Глава 1. Основы теории информации

Основные понятия

Разработка первых вычислительных машин в 50-х годах XX века явилась началом перехода от индустриального общества к информационному.

Настоящее время характеризуется всё возрастающим процессом информатизации общества – созданием, развитием и всеобщим применением информационных технологий – совокупности технических средств и методов компьютерной обработки, хранения, передачи и использования информации.

Неизбежность информатизации обусловлена резким усложнением социально-экономических процессов в обществе в результате увеличения масштабов и темпов общественного производства, необходимостью оперативно реагировать на возникающие проблемы в динамично меняющейся обстановке, при повышении степени самоуправления предприятий, территорий, регионов.

Информатизация – необходимое условие научно-технического, социального, экономического и политического прогресса общества. Информатизация общества призвана улучшить качество жизни людей за счет повышения производительности, облегчения условий их труда путем оперативного обеспечения возрастающих объемов и уровня информационных услуг в различных сферах деятельности. При этом информация становится стратегическим, информационным ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.

Информационный ресурс общества – это совокупность знаний, идей и указаний по их реализации, накопленных в форме, позволяющей их воспроизводство с помощью информационных технологий. Информационный ресурс – это отчуждаемые знания, ставшие сообщениями, информацией. Информационный ресурс может существовать в пассивной форме (статьи, книги, патенты, банки данных) и активной форме (модель, алгоритм, программа). Информационный ресурс становится основным ресурсом человечества, главной ценностью современной цивилизации.

Информатизация общества прежде всего охватывает все элементы рыночной экономики (сеть оптовой и розничной торговли; товарные, фондовые, валовые биржи; сети банков; страховые компании; аудиторские службы и др.) и сферы услуг (развитие всех видов сервиса, особенно в торговле, финансово-кредитной сфере, связи, здравоохранении и др.)

Процесс информатизации общества происходит не одновременно и разными темпами в различных странах. Первым на этот путь встали в конце 50-х – начале 60-х годов США, Япония и основные страны Западной Европы. В этих странах были разработаны и приняты на государственном уровне программы информатизации всех сфер человеческой деятельности. Предполагается, что США завершат переход к информационному обществу к 2020 г., Япония и основные страны Западной Европы – к 2030-2040 г.г.

В СССР Концепция информатизации общества была разработана в 1989 году. По предварительным оценкам информатизация в России завершится к 2050 г. при условии стабилизации экономической и политической обстановки в стране.

По мнению специалистов, любая страна, насколько бы индустриально развитой она ни была, прейдет в разряд стран третьего мира, если опоздает с информатизацией.

Научным фундаментом процесса информатизации общества является новая научная дисциплина – информатика, возникшая благодаря разработке первых вычислительных машин. Термин «информатика» (франц. Informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и означает «информационная автоматика». Выделению информатики в отдельную науку способствовало такое важное свойство современной вычислительной техники, как единая форма представления обрабатываемой и хранимой информации вне зависимости от ее вида (числовая, текстовая, аудиовизуальная).

В широком смысле информатика – это наука об информационной деятельности, информационных процессах и их организации в человеко – машинных системах. Основными разделами информатики являются исследование и разработка информационных средств и технологий, программных средств и моделирование предметных областей.

В более узком смысле информатика – это наука, основанная на использовании средств вычислительной техники, изучающая структуру, общие свойства, закономерности, методы создания, хранения, обработки и передачи информации, а также принципы создания вычислительных средств и управления ими.

Информатика развивается очень стремительно. Каждые два года происходит смена поколений и программных средств вычислительной техники.

Термин информация (лат. Information – сведения, разъяснение, осведомленность) – одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения, данные, знания, которые кого-либо интересуют. Одно и то же информационной сообщение для разных людей может содержать разное количество информации, т.е. информация характеризует не само сообщение, а соотношение между сообщением и его потребителем.

В широком смысле «информация» - это отражение реального мира, в узком смысле – это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

Информацию классифицируют по различным признакам. Например, по области использования информацию можно классифицировать на научную, техническую, экономическую, политическую, химическую и т.д.

