Процессы структурирования систем. Информация и энтропия в системах

Процессы структурирования систем. Информация и энтропия в системах Лекция 2 ? Качество © А.В. Фоменко проявление Объект проявление Свойство Объект Свойство Объект Субъект © А.В. Фоменко Параметр - мера количественного описания свойства полезные вещества плотность вес полезные веществаn время плотностьn весn условия объём объёмn Состояние объекта - набор конкретных значений различных параметров В определённых пределах Состояние ≠ Качество Температура1 ? не есть существенная определенность Температура2 Количество состояний у одного объекта ? 0 м/с Скорость 300 000 000 м/с числовой ряд непрерывен два одинаковых состояния невозможны © А.В. Фоменко Не более 1 м Невозможно измерить ничего сколь угодно точно неточность приборов принцип неопределенности Гейзенберга  x  p  2 где Δx – величина среднеквадратического отклонения координаты; Δр - величина среднеквадратического отклонения импульса;   постоянная Планка ≈ 6,626 x 10–34 Дж·с Внешняя среда Свойства объекта Свойства других объектов © А.В. Фоменко Цел ь воздействие Объект Свойства количество или Поведение объекта – изменение свойств объекта в зависимости от условий Цель? Условия или поведение Характер – совокупность свойств, которые может проявлять объект характер ≠ качество Характер – есть набор способов проявления различных сторон качества, полное отображение качества на ощущения человека Целиком характер никогда не проявляется ? © А.В. Фоменко Объект-0 Объект-0 «процесс в объекте» воздействие Объект изменение качеств о изменение Свойства Процесс – изменение качества объекта во времени непрерывный Проявление процесса ограниченный во времени Событие – процесс ограниченный во времени по каким-то критериям Процесс также является объектом ? Он происходит помимо субъекта © А.В. Фоменко Память Память – способностью фиксировать свойства объекта в определенные моменты времени и находить разницу Процесс в зафиксированных свойствах ? Память Процесс Свойства Темп прироста процесс Свои свойства Изменение свойств объекта Процесс, как и свойство, может быть объектом ненулевого уровня Ускорение – изменение скорости «процесс в процессе» Свойства процесса процесса процесса – рывок Свойства процесса процесса – ускорение Свойства процесса – скорость Процесс – перемещение в пространстве Свойства объекта – координаты в пространстве Объект - автомобиль © А.В. Фоменко - Материя Объект-0 Вещество масса протяжённость Энергия E  mc 2 Закон сохранения материи уничтожение уничтожение Объект-0 изменение Качество объектов0 изменение остановка Процесс уничтожение Изменение возникновение Сохраняемая уничтожение сущность Не сохраняемая сущность Материя Информация © А.В. Фоменко Информация, содержащаяся в объекте и отображаемая в субъекте, задает его качество, при взаимоотображении этой информации на другие объекты проявляются свойства, а познание есть процесс отображения свойств, то есть перенос информации от объекта к субъекту Информация – передача, отражение разнообразия в любых объектах и процессах Информация – сведения, воспринимаемые человеком или специальными устройствами как отражение фактов материального мира в процессе коммуникации Информация – знания относительно фактов, событий, вещей, идей и понятий, которые в определённом контексте имеют конкретный смысл Информация – это вся совокупность сведений об окружающем нас мире, о всевозможных протекающих в нем процессах, которые могут быть восприняты живыми организмами, электронными машинами и другими информационными системами Информация – это значимые сведения о чём-либо, когда форма их представления также является информацией, то есть имеет форматирующую функцию в соответствии с собственной природой. Информация – это сведения, воспринимаемые человеком и (или) специальными устройствами как отражение фактов материального или духовного мира в процессе коммуникации. Информация Воспринимаемая информация Информация Создание соответствующего объекта Неполнота информации Информация — мера количества снятой неопределенности Клод Элвуд Шеннон Количество информации равновероятных событий определяется формулой Хартли I  log 2 N N  2i где I – количество информации, N – возможное множество сообщений. 64 = 26 log 2 64  6 6 бит информации 128 квартир 100 квартир I  log 2 128  7бит I  log 2 100  6,644бит 2 квартиры 1 квартира ? ? I  log 2 2  1бит I  log 2 1  0бит При одинаковой вероятности наступления события 1 Р N 1 I  log 2    log 2 P 1   log 2 P P N При этом 1 P Р 1 I 1 Формула определения количества информации, учитывая возможную неодинаковую вероятность событий, названа в честь её открывателя - Шеннона I   p1  log 2 p1  p2  log 2 p2  p3  log 2 p3  ...  