ПРИМЕЧАНИЕ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 страница

Понятие информации

1.1.1. Определение информации

Термин «информация» происходит от латинского «informatio», что означает «разъяснение», «осведомление», «изложение».

Существует множество определений информации. Так, один из основополож­ников современной теории информации, Ноберт Винер, определял информацию так: «Информация есть информация, а не материя или энергия».

Такое определение через отрицание кажется достаточно полным и универсаль­ным, но применить его в качестве инструмента для построения научной методоло­гии практически невозможно.

В то же время в современной технике получили широкое распространение ме­тодологические подходы, позволяющие применять понятие информации и пред­ложенные инструменты для исследования процессов, происходящих в технических системах, экономике, социуме, в живой и неживой природе.

Наиболее известный среди таких подходов — математическая теория Клода Шеннона, позволяющая вероятностно обосновать надежность передачи сигналов по линии связи. В подходе Шеннона информация — это мера снижения неопреде­ленности системы.

Существует также термодинамический (энергетический) подход, рассматрива­ющий информацию как способ уменьшения энтропии системы.

Советским математиком Колмогоровым был предложен алгоритмический под­ход, позволяющий оценить информацию по сложности алгоритма, необходимого для ее обработки. Все эти подходы тесно связывали понятие информации со сферой применения.

С позиции материалистической философии информация есть отражение реаль­ного мира с помощью сведений (сообщений). Сообщение — это форма представле­ния информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т. п. В широком смысле информация — это общенаучное понятие, вклю­чающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

1.1.2. Информация и данные

Информатика рассматривает информацию как концептуально связанные между собой сведения, понятия, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие данных. Покажем, в чем их различие.

Данные могут рассматриваться как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. В том случае, если появляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопре­деленности знаний о чем-либо, данные превращаются в информацию.

Пример. Напишите на листе бумаги десять номеров телефонов в виде последо­вательности десяти чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, так как они не предоставляют ему никаких сведений. Затем против каждого номера укажите название фирмы и род деятельности. Для вашего друга непонятные цифры обретут определенность и превратятся из данных в инфор­мацию, которую он в дальнейшем мог бы использовать.

1.1.3. Адекватность информации

При работе с информацией всегда имеются 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.

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.

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

Синтаксическая адекватность отображает формально-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. п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, обычно называют данными, так в этой форме смысловая сторона не имеет значения. Эта форма способствует восприятию внеш­них структурных характеристик, то есть синтаксической стороны информации.

Семантическая (смысловая) адекватность определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет смыс­лового содержания информации. На этом уровне анализируются те сведения, ко­торые отражает информация, рассматриваются смысловые связи. В информатике устанавливаются смысловые связи между кодами представления информации. Эта форма служит для формирования понятий и представлений, выявления смысла, содержания информации, для ее обобщения.

Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение инфор­мации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Проявляются прагматические свойства информации только при наличии единства информации (объекта), пользователя и цели управления. 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.

1.2. Меры информации

Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных V_r.

Эти параметры имеют разные выражения и интерпретацию в зависимости от рассматриваемой формы адекватности. Каждой форме адекватности соответствует своя мера количества информации и объема данных (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Меры информации

1.2.1. Синтаксическая мера информации

Синтаксическая мера количества информации оперирует обезличенной инфор­мацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.

Объем данных V_a в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных:

□ в двоичной системе счисления единица измерения — бит (bit, или binary digit, — двоичный разряд);

□ в десятичной системе счисления единица измерения — дит (десятичный раз­ряд).

ПРИМЕЧАНИЕ-------------------------------------------------------------------------------------------------------

В современных ЭВМ наряду с минимальной единицей измерения данных — битом — широко используется укрупненная единица измерения — байт, равная 8 бит.

Пример. Сообщение в двоичной системе в виде восьмиразрядного двоичного кода 10111011 имеет объем данных V_jx = 8 бит.

Сообщение в десятичной системе в виде шестиразрядного числа 275903 имеет объем данных V_jx = 6 дит.

Количество информации I на синтаксическом уровне невозможно определить без рассмотрения понятия неопределенности состояния системы (энтропии систе­мы). Действительно, получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы. Рассмотрим это понятие.

Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предваритель­ные (априорные) сведения о системе а. Мерой его неосведомленности о системе является функция Я(а), которая в то же время служит и мерой неопределенности состояния системы.

После получения йекоторого сообщения P получатель приобретает некоторую дополнительную информацию /_р(а), уменьшающую его априорную неосведомлен­ность так, что апостериорная (после получения сообщения Р) неопределенность состояния системы становится равной Я_р(а).

