Ø Биологическая информация – отражает процессы животного и растительного мира, характеризуется в зависимости от рассматриваемой проблемы q. Информационные сигналы в жизни животных -звук, свет, запах, поза q. Наследственная информация (молекула ДНК) Ø Социальная информация – отражает процессы человеческого общества Ø Информация в технике, характеризуется областью применения q. Системы стабилизации q. Автоматизированные системы управления q. Робототехника 28

Качество информации часто невозможно определить: например исторические сведения , могут десятилетиями считаться ненужными и вдруг их ценность может резко возрасти. Количество информации можно определить используя различные подходы к измерению информации. Определение количества информации необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом массивы информации, определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитная лента и т. д. ), хранящие эту информацию. 29

Показатели качества информации Øактуальность Øдостаточность Øдостоверность Øдоступность Øполнота Øрепрезентативность Øсодержательность Øсвоевременность Øточность Øустойчивость Основные показатели качества: ØАктуальность ØДостоверность ØПолнота ØСвоевременность 30

Актуальность информации ØАктуальность информации — это свойство информации сохранять свою полезность (ценность) для управления во времени ØИзмеряется актуальность A(f) степенью сохранения начальной ценности информации Z(t 0) в момент времени t ее использования: A(t) = Z(t) / Z(t 0), где Z(t) — ценность информации в момент времени t ØАктуальность зависит от статистических характеристик отображаемого объекта (от динамики изменения этих характеристик) и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации 31

Достоверная и полная информация Ø Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений. Достоверная информация со временем может стать недостоверной, так как она обладает свойством устаревать, т. е. перестает отражать истинное положение дел Ø Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки. Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п. 32

Достоверность информации — показатель качества информации. Для оценки достоверности используют частные показатели: Ø достоверность сообщения в смысле отсутствия ложных сведения и данных Ø разборчивость речи Ø вероятность ошибочного или неискаженного приема дискретной единицы (бита, символа, цифры, буквы, слова ) Достоверность информации в смысле отсутствия в ней элементов дезинформации зависит от надежности источника, которая может оцениваться по качественной шкале с уровнями: Ø совершенно надежный Ø обычно надежный Ø довольно надежный Ø не всегда надежный Ø ненадежный Ø надежность не может быть определена 33

Точность, ценность и доступность информации Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления Ценность информации зависит от того, насколько она важна для решения задачи, а также от того, насколько в дальнейшем она найдет применение в каких-либо видах деятельности человека Своевременность информации определяет время подачи информации Преждевременно поданная информация может быть не усвоена, задержанная информация мало кому нужна Доступность информации определяется формой изложения : одни и те же вопросы по-разному излагаются в школьных учебниках и научных изданиях Понятность информации определяется языком на котором она выражается : бесполезно туземцу что-то объяснять на греческом языке 34

Схема Кента Диапазон возможных изменений достоверности разбивается на 7 интервалов и достоверность конкретной информации оценивается в шансах: Ø достоверная информация (вероятность отсутствия ложной информации близка к 1) Ø почти определено, что информация достоверна (9 шансов против одного) Ø имеется много шансов, что информация достоверна (3 шанса против одного) Ø шансы примерно равны (1 за, 1 против) Ø имеется много шансов, что информация недостоверна (3 шанса против одного) Ø почти определено, что информация недостоверна (за 9 шансов против одного) Ø недостоверная информация (вероятность ложной информации близка к 1) 35

Подходы к измерению информации Информация Челове к Знания Техническое устройство Последовательност ь символов, сигналов Подходы к измерению информации Содержательный (вероятностный) Алфавитный Через неопределеннос ть знаний с учетом вероятности событий Через количество символов с учетом информацион -ного веса символов 36

Содержательный подход к измерению информации Информация — это знания человека Сообщение информативно (содержит ненулевую информацию), если оно пополняет знания человека, т. е. приводит к уменьшению неопределенности знания Например, прогноз погоды на завтра — информативное сообщение, а сообщение о вчерашней погоде не информативно Информативность одного и того же сообщения может быть разной для разных людей. Например: « 2 x 2=4» информативно для школьника младших классов и не информативно для старшеклассника 37

Синтаксическая, семантическая и прагматическая меры ØСинтаксическая (техническая) – определяет точность, надежность, скорость передачи сигналов и т. д. Ø Семантическая – определяет передачу смысла текста с помощью кодов Ø Прагматическая – определяет насколько эффективно информация влияет на поведение объекта 38

Вычисление количества информации на основе вероятностного подхода Сообщение о любом событии может быть записано в двухбуквенном алфавите и передано с помощью последовательности сигналов длиной m. N - неопределенность знаний о некотором событии — это количество возможных результатов события. Различных двоичных последовательностей длины m в двоичной системе счисления может быть 2 m, т. к. каждый символ может принимать два значения независимо от других. Неопределенность знаний – количество возможных результатов события: N=2 m длина сообщения в двоичном коде : m m = log 2 N Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации (0 или 1). 39

Максимальное количество информации на основе вероятностного подхода Количество информации в сообщении есть мера снятия неопределенности о состоянии системы, которая существовала в системе ранее до принятия сообщения Величина H(x) – это энтропия случайной величины X является мерой первоначальной неопределенности содержащейся в системе Сообщение о состоянии системы полностью ликвидирует эту неопределенность и доставляет количество информации равное -H(x) Mаксимальное количество информации пропорционально его длине Hmax~ log N Количество информации (в битах) в сообщении, с учетом вероятности исходов возможных сообщений определяется формулой 40

Единицы информации Сообщение о любом событии может быть записано в виде слова в двухбуквенном алфавите и передано с помощью последовательности сигналов Один символ компьютерного алфавита равен 8 бит = 1 байт 1 Кбайт = 1024 байт 1 Мбайт = 1024 Кбайт 1 Гбайт = 1024 Мбайт 1 Тбайт = 1024 Гбайт 41

Представление чисел в слове Слово – это группа из 2 байтов (16 бит) Десятичное число Двоичное число Байт 1 1 0000 0001 2 10 0000 0010 … … … 255 1111 42

Меры информации Синтаксическа я мера Прагматическа я мера Семантическа я мера Объем данных Vд Количество информации, где С – коэффициент содержательности где Н энтропия 43

Характеристика мер информации Ø Синтаксическая мера учитывает тип носителя, способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации Ø Семантическая мера информации применяется для измерения смыслового содержания информации Ø Прагматическая мера информации определяет полезность информации для достижения пользователем поставленной цели 44

Выводы: Количество информации в сообщении есть мера снятия неопределенности о состоянии системы, которая существовала в системе ранее до принятия сообщения Один символ компьютерного алфавита равен 8 бит = 1 байт 45