Информация может существовать в виде электрических, магнитных, световых, звуковых, радио сигналов, жестов и мимики, запахов, вкусовых ощущений и др.

Информация характеризуется релевантностью (соответствием запросам потребителя), полнотой, своевременностью, достоверностью, доступностью, защищенностью.

Практически информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации (отправителя) к получателю (адресату) через канал (линию) связи. Передаваемое от источника сообщение обычно предварительно преобразуется в сигнал, удобный для передачи по каналу связи; по прохождении канала связи сигнал воспринимается приемником и с помощью обратного преобразования становится принимаемым сообщением (иллюстрацией сказанного может служить телеграф С. Морзе). Так функционирует типовая информационная система (ИС). Источниками и получателями сообщения могут быть человек или технические средства. Человек воспринимает сообщения посредством органов чувств; технические устройства – с помощью различной измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Передача информации по каналам связи ИС часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации. Канал связи представляет собой физическую среду (например, кабель, волновод, электромагнитные колебания) и совокупность аппаратно-программных средств, обеспечивающих передачу сигнала. Повышение надежности передачи сигналов (например, за сет удлинения импульсов в телеграфе Морзе) ограничено. В связи с этим теорией передачи и преобразования информации рассматривается задача, как добиться максимальной скорости передачи сообщений, обеспечив заданную надежность и избирательность ИС (способность отделить полезный сигнал от помех).

Реализация информационных технологий привела к созданию автоматизированных информационных систем (АИС), в которых обработка информации и выработка новых знаний осуществляется с помощью средств вычислительной и телекоммуникационной техники. АИС являются объектом информатики. Она изучает все стороны их создания, анализа и практического использования.

Информационные технологии по существу явились технической базой АИС. Типичный процесс обработки информации в АИС состоит в том, что сообщение с помощью специального устройства (датчика температуры, скорости и т.п.) преобразуется в эквивалентный электрический сигнал, который кодируется с помощью специального устройства (аналого-цифрового преобразователя). Полученный цифровой сигнал подвергается обработке с помощью цифровых вычислительных средств. Результаты обработки могут быть представлены в виде непрерывного сигнала с помощью цифро-аналогового преобразователя.

В настоящее время АИС получили широкое распространение. АИС классифицируются по различным признакам:

- направлению деятельности (промышленной и непромышленной научной сферы);

- территориальному охвату (общегосударственная, республиканская, областная и т.д.);

- организации информационного процесса (управляющие и информационные – автоматизированная система научных исследований; «Библиотека»; системы автоматизированного проектирования; экспертные системы и др.);

- сфере применения (административные, производственные, военные, для обеспечения денежно-кассовых операций, распределения мест на транспорте, в гостинице и др.).

Информатику принято делить на две части: теоретическую и прикладную.

Теоретическая информатика рассматривает проектирование, создание и использование АИС. Всем им характерны такие понятия как сигналы, носители информации, каналы связи, данные и т.д. Все они характеризуются надежностью, эффективностью, релевантностью, достоверностью, избыточностью и др. Все они делятся на отдельные фазы: прием, преобразование (кодирование), передача, обратное преобразование (декодирование), хранение, извлечение и отображение информации. Теоретическая информатика изучает общие свойства различных информационных технологий, информационные технологии высшего уровня, основанные на искусственном интеллекте, ориентированные на создание методов дублирования функций живых интеллектуальных систем искусственными системами (разумеется, в пределах доступного).

Прикладная информатика изучает конкретные разновидности АИС, которые, имея общие черты, существенно отличаются друг от друга (АСУП, АСУТП, САПР, криминалистика и др.) Прикладная информатика изучает также отраслевые ветви информатики: экономическую, медицинскую, военную и др.