pn  log 2 pn  pi – вероятность того, что именно i-ое сообщение выделено в наборе из N сообщений N I   pi  log 2 pi i 1 где I – количество информации; N – количество возможных событий; pi – вероятность отдельных событий. Всего 4500 буквы. В тексте встречаются буквы «А» - 300 раз, «Б» - 70 раз, «В» - 170 раз, «Г» - 51 раз. ? I  0,067  log 2 0,067  0,016  log 2 0,016  0,038  log 2 0,038  0,011  log 2 0,011  0,605 N I  k  pi  log 2 pi i 1 где k – константа, необходимая для выбора единиц измерения Свойства информации можно определить по её потреблению: политическую, химическую, биологическую, техническую, экономическую и т. д. Свойства информации Релевантность – способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя (неспособность информации быть полезной называют нерелевантностью). Полнота – свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображаемый объект и/или процесс. Своевременность – способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени. Достоверность – свойство информации не иметь скрытых ошибок. Доступность – свойство информации, характеризующее возможность ее получения данным потребителем. Защищенность – свойство, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения. Эргономичность – свойство, характеризующее удобство формы или объема информации с точки зрения данного потребителя. Адекватность – свойство информации однозначно соответствовать отображаемому объекту или явлению. Адекватность оказывается для потребителя внутренним свойством информации, проявляющем себя через релевантность и достоверность. Описание стороны некоторого объекта 12 XII Цепь символов (коды) Объект Объект Информация Информация Информация зависит от субъекта Субъективна ? © А.В. Фоменко Информация объективна Ценность информации субъективна Ценность информации - количество информации, которое может быть создано в результате отображения данной информации и не может быть создано без нее. Ценность информации - количественная характеристика информации, определяющая ее прагматическую сторону, значение информации для ? получателя. Варкалось. Хливкие шорьки Пырялись по наве, И хрюкотали зелюки, Как мюмзики в мове. Льюис Кэрролл Код не существует сам по себе, а должен быть обязательно нанесен на материю (вещество или энергию) © А.В. Фоменко Коммуникация – это обмен, в процессе которого активную роль играю обе стороны. Для обеспечения процесса один предлагает, а другой воспринимает информацию, подтверждение правильности получения. Коммуникационный процесс – обмен информацией между двумя или более людьми. Цель коммуникационного процесса – обеспечение понимания информации, являющейся предметом обмена, то есть сообщений. Элементы коммуникационного процесса Получатель Отправитель Сообщение Канал Задача отправителя и получателя – составить сообщение и использовать канал для его передачи таким образом, чтобы обе стороны поняли и разделили исходную идею. © А.В. Фоменко Этапы коммуникационного процесса ! ! АБВГДЕЖ 100110100 АБВГДЕЖ © А.В. Фоменко Этапы коммуникационного процесса ! ? = ! ! АБВГДЕЖ 100110100 АБВГДЕЖ © А.В. Фоменко Барьеры в межличностных коммуникациях • Восприятие; • Семантические барьеры; • Невербальные барьеры. Барьеры восприятия Избирательное восприятие информации Конфликт между сферами компетенции, основами суждения отправителя и получателя. Социальные установки людей Установление обратной связи 1. Задавать вопросы. 2. Заставить человека пересказать ваши мысли. 3. Оценка языка поз, жестов и интонаций. 4. Контроль первых результатов работы. 5. Политика открытых дверей Сложности в организационных коммуникациях Искажение сообщений Непреднамеренно. Сознательно. Фильтрация информации. Искажение в силу несовпадения статусов организации. Информационные перегрузки Неудовлетворительная структура организации Совершенствование коммуникаций в организации 1. Регулирование информационных потоков. Руководитель должен представлять потребности в информации своих начальников, коллег и подчинённых. 2. Управленческие действия. Личные встречи, групповые встречи. 3. Системы обратной связи. Кодируя информацию, то есть перенося ее на носитель, мы тем самым структурируем (упорядочиваем) носитель, переводим информацию в структуру Бриллюэн Структура ? Структура - совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность. Структура - совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. объекты определенным образом связаны между собой снимается какое-то количество неопределенности взаимосвязь каких-то их свойств ? Закодированная информация на основании свойств одного объекта может предсказать свойства другого © А.В. Фоменко Разрушение информации Уменьшение информации – увеличение незнания Xmin стабильность Xmax Химия воздействие воздействие Как создать или уничтожить структуру? Физика Термодинамика свойства Информация свойства 1. Свойства имеют информационную природу, а значит, могут быть размножены, отображены, уничтожены. 2. Разные свойства объекта взаимосвязаны через его структуру, поэтому познание структуры — ключ к познанию объекта. 