Тогда количество информации /_р(а) о системе, полученной в сообщении |3, определится так:

/„(«)-Я(а)-Я„(а),

то есть количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопре­деленности состояния системы.

Если конечная неопределенность Я_р(а) обратится в нуль, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество информации:

/„(а)-Я(а)

Иными словами, энтропия системы Я(а) может рассматриваться как мера не­достающей информации.

Энтропия системы Я(а), имеющая N возможных состояний, согласно формуле Шеннона, равна:

N

Здесь P_i — вероятность того, что система находится в i-м состоянии. Для случая, когда все состояния системы равновероятны, то есть их вероятности 1

равны , ее P = — энтропия определяется соотношением

N л 4

Ж а) =-У-log-. tfJV N

Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления, особенно это актуально при представлении информации в компьютере. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать разное количество состояний отображаемого объекта, что можно представить в виде соотношения

N=mⁿ.

Здесь N- количество всевозможных отображаемых состояний; т — основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите); п — коли­чество разрядов (символов) в сообщении.

Пример. По каналу связи передается «-разрядное сообщение, использующее т различных символов. Так как количество всевозможных кодовых комбинаций будет N = тп, то при равной вероятности появления любой из них количество информации, приобретенной абонентом в результате получения сообщения, окажется равным

/= IogAZ^r= п Iogm.

Это формула Хартли.

Если в качестве основания логарифма принять т, то I = п. В данном случае ко­личество информации (при условии полного априорного незнания абонентом содержания сообщения) будет равно объему данных, полученных по каналу связи (/ = У_д). Для неравновероятных состояний системы всегда I < V_jx = Yi.

Наиболее часто используются двоичные и десятичные логарифмы. Единицами измерения в этих случаях являются бит и дит соответственно.

Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения опреде­ляется отношением количества информации к объем}- данных:

Y = , причем О < У< 1.

С увеличением Y уменьшаются объемы работы по преобразованию информа­ции (данных) в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования инфор­мации.

1.2.2. Семантическая мера информации

Для измерения смыслового содержания информации, то есть ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя принимать поступившее сообщение. Для этого используется понятие тезауруса пользователя.

В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя S_p изменяется количество семантической информации Ip₁ воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезау­рус. Характер такой зависимости показан на рис. 1.2. Рассмотрим два предельных случая, когда количество семантической информации I_c равно 0:

□ при S_p ~ 0 пользователь не воспринимает и не понимает поступающую инфор­мацию;

□ при S_p а> пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна.

Рис. 1.2. Зависимость количества информации, воспринимаемой пользователем, от его тезауруса Ic = f{SP)

Максимальное количество семантической информации I_c потребитель при­обретает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом S_p (S_p = S_{p 0}рт)> когда поступающая информация понятна пользователю и несет ему ранее неизвестные (отсутствующие в его тезаурусе) сведения.

Следовательно, количество семантической информации в сообщении, то есть количество новых знаний, получаемых пользователем, является величиной от­носительной. Одно и то же сообщение может иметь смысловое содержание для компетентного пользователя и быть бессмысленным (семантический шум) для пользователя некомпетентного.

При оценке семантического (содержательного) аспекта информации необходи­мо стремиться к согласованию величин S и S_p.

Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности С, который определяется как отношение количе­ства семантической информации к ее объему:

1.2.3. Прагматическая мера информации

Прагматическая мера определяет полезность (ценность) информации для до­стижения пользователем поставленной цели. Эта мера также величина относитель­ная, обусловленная особенностями применения этой информации в той или иной

системе. Ценность информации целесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция.

Пример. В экономической системе прагматические свойства (ценность) инфор­мации можно определить приростом экономического эффекта функционирова­ния, достигнутым благодаря использованию этой информации для управления системой:

Здесь — ценность информационного сообщения р для системы управления у ; Я(у) — априорный ожидаемый экономический эффект функционирования си­стемы управления у; Я — — ожидаемый эффект функционирования системы у

IpJ

при условии, что для управления будет использована информация, содержащаяся в сообщении р.

Для сопоставления введенные меры информации представим в табл. 1.1.

Кроме трех перечисленных иногда выделяется еще один класс информаци­онных мер, структурный, в который включают геометрическую, комбинаторную и адаптивную меры.

Адаптивная мера (мера Хартли) уже была рассмотрена в составе синтаксиче­ской меры.

Геометрическая мера предполагает измерение параметра геометрической модели информационного сообщение (длины, площади, объема) в дискретных единицах. Например, геометрической моделью информации может быть линия единичной длины, квадрат или куб. Максимально возможное количество информации в за­данных структурах определяет информационную емкость модели (систему), кото­рая описывается как сумма дискретных значений по всем измерениям.

