Базовые информационные технологии и процессы. И процессы
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
1.2 Информация Наверное, самый сложный вопрос в науках, связанных с информацией: «Что такое информация?». На него нет однозначного ответа. Такие понятия ино- гда называют «контекстными», это значит, что придаваемый им смысл зависит от контекста, в котором они употребляются. Информация обладает динамиче- ским характером, то есть существует только в момент взаимодействия данных и методов. Все остальное время она пребывает в состоянии данных. Таким обра- зом, информация существует только в момент протекания информационного процесса. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную ин- формацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Например, для учащегося, не владеющего каким-либо языком, текст, написанный на этом языке, дает только ту информацию, которую можно полу- чить методом наблюдения (количество символов, наличие незнакомых символов и т. д.). Использование же более адекватных методов даст иную информацию [1]. В нашем курсе в определении информации мы будем опираться на доста- точно конструктивный подход немецких ученых-информатиков Ф. Л. Бауэра и Г. Гооза, рассматривающих понятие «информация» через связь с понятием «сообщение» [2]. «Сообщение» и «информация» – это основные понятия информатики, тех- ническое значение которых не вполне соответствует употреблению этих двух слов в обиходной речи. В связи с этим необходимое уточнение содержания ука- занных понятий не может быть достигнуто с помощью определения, так как по- следнее лишь сводило бы эти понятия к другим неопределенным основным по- нятиям. Поэтому целесообразно ввести сообщение и информациюкакнеопреде- ляемые основные понятия и рассмотреть их использование на ряде примеров [2]. При разграничении понятий сообщения и информации будем исходить из распространённых оборотов речи типа «это сообщение не даёт мне никакой ин- формации», что приводит к следующему отношению между этими понятиями: (абстрактная) информация передаётся посредством (конкретного) сообщения. 12 Соответствие между сообщением и информацией не является взаимно од- нозначным. Для одной и той же информации могут существовать различные пе- редающие её сообщения, например, сообщения на разных языках или сообще- ния, которые получаются добавлением неважногосообщения, не несущего ни- какой дополнительной информации. Сообщения, передающие одну и ту же ин- формацию, образуют класс эквивалентных сообщений. С другой стороны, одно и то же сообщение может передавать совершенно различную информацию: со- общение о падении самолета для близких родственников погибшего имеет со- всем иной смысл, нежели для авиакомпании; разные читатели из одной и той же газетной статьи черпают совершенно различную информацию, соответствую- щую кругу их интересов. Таким образом, одно и то же сообщение, по-разному интерпретированное, может передавать разную информацию. Обобщая, можно сказать, что решаю- щим для связи между сообщением N и информацией I является некое отображе- ние α, представляющее собой результат договорённости между отправителем и получателем сообщения или предписанное им обоим и называемое правилом ин- терпретации. Правило интерпретации для данного сообщения часто получается как част- ный случай некоторого общего правила, применимого к целому множеству со- общений, которые построены по одинаковым законам. Если мы формулируем сообщения на некотором языке,то высказывание «X понимает язык R» выражает тот факт, что лицо X знает правило интерпретации для всех (или по крайней мере для большинства) сообщений, формулируемых на данном языке. Иногда правило интерпретации известно лишь ограниченному кругу лиц; сюда относятся правила интерпретации для специальных языков, в частности для различных профессиональных и научных языков (жаргонов). Связь между сообщением и информацией особенно отчётливо видна в криптографии: здесь никто посторонний не должен суметь извлечь информацию из передаваемого сообщения, иначе это означало бы, что он располагает «клю- чом». Часто встречаются и такие сообщения, которые могут интерпретироваться по-разному, причём различные интерпретации основываются одна на другой. Так, сообщение «идёт дождь» может нести дополнительную информацию «нуж- но взять с собой зонтик». В этом случае говорят об информациях различной сте- пени отвлечённости. 13 Для сообщений, которыми обмениваются люди, в большинстве случаев имеются соглашения относительно их формы. О таких сообщениях будем гово- рить, что они передаются в языковой форме,что они составлены на некотором языке.