3. Существование материи без структуры (то есть не несущей никакой информации) невозможно (пo крайней мере, для субъекта), поскольку такая материя никак не проявляется и не имеет никаких свойств. Второй закон термодинамики (упрощённо) – в изолированной совокупности взаимодействующих объектов все процессы ведут к росту энтропии Энтропия – функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в этой системе и являющаяся мерой их необратимости Энтропия – мера неопределённости (неупорядоченности) некоторой системы (например, какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации ? Энтропия – информационная ёмкость системы Энтропия – показатель случайности или неупорядоченности строения физической системы Энтропия характеризует недостающую информацию (Л. Больцман) Формула Л. Больцмана S — энтропия; k — константа Больцмана; W — число возможных микросостояний в данном макросостоянии. S  k  ln W Точки бифуркации Варианты развития (состояния) ? системы ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Вариант I ? ? ? ? ? ? Результаты (состояния) ? ? Рост энтропии Вариант II Снижение неопределённости ? ? ? ? ? ? ? ? ? Снижение энтропии ! Снижение неопределённости 0,25 0,2 0,1 0,01 0,25 0,4 0,7 0,97 0,25 0,2 0,1 0,01 0,25 0,2 0,1 0,01 Снижение энтропии Варианты развития (состояния) ? системы N H   pi  log 2 pi ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Вариант I ? ? ? ? ? ? i 1 ? где Н – уровень энтропии; N – количество возможных состояний; pi – вероятность отдельных состояний. Н=2 ? Рост энтропии Н = 4,9 Вариант II Снижение неопределённости Снижение неопределённости ? ? Н=2 ? ? ? ? Н =?1,58 Н = 1 ? ? Снижение энтропии ! Н=0 0,25 0,2 0,1 0,01 0,25 0,4 0,7 0,97 0,25 0,2 0,1 0,01 0,25 0,2 0,1 0,01 Н = 2 Н = 1,92 Н = 1,36 Н = 0,24 Снижение энтропии 1. Если состояния системы равновероятны, то H  log N 2 2. Энтропия объединённой системы: - равна сумме энтропий её подсистем, если подсистемы независимы (комплекс) - меньше суммы энтропий подсистем, если системы влияют друг на друга 3. Если состояние системы однозначно определено или известно, то энтропия системы равна 0 - 0,42 ? ? ? - 0,58 ? ? Н=0 -1 ! Управляющее воздействие ? Исследование ? Управляющее воздействие ? Управляющее воздействие Исследование ? Н=1 Н = 1,58 Исследование Н=2 Энтропия управляемой подсистемы может быть снята полностью лишь в том случае, если энтропия управляющей подсистемы не меньше энтропии управляемой подсистемы (У. Эшби) Менее сложная система не может полностью контролировать более сложную Энтропия характеризует недостающую информацию Больцман Название Твёрдое тело Жидкость Газ Структура Свойства Вид 1. Сохраняет форму 2. Сохраняет объём 1. Сохраняет объём 2. Легко меняет форму 3. Обладает текучестью 1. Не имеет постоянного объёма 2. Не имеет конкретной формы 3. Заполняет весь объём 3 координаты атома + тип решётки + три её размера = 7 7 * 1024 для кристалла Меньшее значение роста Рост энтропии Введение информации в объект – снижение энтропии (рост объёма информации экспоненциальный) Наиболее быстро энтропия растёт рядом с абсолютным нулём © А.В. Фоменко Информация Структура Информация Согласно второму закону термодинамики структуры, постепенно разрушаются Почему структуры ещё существуют? ? Дополнительные (потенциальные) свойства Для изолированной совокупности объектов Структуры, не испытывающие конструктивного внешнего воздействия постепенно разрушаются Энергия Разрушение любой структуры происходит, если к ней подведено достаточное количество энергии Энергия если подведенная к ней активность выше ее сопротивления процесс самопроизвольно протекает, если термодинамический потенциал в ходе процесса уменьшается © А.В. Фоменко Энергия Гиббса G  H  T  S Процесс может идти при ΔG < 0 -ΔН где ΔG – изменение энергии Гиббса в ходе процесса; ΔН (изменение энтальпии) – энергия, которая затрачивается на протекание процесса (поглощение ΔН > 0, истечение ΔН < 0); Т – абсолютная температура; ΔS — изменение энтропии. ΔН – поток энергии, несущей информацию T  S ΔН ΔS < 0 – рассеянная энергия как бы выкачивается из системы ΔS > 0 – энергия рассеивается в системе ТΔS – тепловая энергия, беспорядочно рассеянная внутри системы, то есть не несущая никакой информации ΔG = 0 при равновесном процессе, чем дальше ΔG от 0, тем дальше процесс от равновесного H T S Условие разрушения структуры Количество рассеянной энергии, которое нужно подвести к структуре, чтобы она разрушилась E H  Wt  ln    W0  где W — число возможных микросостояний в данном макросостоянии; индекс «0» – начальное состояние; индекс «t» – конечное состояние То есть, количество рассеянной энергии, которую нужно подвести, чтобы разрушить структуру, тем больше, чем прочнее связи в структуре (их прочность определяет ΔН процесса), и тем меньше, чем сильнее разрушается структура Аналогично, при образовании структуры рассеивается тем больше энергии, чем прочнее образующиеся связи Отклонение процесса от равновесного приводит к уменьшению затрат рассеянной энергии на разрушение структуры В неравновесном процессе поступающая извне рассеянная энергия концентрируется на небольшом количестве связей низкоэнтропийная форма энергии Добавление информации о направленности Снижение затрат энергии на разрушение Объект высокоэнтропийная форма энергии Свойства Качество Характер © А.В. Фоменко Свойства объекта задаются его структурой, которая в той или иной мере устойчива, любой объект можно познать в той мере, которая достаточна для решения определенной задачи Основания познания часто (хотя и не всегда) в сходных условиях проявляются сходные свойства многие свойства объекта взаимосвязаны друг с другом, и, установив одно свойство, можно установить и другие абсолютные характеристики («этот объект плох») не имеют смысла