В комбинаторной мере количество информации определяется как число ком­бинаций элементов (символов). Возможное количество информации совпада­ет с числом возможных сочетаний, перестановок или размещений элементов. Комбинирование символов в словах, состоящих только из 0 и 1, меняет значение слов.

1.3. Качество информации

Под качеством информации понимается такая совокупность свойств, которая обусловливает ее способность удовлетворять определенные потребности людей. Основными потребительскими показателями качества информации являются: репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность, устойчивость.

Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и фор­мирования в целях адекватного отражения свойств объекта. Важнейшее значение здесь имеют

□ правильность концепции, на базе которой сформулировано исходное понятие;

□ обоснованность отбора существенных признаков и связей отображаемого яв­ления.

Нарушение репрезентативности информации приводит нередко к существен­ным ее погрешностям.

Содержательность информации отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации в сообщении к объему об­рабатываемых данных:

С увеличением содержательности информации растет семантическая пропуск­ная способность информационной системы, так как для получения одних и тех же сведений требуется преобразовать меньший объем данных.

Наряду с коэффициентом содержательности С, отражающим семантический аспект, можно использовать и коэффициент информативности У, характеризу­ющийся отношением количества синтаксической информации (по Шеннону) к объему данных:

Достаточность (полнота) информации означает, что ее состав (набор по­казателей) минимален, но достаточен для принятия правильного решения. По­нятие полноты информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, то есть недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений.

Доступность информации восприятию пользователя обеспечивается выпол­нением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в информационной системе информация преобразуется к доступной и удобной для восприятия пользователем форме. Это достигается, в частности, и путем со­гласования ее семантической формы с тезаурусом пользователя.

Актуальность информации определяется степенью сохранения ценности ин­формации для управления на момент использования и зависит от динамики из­менения ее характеристик, а также от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации.

Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее назна­ченного момента времени, согласованного с временем решения поставленной за­дачи.

Точность информации определяется степенью близости получаемой информа­ции к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п. Для информации, отображаемой цифровым кодом, известны четыре классификационных понятия точности:

□ формальная точность измеряется значением единицы младшего разряда числа;

□ реальная точность определяется значением единицы последнего разряда числа, верность которого гарантируется;

□ максимальная точность представляет собой точность, которую можно получить в конкретных условиях функционирования системы;

□ необходимая точность определяется функциональным назначением показателя.

Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально суще­ствующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность инфор­мации доверительной вероятностью необходимой точности, то есть вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость инфор­мации, как и репрезентативность, обусловлена выбранной методикой ее отбора и формирования.

В заключение следует отметить, что такие параметры качества информации, как репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, устойчивость, целиком определяются на методическом уровне разработки информационных систем. Параметры актуальности, своевременности, точности и достоверности также в большей степени обусловливаются на методическом уровне, однако на их величину существенно влияет еще и характер функционирования системы, в пер­вую очередь ее надежность. При этом параметры актуальности и точности жестко связаны, соответственно, с параметрами своевременности и достоверности.

1.4. Информационные процессы

Процессы, связанные с поиском, хранением, передачей, обработкой и исполь­зованием информации, называются информационными.

^ ''' '' ''''' ^ ^ J ' ' ^ ^{; i} ^ ' ' '' '

Методы поиска информации:

□ непосредственное наблюдение;

□ общение со специалистами по интересующему вас вопросу;

□ чтение соответствующей литературы;

□ просмотр видео, телепрограмм;

□ прослушивание радиопередач, аудиокассет;

□ работа в библиотеках и архивах;

□ запрос к информационным системам, в том числе базам и банкам компьютерных данных;

□ поиск информации в Интернете;

□ другие методы.

Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга — библиотека, картина — музей, фотография — альбом). ЭВМ может рассматриваться как устрой­ство для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней.

В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приемник информации. Между источником и приемником действует канал передачи инфор­мации — канал связи. Канал связи — совокупность технических устройств, обе­спечивающих передачу сигнала от источника к получателю. Кодирующее устрой­ство — устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника к виду, удобному для передачи. Декодирующее устройство — устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное (рис. 1.3). Деятельность людей всегда связана с передачей информации. В процессе передачи информация может теряться и искажаться, в качестве примеров можно привести искажение звука в телефоне, атмосферные помехи в радио, искажение или затемнение изо­бражения в телевидении, ошибки при передачи в телеграфе.

