Информация и информационные процессы

  Введение

  Окружающий  нас мир бесконечно многообразен. Бесплодны попытки человека понять любой его объект, любое явление  в исчерпывающей полноте. С зарождения науки в древности и до наших  дней основным методическим принципом  познания является моделирование. Модель – это упрощенное по сравнению  с реальностью описание объекта  или явления, учитывающее только некоторые существенные, с точки  зрения исследователя, его свойства. Моделирование всегда связано с  абстрагированием, с выделением общего из множества частностей. Любой учёный сознаёт, что понять – это значит найти общность, отвлекшись от частностей, а затем выяснить частности через  эту понятную общность.

  Одним из первых обобщенных, абстрактных понятий  науки стало понятие “вещество”. В разнообразии материальных объектов учёные пытались увидеть некоторое единство, отыскать “первоматерию”, атомы вещества. Эта идея развивалась от философии древней Греции (Демокрит, Эпикур, Лукреций) до самой современной квантовой теории вещества. После разгадки природы вещества, его структуры, казалось, что всё в мире можно объяснить, описав его как совокупность взаимодействующих материальных частиц.

  Следующим обобщающим понятием в истории науки  стало понятие “энергия”. Его появление было связано с развитием техники, созданием двигателей, технических преобразователей энергии. Наука стала активно использовать “энергетический язык” в описании природы. Физические, химические, биологические процессы стали рассматриваться с позиции передачи и преобразования энергии. Знаменитая формула Эйнштейна (Е=mc²) казалось, окончательно закрепила всеобщность энергетического подхода.

  Желая исследовать  всё более сложные объекты  в технике, биологии, обществе, наука  встала перед фактом невозможности  детального описания их поведения на языке материально-энергетических моделей.

  В середине ХХ века появляется и развивается  новая научная дисциплина –  кибернетика. Её основатель (1948 г.) – американских математик Норберт Винер. Термин “кибернетика” на греческом языке означает “искусство управления”. Н.Винер назвал кибернетикой науку об управлении и связи в живом организме и машине.

  Центральным понятием кибернетики является информация. Между элементами кибернетической системы, а также между различными системами имеют место информационные взаимодействия, т.е. обмен управляющими сигналами, знаками, командами.

  Кибернетика породила новый системно-информационный взгляд на природу. Вещество – энергия – информация – это три точки зрения, три стороны, с которых наука сумела посмотреть на бесконечно разнообразный мир.

  В 60-70-е  годы ХХ века информатика выделилась из кибернетики как самостоятельная  научная дисциплина. Предметом информатики  является собственно информация, способы её представления, передачи и обработки. В современном виде информатика оформилась с массовым появлением и развитием электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

  В своей  повседневной жизни, в производственной деятельности человек постоянно  имеет дело с тремя упомянутыми  выше субстанциями: веществом, энергией и информацией. Мы не можем жить без  пищи, одежды, жилья, предметов быта, транспорта и пр. Всё это –  материальные объекты (в общем понятии  – вещество). Электричество, отопление  в наших домах – это энергия. Пресса, радио, телевидение, книги –  информация. Значит, информатика –  современная научная база информационной сферы деятельности людей.

  Информатика - наука, изучающая  все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования  информации. 

  Глава 1. Информация и информационные процессы

1. Понятие информации и информационные процессы

  Информация  – это знания, которые человек  получает из различных источников. Информация (в переводе с латинского informatio - разъяснение, изложение) - это ключевое понятие современной науки, которое стоит в одном ряду с такими как "вещество" и "энергия". Существует три основные интерпретации понятия "информация". 
     Научная интерпретация. Информация - исходная общенаучная категория, отражающая структуру материи и способы ее познания, несводимая к другим, более простым понятиям. 
     Абстрактная интерпретация. Информация - некоторая последовательность символов, которые несут как вместе, так в отдельности некоторую смысловую нагрузку для исполнителя. 
     Конкретная интерпретация. В данной плоскости рассматриваются конкретные исполнители с учетом специфики их систем команд и семантики языка. Так, например, для машины информация - нули и единицы; для человека - звуки, образы, и т.п. 
     Существуют несколько концепций (теорий) информации: 
     Первая концепция (концепция К. Шеннона), отражая количественно-информационный подход, определяет информацию как меру неопределенности (энтропию) события. Количество информации в том или ином случае зависит от вероятности его получения: чем более вероятным является сообщение, тем меньше информации содержится в нем. 
     Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Ее появление связано с развитием кибернетики и основано на утверждении, что информацию содержат любые сообщения, воспринимаемые человеком или приборами. Наиболее ярко и образно эта концепция информации выражена академиком В.М. Глушковым. 
     Третья концепция основана на логико-семантическом (семантика - изучение текста с точки зрения смысла) подходе, при котором информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для ориентировки, для активного действия, для управления и самоуправления. Иными словами, информация - это действующая, полезная, "работающая" часть знаний. Представитель этой концепции В.Г. Афанасьев. 
     В настоящее время термин информация имеет глубокий и многогранный смысл. Во многом, оставаясь интуитивным, он получает разные смысловые наполнения в разных отраслях человеческой деятельности:

• в житейском аспекте под информацией понимают сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальными устройствами;
• в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов;
• в теории информации (по К.Шеннону) важны не любые сведения, а лишь те, которые снимают полностью или уменьшают существующую неопределенность;
• в кибернетике, по определению Н. Винера, информация - эта та часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т.е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы;
• в семантической теории (смысл сообщения) - это сведения, обладающие новизной, и так далее...

  Такое разнообразие подходов не случайность, а следствие  того, что выявилась необходимость  осознанной организации процессов  движения и обработки того, что  имеет общее название – информация.

  1.2. Виды и свойства  информации

  По способу восприятия информацию разделяют на следующие виды: визуальная, аудиальная, вкусовая, обонятельная и тактильная. Восприятие информации происходит с помощью органов чувств:

  ·  зрение; с помощью глаз люди различают цвета, воспринимают зрительную информацию, к которой относятся и текстовая, и числовая, и графическая;

  ·  слух; уши помогают воспринимать звуковую информацию – речь, музыку, звуковые сигналы, шум;

  ·  обоняние; с помощью носа люди получают информацию о запахах окружающего мира;

  ·  вкус; вкусовые рецепторы языка дают возможность получить информацию о том, каков предмет на вкус – горький, кислый, сладкий, соленый;

  ·  осязание; кончиками пальцев (или просто кожей), наощупь можно получить информацию о температуре предмета – горячий он или холодный, о качестве его поверхности – гладкий или шершавый.

  Научные исследования показывают, что свыше 90% информации, получаемой человеком  из внешнего мира, приходится на зрение и слух, около 10% - на вкус, обоняние и  осязание. 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.

  Рассмотрим  теперь классификацию информации по форме ее представления, ограничиваясь только теми ее видами, которые "понимают" технические устройства.

  ·  Текстовая информация, например текст в учебнике, сочинение в тетради, реплики актера в театре, прогноз погоды переданный по радио. При устном сообщении информация может быть представлена только в словестной, текстовой форме.

  ·  Числовая информация , например  таблица умножения, время прибытия поезда , и т.д. В чистом виде числовая информация встречается редко, разве что на контрольных по математике. Чаще всего используется  комбинированная форма представления информации.

  ·  Графическая информация: рисунки , схемы, чертежи, фотографии. Такая форма представления информации наиболее доступна, так как сразу передает необходимый образ (модель),а числовая и словесная требуют мысленного  воссоздания образа .В тоже время графическая информация не дает  исчерпывающий  разьяснений о передаваемой информации.

  ·  Звуковая информация. В настоящее время мультимедийная (многосредовая, комбинированная) форма представления информации в вычислительной технике становится основной. Цветная графика сочетается в этих системах со звуком и текстом, с движущимися изображениями и трехмерными образами.

  Человек создает приборы, позволяющие получать информацию, которая недоступна ему  в непосредственных ощущениях. Микроскопы, телескопы, термометры, спидометры - перечень, который можно продолжать и продолжать. 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.

  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.

  Чувствительные  органы живого организма в основном по своей природе дискретны. Зрительные образы воспринимают клетки сетчатки глаза, тактильные ощущения возникают в чувствительных нейронах, запахи воспринимаются рецепторами обоняния, каждый из которых в любой момент времени находится либо в возбужденном, либо невозбужденном состоянии. Все чувственные восприятия преобразуются в организме из дискретной формы в непрерывную, причем информация хранится не в отдельных нейронах головного мозга, а распределена по нему целиком. Непрерывность представления, например, зрительной информации позволяет человеку уверенно воспринимать динамику окружающего мира. Дискретные величины принимают не все возможные, а только определенные значения, и их можно пересчитать.

  В технике  непрерывная информация называется аналоговой. Многие устройства, созданные  человеком, работают с аналоговой информацией. Луч кинескопа телевизора перемещается по экрану, вызывая свечение точек. Чем сильнее луч, тем ярче свечение. Изменение свечения происходит плавно и непрерывно. Проигрыватель грампластинок, ртутный термометр, манометр - примеры  аналоговых устройств. Некоторые бытовые  приборы могут иметь как аналоговую, так и цифровую конструкцию. К  примеру, тонометр - прибор для измерения  кровяного давления. Существенным отличием является то, что аналоговый прибор может выдать абсолютно произвольную величину показаний (чуть больше или  меньше деления), а набор показаний  у цифрового прибора ограничен  количеством цифр на индикаторе. Компьютер  работает исключительно с дискретной (цифровой) информацией. Память компьютера состоит из отдельных битов, а значит, дискретна. Датчики, посредством которых воспринимается информация, измеряют в основном непрерывные характеристики - температуру, нагрузку, напряжение и т.д. Встает проблема преобразования аналоговой информации в дискретную форму.

  Идея  дискретизации непрерывного сигнала заключается в следующем. Пусть имеется некоторый непрерывный сигнал. Можно допустить, что на маленьких промежутках времени значение характеристик этого сигнала постоянно и меняется мгновенно в конце каждого промежутка. "Нарезав" весь временной интервал на эти маленькие кусочки и взяв на каждом из них значение характеристик, получим сигнал с конечным числом значений. Таким образом, он станет дискретным. Непрерывная величина часто ассоциируется с графиком функции, а дискретная - с таблицей ее значений. 
     Такой процесс называется оцифровкой аналогового сигнала, а преобразование информации - аналого-цифровым преобразованием. Точность преобразования зависит от величины дискретности - частоты дискретизации: чем выше частота дискретизации, тем ближе цифровая информация к качеству аналоговой. Но и тем больше вычислений приходится делать компьютеру и тем больше информации хранить и обрабатывать. Информация необходима человеку не вообще, а конкретно в нужное время для ориентирования в окружающем мире и принятия решений о дальнейших действиях.

  Свойства  информации

  Как и  всякий объект, информация обладает свойствами.  
С точки зрения информатики наиболее важными представляются следующие общие качественные свойства: полезность, достоверность, полнота, актуальность, доступность, защищенность, эргономичность, объективность, понятность и пр.