При этом слово «язык» используется в существенно более широком смыс- ле, чем связанное с ним понятие «говорить». Мы знаем разговорный и письмен- ный языки, язык глухонемых, построенный на жестах и мимике, печать для сле- пых, воспринимаемую осязанием. Два последних примера показывают, что вы- сокоразвитое языковое общение не ограничивается устной и письменной речью. Хотя многое говорит в пользу того, что именно разговорный язык знаме- нует начало истории человека, всё же и в современном обществе остаётся язык жестов, дополненный специфическими звуками, такими как шипение, мычание, свист и щелчки, – хоть и примитивное, но иногда решающее вспомогательное средство, обеспечивающее взаимопонимание. Когда мы говорим о языковых сообщениях,мы имеем в виду то общее, что присуще каждому из этих случаев; способ передачи – письменно, устно, посред- ством осязания или ещё как-то – не имеет здесь никакого значения. При этом, однако, следует иметь в виду, что, например, информация, содержащаяся в уст- ном сообщении, не всегда полностью воспроизводится соответствующим пись- менным сообщением. Такие проявления настроения, как гнев, радость, горечь, искренность, находят своё полное выражение только в устной речи. Ударения и паузы также несут информацию. В случае, когда мы говорим о немецком, английском языке и т. д., лучше использовать термин язык-речь. Для различия между языком и языком-речью ха- рактерно, что внутри данного языка-речи можно говорить на высоком языке, на разговорном языке, на блатном языке (сленге) или на профессиональном языке (жаргоне). Существуют также языки, которые не принадлежат и вообще не могут быть причислены ни к какому языку-речи, например искусственные языки вроде эсперанто или некоторые специальные языки, в том числе язык формул матема- тики и языки программирования. Наконец, понятие языка не ограничивается случаем общения между людь- ми, оно используется и в случае сравнительно высокоразвитых форм общения между другими живыми существами. Примером может служить открытый К. Фришем язык ориентации пчел. Для нашего предмета особенно важны языки, в которых для передачи со- общений используются долговременные носители информации. При этом пере- дача освобождается от гнёта реального времени и становятся возможными даже 14 сообщения человека самому себе, различные заметки, что уменьшает нагрузку на человеческую память за счёт использования «инструмента». Представление сообщений на долговременных носителях будем называть письмом,а сам долго- временный носитель – носителем письма. Прежде всего следует упомянуть зрительно воспринимаемое письмо, ко- торое создается вручную (рукопись) или механически (машинопись, типограф- ская печать). Письмо, воспринимаемое на слух, стало реальностью после того, как Эдисон изобрел фонограф. Письмом, воспринимаемым осязанием, является письмо слепых, которое пишется вручную (посредством наколов иголкой), а также механически. Фиксация изображений (например, в кино) также представ- ляет собой письмо, как и географическая карта. Роль органов чувств в восприятии сообщений. Выше уже были упомянуты органы чувств, которые могут служить для передачи языковых сообщений. Не- которые из воспринимающих органов чувств служат также и для односторонней неязыковой связи с окружающим миром. У высших живых существ только слу- ховые, зрительные и тактильные восприятия достаточно дифференцированы, чтобы естественным образом служить для передачи языковых сообщений. На- ряду с языками непосредственного общения: разговорной речью, призывающи- ми и предостерегающими звуками (слуховое восприятие), языком глухонемых (зрительное восприятие) и воспринимаемым рукой языком слепых (тактильное восприятие) – существуют языки, в которых используются инструменты: бара- банный бой, стук, свистки, звуки рожка, трубы, сирена – сигнал тревоги (слухо- вое восприятие), световые сигналы и сигналы флажками (зрительное восприя- тие). Определенные знания о свойствах и работе органов чувств человека ока- зываются существенными, когда мы хотим рационально включить человека в це- почку обработки и передачи информации (в её начало или конец). Функциональная способность органов чувств лежит в определенных пре- делах. Здесь прежде всего следует назвать время реакции(латентное, или скры- тое, время). Для акустических (звуковой импульс) и оптических (загорание лам- почки) сигналов оно составляет для человека 140–250 мс до ответа, состоящего в том, что испытуемый нажимает кнопку. Для более сложных заданий время ре- акции заметно увеличивается (прочитать указанное слово: 