Помехи Рис. 1.3. Передача информации по каналу связи

Каналы передачи сообщений характеризуются пропускной способностью и по­мехозащищенностью. Каналы передачи данных делятся на симплексные (с переда­чей информации в одну сторону, например телевидение) и дуплексные (по которым можно передавать информацию в оба направления, например телефон, телеграф). По каналу могут одновременно передаваться несколько сообщений. Каждое из этих сообщений выделяется (отделяется от других) с помощью специальных фильтров. Например, возможна фильтрация по частоте передаваемых сообщений, как это делается в радиоканалах. Пропускная способность канала определяется максимальным количеством символов, передаваемых по нему в отсутствие помех. Эта характеристика зависит от физических свойств канала. Для повышения поме­хозащищенности канала используются специальные методы передачи сообщений, уменьшающие влияние шумов. Например, вводят лишние символы. Эти символы не имеют реального содержания, но используются для контроля правильности сообщения при получении. С точки зрения теории информации избыточно все то, что делает литературный язык красочным, гибким, богатым оттенками, много­плановым, многозначным.

После решения задачи обработки информации результат должен быть выдан конечным пользователям в требуемом виде. Эта операция реализуется в ходе реше­ния задачи выдачи информации. Выдача информации, как правило, производится с помощью внешних устройств ЭВМ в виде текстов, таблиц.

Защита информации в более узком смысле понимается как предотвращение доступа к информации лицам, не имеющим соответствующего разрешения (несанк­ционированный, нелегальный доступ), непредумышленного или недозволенного использования, изменения или разрушения информации.

Наиболее эффективным средством организации информационных процессов является информационная система, оснащенная средствами ввода, поиска, раз­мещения, обработки и выдачи информации. Наличие таких средств — главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов. Например, личная библиотека, в которой может ориентироваться только ее владелец, информационной системой не является.

В публичных же библиотеках порядок размещения книг всегда строго определен. Благодаря ему, поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений реа­лизованы в виде стандартных, формализованных процедур.

1.5. Кодирование при передаче и хранении информации

Путем кодирования производится отображение одного набора знаков в другой набор знаков. Отображаемый набор знаков называется исходным алфавитом, а на­бор знаков, который используется для отображения, — кодовым алфавитом. Для построения кода применяются как отдельные символы кодового алфавита, так и их комбинации.

Совокупность символов кодового алфавита, применяемых для кодирования одного символа или одной комбинации символов исходного алфавита, называется кодом символа.

Взаимосвязь символов или комбинаций символов исходного алфавита с их кодовыми комбинациями составляет таблицу кодов (таблицу соответствия).

Для получения исходных символов по кодам символов применяют процедуру декодирования. При этом обязательно соблюдение условия: код должен быть одно­значным, то есть одному исходному знаку должен соответствовать точно один код и наоборот.

Виды кодирования зависят от поставленной цели.

□ Кодирование по образцу — каждый знак дискретного сигнала представляется знаком или набором знаков того алфавита, в котором выполняется кодирова­ние. Кодирование по образцу используется, например, для ввода информации в компьютер с целью ее внутреннего представления.

Пример. Для перевода символов, вводимых с клавиатуры, в числовой код, хра­нящийся в памяти компьютера, используется кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией), в которой каждому символу алфавита, а также множеству специальных управляющих команд соответствует числовой код.

□ Криптографическое кодирование, или шифрование, используется тогда, когда нужно защитить информацию от несанкционированного доступа. Существует два основных широко применяющихся сегодня способа криптографического кодирования: симметричное кодирование с закрытым ключом и асимметричное кодирование с открытым ключом. При симметричном кодировании с закрытым ключом для кодирования и декодирования данных применяется один и тот же ключ. Этот ключ должен быть по безопасным каналам доставлен стороне, осу­ществляющей декодирование, что делает шифрование с симметричным ключом уязвимым. Напротив, при шифровании с асимметричным ключом сторона, осуществляющая декодирование, публикует так называемый открытый ключ (public key), который применяется для кодирования сообщений, а декодиро­вание осуществляется другим — закрытым ключом (private key), известным только принимающей стороне. Такая схема делает асимметричный способ ко­дирования высоконадежным. По этой причине в последнее время он приобрел массовую популярность.

Пример. Во множестве шпионских фильмов-боевиков основным вопросом при захвате агента противника было получение ключей к шифрам. Получение клю­ча давало возможность прочесть все перехваченные ранее сообщения и сразу получить множество полезной информации. Но эта возможность достижима только тогда, когда речь идет о симметричных ключах. Получение публичного асимметричного ключа в этом смысле не дает никаких преимуществ, поскольку открытый ключ позволяет кодировать сообщения, но не может применяться для их декодирования.

□ Оптимальное кодирование служит для устранения избыточности данных путем снижения среднего числа символов кодового алфавита, предназначенных для представления одного исходного символа. Оптимальное кодирование обычно используется в архиваторах. В большинстве современных программ, предна­значенных для оптимального кодирования (сжатия) данных, применяются одни и те же базовые алгоритмы: