Введение в информационные технологии

ВВЕДЕНИЕ Любому современному квалифицированному специалисту для успешного ведения дел в настоящее время желательно понять важность информационных технологий и информационно-интеллектуальных систем, так как неотъемлемой чертой современного общества является его информатизация – насыщение производства и всех сфер жизни и деятельности всевозрастающими потоками информации. В аграрной цивилизации главным ресурсом были земля и низко квалифицированные трудовые ресурсы. В индустриальном обществе главенствует капиталоемкая технология переработки природных ресурсов, а к труду предъявляются повышенные квалификационные требования. Основой индустриальной цивилизации стали гигантские вещественноэнергетические потоки, которые часто недостаточно рационально использовались в экономике. Переход общества к информационной эпохе вводит в активный оборот информационные ресурсы и еще более повышает требования к квалификации труда специалистов. Именно использование информационных технологий дает возможность рационально распоряжаться всеми остальными видами ресурсов. Активное использование информационных технологий позволяет получить решение, как эффективнее и экономичнее, т.е. выгоднее организовать производство товаров или услуг. Знания и информация становятся стратегическими ресурсами, поскольку наряду с эмпирическим знанием и повседневным опытом в экономическую деятельность непосредственно вовлекается систематизированное теоретическое знание. Оно становиться непосредственной производительной силой. Современному специалисту для достижения экономических целей нужна опора в виде информации о профессиональном знании, особенностях избранной сферы деятельности. Требуемая информация рассеяна по множеству источников и в различных местах хранения. Цель модуля 1 информационные технологии – собрать, тематически объединить и обработать информацию так, чтобы ускорить доступ к информации и представить ее в виде, удобном для интерпретации человеком – пользователем информации. Сегодня в информационных технологиях нет ограничений на вид собираемой информации и тип используемых носителей информации. позволяют Средства интегрировать современных информационных разнообразную информацию технологий и создавать всеобъемлющее поле информационных ресурсов. Это, безусловно, повышает вероятность получения нового знания. Информационное обогащение современной экономики – ее наиболее характерная черта на современном этапе развития общества. Сейчас выигрывает тот, кто эффективнее использует информационные технологии. Информационная технология – это система методов и способов сбора, хранения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими. 1 Введение в информационные технологии Изучив материал, студент должен знать:  законы получения, передачи и использования информационных ресурсов, понятие сигнала, как средства передачи информации, носители информации, каналы связи, данные, кодирование, передача, хранение, извлечение и отображение информации;  характеристики информации;  основные единицы измерения количества и объема информации Изучив материал, студент должен уметь:  решать задачи на определение количества и объема информации 1.1 Основные определения Строгого и общепризнанного определения информации до сих пор не существует, несмотря на то, что с информацией мы сталкиваемся постоянно, поэтому вместо определения часто используют понятие об информации. 2 Термин "информация" происходит от латинского слова "informatio", что означает сведения, разъяснения, изложение. 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. Однако понятие информация часто трактуется по-разному. Например, школьникам часто дают такое определение. Информация – это то, что мы видим, слышим и можем передать в устной, письменной, графической и любой другой форме. Математики утверждают, что информация - первичное, неопределенное понятие, подобное понятию множество. Даже наши депутаты дают определение информации. Существует представление об информации как о совокупности данных, повышающих уровень знаний об объективной реальности и окружающего мира, определение некорректное и легко опровергается в рамках социальных наук. Для информатики как технической науки понятие информации не может основываться на таких антропоцентрических понятиях, как знание. Понятие, безусловно, субъективное и свойственное пока только человеку. Средства вычислительной техники обладают способностью обрабатывать информацию автоматически. Эти средства могут работать с искусственной, абстрактной и даже ложной информацией, не имеющей объективного отражения. Информация в наиболее общем понимании — это отражение предметного мира с помощью знаков и сигналов. В предлагаемом учебном пособии рассмотрим новый подход к определению информации, который кажется авторам наиболее интересным, наукоемким и в полной мере адекватным для такой науки как информатика. В этом подходе четко различают такие понятия как данные и информация и подчеркивают связь между ними. Как часто мы говорим, что вводим информацию в компьютер, а по сути дела на машинных носителях у нас 3 записаны данные. Совершенно очевидно, что одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. В подтверждение этих слов можно привести пример чтения американской справочной информации русскоязычными пользователями компьютера. Разве люди, владеющие в совершенстве английским языком, и те, кто немного читает и переводит со словарем, получают одинаковую информацию. Владея, разными по адекватности методами, они получают разную информацию. Поэтому, определяя информацию как продукт взаимодействия данных и адекватных им методов, четко разделяя понятия, данные и информация, а, также вводя понятие информационный процесс, процесс, в ходе которого данные преобразуются в информацию, мы приближаемся к наиболее корректному определению информации с точки зрения такой науки как информатика. Рассматривая информацию с этой точки зрения, безусловно, необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Во-первых, дать четкое определение данным. А во-вторых, обусловить диалектическое единство данных и методов в информационном процессе. Определяя данные, обратимся к такой науке как физика. Все то, что нас окружает, с точки зрения физики, относиться либо к физическим телам, либо к физическим полям. Из курса физики известно, что состояния абсолютного покоя не существует. Все физические объекты находятся в состоянии непрерывного движения и изменения, которое сопровождается изменением энергии (переходом энергии из одного вида в другой). Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигнала. Сигнал (от лат. signum — знак) - знак, физический процесс (или явление), несущий информацию о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения. Сигнал является материальным носителем информации, которая передается от источника к потребителю. 4 Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики. При взаимодействии сигнала с физическими телами возникают определенные изменения свойств этих тел, которые можно зарегистрировать. Таким образом, будем считать, что данные – это зарегистрированные сигналы. Характеристика, которая используется для представления данных, называется параметром сигнала. Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их конечное число, сигнал называется дискретным. Если параметр сигнала непрерывная функция, то сигнал называется непрерывным. Квантование сигнала - преобразование сигнала в последовательность импульсов (квантование сигнала по времени) или в сигнал со ступенчатым изменением амплитуды (квантование сигнала по уровню), а также одновременно и по времени, и по уровню. Применяется при преобразовании непрерывной величины в код в вычислительных устройствах, цифровых измерительных приборах и др. Данные, безусловно, несут в себе информацию, но они ей не тождественны. Для того чтобы данные стали информацией необходимо наличие методов пересчета одной величины в другую. Данные – диалектическая составная часть информации. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов. Самым распространенным носителем данных в настоящее время является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности. В то же время изменение коэффициента отражения поверхности в определенном диапазоне длин волн используется в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием (CD ROM). Магнитные 5 ленты и магнитные диски, служащие в современных компьютерах главными носителями информации, используют изменение магнитных свойств тела. Свойства информации получаемой пользователем, тесно связаны со свойствами носителей данных, с которых эта информация будет получена. Любой носитель можно характеризовать параметром разрешающей способности, т.е. количеством данных записанных в принятой на носителе единице измерения, и динамическим диапазоном – логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального регистрируемого сигнала. От этих свойств носителя зависят такие свойства информации, как полнота, доступность и достоверность. Задача преобразования данных с целью смены носителя относится к одной из важнейших задач информатики. В стоимости вычислительных систем устройства для ввода и вывода данных, работающие с носителями информации, составляют не меньше половины стоимости аппаратных средств. Обуславливая диалектическое единство данных и методов в информационном процессе, определяют следующие понятия. Динамический характер информации. Данные имеют статичный характер. Информация динамически меняется и существует только в момент времени взаимодействия данных и методов. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса. Все остальное время она содержится в виде данных. Требования адекватности методов. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию, в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Использование более адекватных методов даст более полную информацию. Диалектический характер взаимодействия данных и методов. Данные являются объективными, это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных полях или телах. В тоже время методы являются субъективными. В основе 6 искусственных методов лежит алгоритм, т.е. упорядоченная последовательность команд, составленная и подготовленная человеком (субъектом). В основе естественных методов лежат биологические свойства субъектов информационного процесса. Таким образом, информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов. Информация – это результат взаимодействия данных и адекватных им методов. 1.2 Количество и качество информации Для того чтобы унифицировать форму представления данных используют прием кодирование. Кодирование – выражение данных одного типа через данные другого типа. Информационный процесс - процесс, в ходе которого данные преобразуются в информацию. Количество информации – это числовая характеристика сигнала, которая не зависит от его формы и содержания и характеризует степень неопределенности, которая исчезает после выбора (получения) сообщения в виде данного сигнала. В информатике используются различные подходы к измерению информации: Содержательный подход. Сообщение – это информативный поток, который в процессе передачи информации поступает к приемнику. Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем сведения являются для него новыми и понятными Информация дает знания человеку, а это значит, что сообщение должно быть информативно. Если сообщение не информативно, то количество информации с точки зрения человека = 0. 7 Алфавитный подход. Не связывает количество информации с содержанием сообщения. Алфавитный подход – это объективный подход к измерению информации. Он удобен при использовании технических средств работы с информацией, т.к. не зависит от содержания сообщения. Количество информации зависит от объема текста и мощности алфавита Вероятностный подход. Учитывает вероятность появления сообщений: более информативным считается то сообщение, которое менее вероятно, т.е. менее всего ожидалось. Применяется при оценке значимости получаемой информации. Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных Vд. Меры информации бывают следующие: Синтаксическая мера информации – оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных. Предположим, что до получения информации пользователь имеет предварительные сведения о системе α, и хочет получить сообщение β. Мера неосведомленности пользователя выражена функцией Н(α), а дополнительная информация, которую он приобрел Iβ(α). Тогда количество информации Iβ(α) определится по формуле: Iβ(α)= Н(α) - Нβ(α), т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопределенности состояния системы. А Нβ(α) – конечная неопределенность. Если конечная неопределенность обратится в ноль, то количество информации: Iβ(α)= Н(α) Энтропия системы Н(α) – это мера недостающей информации. 8 Энтропия системы Н(), имеющая N возможных состояний, согласно формуле Шеннона, равна: N H (α ) = − ∑ Pi log Pi i =1 где Pi – вероятность того, что система находится в i-м состоянии. Для случая, когда все состояния системы равновероятны, т.е. их вероятности равны Pi = 1 , ее энтропия определяется соотношением N N H (α ) = − ∑ i =1 1 1 log N N Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления, особенно это актуально при представлении информации в компьютере. N=mn N – число всевозможных отображаемых состояний; m – основание системы счисления; n – число разрядов в сообщении. Пример. По каналу связи передается n-разрядное сообщение, использующее m различных символов. Так как количество всевозможных кодовых комбинаций будет N=mn, то при равновероятности появления любой из них количество информации, приобретенной абонентом в результате получения сообщения, будет: I = log N= n log m – формула Хартли Если в качестве основания логарифма принять m, то I = n. В данном случае количество информации будет равно объему данных I = Vд, полученных по каналу связи. Для неравновероятных состояний системы всегда I< Vд = n. 9 При использовании двоичного логарифма единицей информации будет бит. Бит – (Binary digit) - это количество информации, которое содержится в одном двоичном разряде. В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутри машинного представления данных и команд. Используются следующие единицы измерения информации: 1 байт = 8 бит (именно восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера); 1 Килобайт = 1024 байт (210 байт); 1 Мегабайт = 1024 Килобайт (220 байт); 1 Гигабайт = 1024 Мегабайт (230 байт); Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения определяется отношением количества информации к объему данных, т.е. Y = I , причем 0