350–550 мс, назвать указанный предмет домашнего обихода: 600–800 мс). Это уже говорит о том, что процесс восприятия – не только функция рецепторов. Сюда примыкают прове- 15 дение раздражения по нервным путям, переработка его в мозге, а также проведе- ние ответа к эффектору. При этом на глаз как воспринимающий орган прихо- дится около 40 мс, а на срабатывание мышц руки как передающего органа – око- ло 50 мс. Для того чтобы орган вообще смог что-либо воспринять, интенсивность раздражения должна превосходить определённое пороговое значение. Для слуха пороговое значение составляет около 2×10 –7 мбар. Знакомство с физиологией и психологией чувств учит нас многому, преж- де всего тому, что обработка информации (а не только её передача) есть обяза- тельная составная часть нашего чувственного восприятия. Когда мы говорим об искусственной, т. е. изобретённой людьми и выполняемой машинами обработке информации, это должно напоминать нам, что обработка информации не явля- ется чем-то принципиально новым. Следует отклонить как чересчур поспешные выводы, которые наивно делаются посредством (недопустимой) редукции («че- ловека можно объяснить с помощью законов физики», «умственная деятель- ность – не что иное, как приём, обработка, накопление и выдача информации»): уже сфера сенсорного восприятия говорит о столь сложных процессах в мозге, что такие утверждения не могут служить даже рабочей гипотезой [2]. 1.3 Передача сообщений, кодирование Письмо и газета относятся к самым старым и до сих пор не актуальным примерам (случайной и регулярной) передачи сообщений посредством записи на долговременном носителе сообщений. В случае передачи информации с помо- щью недолговременного носителя сообщений человек также использует различ- ные физические устройства в соответствии с уровнем развития техники на дан- ный момент. Примерами таких устройств связи служат телефон, радио и телеви- дение, предназначенные как для случайной, так и для регулярной передачи со- общений. Внешне устройство связи,или, точнее, приёмо-передающее устройство, состоит из приёмника (получателя) и передатчика(отправителя). О внутреннем строении устройств связи никаких общих утверждений сделать нельзя, разве что при более внимательном рассмотрении многие из них оказываются составлен- ными из нескольких более мелких устройств связи. Может случиться, что для сообщений на входе и на выходе используется один и тот же носитель. Такие устройства служат лишь для возможного усиления 16 или регенерации сообщения, связанной с устранением помех, и называются ре- лейными линиями. Примерами таких устройств являются рупор, слуховая трубка, а также их современные электронные варианты – мегафон и слуховой аппарат. Если для сообщений на входе и выходе устройства используются различные фи- зические носители, то устройство связи называют преобразователем. Если устройство предназначено для связи между людьми, то сообщения на входе или выходе должны быть производимы или соответственно воспринима- емы людьми, т. е. носители должны соответствовать человеческим эффекторам и рецепторам. В качестве примеров назовём музыкальный инструмент, на кото- ром играют, нажимая на клавиши (физический носитель на входе – давление, на выходе – звуковые волны), и осциллограф, управляемый через микрофон (на входе – звуковые волны, на выходе – световые волны). Как уже упоминалось, два или более устройств связи можно соединить друг с другом таким образом, что результирующее устройство снова будет устройством связи. Приёмником составного устройства является приёмник пер- вого устройства, участвующего в соединении, а передатчиком – передатчик по- следнего устройства. В этом случае между передатчиком одного устройства связи и приёмником другого могут использоваться и такие носители, которые недоступны человеческим эффекторам и рецепторам. Примером могут служить телефонная связь по проводам или радио. Исходя из подобных примеров, протяжённую в пространстве среду, через которую носитель сообщения передаётся от передатчика к приёмнику, называют каналом связи. Помимо бумаги, используемой в письме и чтении человеком, в качестве долговременных носителей текстовых сообщений в современной технике чаще всего используются намагничиваемые и светочувствительные плёнки, а также перфорируемая бумага (перфокарты, перфоленты). Аналогии между рецепторами и эффекторами живых существ и техниче- скими приёмо-передающими устройствами служат предметом исследований в кибернетике.Кибернетика занимается главным образом аспектами, общими для человека и технических устройств с точки зрения передачи и переработки сооб- щений. Следует особо отметить то, что передача сообщений происходит во вре- мени, поэтому в качестве носителей заслуживают внимания только такие физи- ческие величины, которые могут изменяться во времени. Изменение некоторой физической величины во времени, обеспечивающее передачу сообщения (а тем 17 самым и информации), называется сигналом.При этом для воспроизведения со- общения могут использоваться различные свойства сигнала. Та характеристика сигнала, которая служит для представления сообщения, называется параметром сигнала. В качестве примера рассмотрим радио. Сигналами здесь являются электро- магнитные колебания. В диапазоне средних волн сообщение воспроизводится амплитудой колебаний, а в диапазоне ультракоротких волн – частотой колеба- ний (амплитудная и частотная модуляциисоответственно). Таким образом, в первом случае параметром сигнала является амплитуда, а во втором – частота колебаний. Если для передачи сообщений используются импульсы, то параметром сиг- нала может быть либо амплитуда импульса, либо интервал между импульсами (амплитудно-импульсная и частотно-импульсная модуляциисоответственно). Сигнал называется дискретным,если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений, и существен лишь в конечном числе моментов времени (возможно, периодически повторяющихся). Дискретными сообщенияминазываются такие сообщения, которые могут быть переданы с помощью дискретных сигналов. Языковые сообщения в письменной форме строят обычно, записывая знаки письма (графемы)друг за другом. Хотя длинные сообщения могут разме- щаться на многих строчках и страницах, это разбиение не имеет никакого значе- ния; оно не несёт важной информации. По существу, такие сообщения являются последовательностями знаков. Это оказывается справедливым и для устных язы- ковых сообщений, если разложить устный текст на элементарные составные ча- сти, так называемые фонемы. Чтобы можно было воспроизводить фонемы и письменно, принято соглашение о международных письменных знаках для от- дельных фонем. Точка зрения, что сообщение есть последовательность знаков, не ограничивается тем случаем, когда знаки – это фонемы или графемы (напри- мер, знаки букв и цифр, знаки препинания). Знаки планет или знаки зодиака и даже кивок и покачивание головой также могут пониматься как знаки. В силу этого определим понятие знака следующим образом. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Знак – это элемент некоторого конечного множества отли- чимых друг от друга «вещей», набора знаков. Набор знаков, в кото- ром определён линейный порядок знаков, называется алфавитом. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18 Представим некоторые примеры алфавитов (порядок в них – это порядок перечисления): 1) алфавит десятичных цифр {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; 2) алфавит заглавных кириллических букв {А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, 3, И, Й, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У, Ф, Х, Ц, Ч, Ш, Щ, Ъ, Ы, Ь, Э, Ю, Я). Существуют некоторые наборы знаков, для которых нет какого-либо об- щепринятого порядка знаков: 1) набор знаков клавиатуры пишущей машинки; 2) набор знаков планет. Особенно важное значение имеют наборы, состоящие всего из двух знаков. Такие наборы называют двоичными наборами знаков, а сами знаки – двоичными знаками.Вместо термина «двоичный знак» часто употребляют сокращение бит (от английского binary digit). Если N – предложение некоторого естественного языка, то его можно рас- сматривать как последовательность знаков по крайней мере тремя разными спо- собами. Прежде всего N представляет собой последовательность букв, цифр, зна- ков препинания и т. п.; далее N – это последовательность слов, которые в другом контексте могут сами рассматриваться как знаки; наконец, и всё предложение целиком можно рассматривать как один знак. Первое понимание используется, например, когда имеется правило для нанесения сообщения N на перфокарты; второе понимание лежит в основе сте- нографических сокращений; третье понимание бывает уместным при переводе на другой естественный язык, когда пословица одного языка переводится соот- ветствующей по смыслу пословицей другого языка. Дискретные сообщения представляют собой (конечные или бесконечные) последовательности знаков. При этом, исходя из соображений, связанных с фи- зиологией органов чувств, или из чисто технических соображений, их обычно разбивают на конечные последовательности знаков, называемые словами. На бо- лее высоком уровне каждое слово можно снова рассматривать как знак, при этом соответствующий набор знаков будет шире первоначального. Данный набор зна- ков можно получить с помощью составления слов, исходя из некоторого набора с меньшим числом знаков, в частности из двоичного набора знаков. 19 Слова над двоичным набором знаков называются двоичными словами.Они не обязаны иметь постоянную длину (азбука Морзе), если это всё же так, то го- ворят об n-разрядных двоичных знаках и n-разрядных двоичных кодах (напри- мер, международный телеграфный код № 2 (5-разрядные двоичные знаки)). Будем пользоваться следующим определением: кодомназывается правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков (или слов); кодом также называют и множество образов при этом отображении. Помимо основного значения слова code – «кодекс», «свод законов» – начи- ная с середины XIX в. оно означало книгу, в которой словам естественного языка сопоставлены группы цифр или букв. Употребление таких кодов приобрело зна- чение скорее в связи со стремлением сэкономить на стоимости телеграмм, чем в связи с соображениями конспиративности. Если каждый образ при кодировании является отдельным знаком, то такое отображение мы называем шифровкой, а образы – шифрами (от англ. cipher). По- скольку здесь имеется криптографический аспект, обращение этого отображе- ния – когда оно однозначно – называется декодированием или дешифровкой. В коммерческих и криптографических кодах слова, фразы и понятия есте- ственных языков кодируются в большинстве случаев словами над некоторым буквенным или цифровым алфавитом, обычно пятерками. В технических кодах буквы, цифры и другие знаки почти всегда кодируются двоичными словами. У большинства используемых в технике кодов все слова имеют одинаковую длину. Коды со словами разной длины встречаются в технике довольно редко. Исклю- чением является код Морзе. Грубо говоря, это двоичный код с набором зна- ков (точка, тире) и словами длины не более 5 знаков для кодирования букв и цифр. Более точно, следует ещё добавить в качестве третьего знака «пропуск», который помечает стыки между кодовыми словами (слова нельзя отделить друг от друга по их длине). В двоичных кодах с постоянной длиной кодовых слов слова могут следо- вать друг за другом непосредственно (последовательная передача),так что по- лучается единая последовательность двоичных знаков. Расположение стыков и тем самым исходная группировка кодовых слов устанавливаются с помощью от- счёта, таким образом, сообщения, составленные из кодовых слов, однозначно де- кодируемы. Правда, при отсчёте кодовой длины нельзя ошибиться, «сбиться с ритма», а это ведёт к усложнению с технической точки зрения (параллельность, синхронизация). 20 Напротив, для кодов с переменной длиной кодовых слов расположение стыков восстановить нельзя. При определённых условиях сообщение, состоящее из нескольких кодовых слов, либо вовсе не декодируется, либо декодируется неоднозначно. Однако декодируемость будет обеспечена, если соблюдается сле- дующее условие Фано: никакое кодовое слово не является началом другого ко- дового слова (свойство префиксности). Тогда, очевидно, стык между кодовыми словами определяется тем моментом, когда «дальше не читается». Очевидно также, что код удовлетворяет условию Фано тогда и только тогда, когда кодовое дерево не содержит ни одного языка во «внутренних» вершинах (дерево с разме- ченными листьями). Условие Фано является достаточным, но не необходимым условием одно- значной декодируемости. Тривиальная возможность обеспечить выполнение условия Фано состоит в том, чтобы каждое кодовое слово начинать специальным знаком (или группой знаков), называемым разделителем.Это, очевидно, имеет место в случае кода Морзе, а именно пропуск является разделителем для после- довательности точек и тире, а группа знаков ООО – разделителем при двойном кодировании кода Морзе. С технической точки зрения при передаче по теле- графу также передается разделитель (синхронизирующий «такт разбивки»). Припараллельной передаче, в отличие от последовательной, мы ограни- чены кодами со словами постоянной длины: для n-разрядного двоичного кода используется п параллельных двоичных каналов передачи. В случае оптиче- ского, электростатического, электролитического и электромагнитного телеграфа путь технического прогресса шёл прежде всего от параллельной к последова- тельной передаче. Вопрос о том, какие коды являются оптимальными с точки зрения передачи, изучается в теории информации. Следует различать собственно знак и его смысл. Знак вместе с его смыслом называется символом. В соответствии с целью употребления один и тот же знак часто имеет раз- ный смысл. Знак |