Предыстория информатики уходит своими корнями в далекое прошлое. Этапу информатизации общества предшествовала вся предыстория развития человечества, в которой, с точки зрения информатизации, можно условно выделить 4 этапа:

- появление развитой устной речи (язык – социальное средство хранения и передачи информации);

- возникновение письменности (искусственная внешняя память, передача информации с помощью почтовой связи);

- книгопечатание (машинное воспроизведение информации, уменьшение вероятности потери информации при хранении, повышение доступности информации и точности воспроизведения);

- индустриализация (появление машин и механизмов) и постиндустриализация, связанная с научно-технической революцией (успехи точных наук, возникновение средств связи – радио, телефон, телеграф, телевидение, а также фотографии, кино, записи информации на магнитных носителях).

Хотя информатика как наука возникла с разработкой первых вычислительных машин, однако теоретические основы информатики сформировались на базе достижений таких наук, как теория вероятности и математическая статистика (идея связи вероятности и информации, высказанная в работах Р. Фишера), термодинамика и статистическая механика (понятие энтропии, заимствованное из термодинамики, было связано с вероятностью, что позволило в итоге связать вероятность и энтропию с понятием информации – работы А. Больцмана). Особенно весомый вклад в информатику был сделан специалистами по теории связи при рассмотрении проблем передачи сообщений по каналам связи. Здесь следует прежде всего отметить основополагающие работы ученых Р. Хартли (идея измерять количество информации, содержащееся в сообщении, как логарифм числа возможных выбранных последовательностей символов), К Шеннона (обобщение результатов Р. Хартли для случая неравновероятного выбора символов), Н. Винера, который установил общие закономерности процессов управления и передачи сигналов в машинах и живых организмах. Большой вклад в развитие информатики был сделан и русскими учеными В.А. Котельниковым, В.И. Сифоровым, В.М. Глушковым и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию «информация».

2. В чем заключается процесс информатизации общества?

3. Что такое информационный ресурс общества?

4. Раскройте понятие «информационные технологии»

5. Что такое АИС?

6. Как Вы понимаете смысл, цели и задачи дисциплины «Информатика»?

Глава 1. Основы теории информации

Информация поступает от источника. Понятие «источник информации» относится только к организованным (кибернетическим) системам окружающего мира (машины, растения, животные, человек). Такие системы принято называть физическими системами. Каждую совокупность качественных и количественных признаков системы называют состоянием. В случае, если эти признаки принимают только отдельные, разделенные конечными интервалами значения, система называется системой с дискретным множеством состояний или дискретной системой. Например, выключатель или реле – дискретная система с двумя состояниями; проволочный потенциометр - дискретная система с числом состояний, равным числу витков проволоки. В случае, если признаки непрерывно заполняют некоторую область значений, система называется системой с непрерывным множеством состояний или непрерывной системой. В качестве примера можно привести тот же потенциометр, но изготовленный из сплошного материала. Физические системы принято также делить на стационарные и нестационарные. Стационарными называются системы, состояния (характеристики) которых не зависят от начала отсчета времени. Строго говоря таких систем не существует, т.к. в окружающем нас мире все меняется («нельзя войти в одну и ту же воду дважды», - говорят философы). Но в первом приближении обычно физические системы считают стационарными (квазистационарными).

Информация всегда представляется в виде сообщения (совокупности сведений об источнике), интересующегося потребителя. Сообщение всегда передается в материально-энергетической форме – в виде сигнала (электрического, светового, электромагнитного, звукового и др.)

Преобразование сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций – кодирования и модуляции. Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов (например, кодирование телеграммы при отправлении), а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по каналу связи (например, передаваемый радиостанцией радиосигнал). На выходе из канала связи производятся обратные операции: демодуляция (извлечение полезной составляющей из радиосигнала с помощью детектора радиоприемника) и декодирование (расшифровка телеграммы в приемном устройстве).

Теория информации – это наука о получении, преобразовании, накоплении, отображении и передаче информации. Теория информации рассматривает также математические модели детерминированных и случайных сигналов, вопросы, связанные с оценкой количества передаваемой информации, эффективности, помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи.

Ниже излагаются основные сведения по теории информации.