Информатика — курс лекций. Курс лекций для студентов по направлениям 230100. 62 Информатика и вычислительная техника
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Тема 1. Информация и информатика Понятие информации Вся жизнь человека так или иначе связана с накоплением и обработкой информации, кото- рую он получает из окружающего мира, используя пять органов чувств — зрение, слух, вкус, обоня- ние и осязание. Как научная категория «информация» составляет предмет изучения для самых раз- личных дисциплин: информатики, кибернетики, философии, физики, биологии, теории связи и т.д. Несмотря на это, строго научного определения, что же такое информация, до настоящего времени не существует, а вместо него обычно используют понятие информации. Понятия отличаются от опреде- лений тем, что разные дисциплины в разных областях науки и техники вкладывают в него разный смысл с тем, чтобы оно в наибольшей степени соответствовало предмету и задачам конкретной дис- циплины. Имеется множество определений понятия информации, от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до наиболее частного прикладного (информация све- дения, являющиеся объектом переработки). Вот некоторые из них: сообщение, осведомление о положении дел, сведения о чём-либо, передаваемые модели; уменьшаемая, снимаемая неопределённость в результате получения сообщений; передача, отражение разнообразия в любых процессах и объектах, отражённое разнообра- зие; товар, являющийся объектом купли-продажи знаний для достижения определённых целей; данные как результат организации символов в соответствии с установленными правилами; продукт взаимодействия данных и адекватных им методов; сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления. Наряду с названными существуют сотни других, зачастую противоречащих друг другу или взаимоисключающих определений информации. Многообразие этих определений свидетельствует о широте подхода к понятию информации и отражает становление концепции информации в совре- менной науке. Первоначально смысл слова «информация» (от лат. Informatio — разъяснение, изложение) трактовался как нечто присущее только человеческому сознанию и общению: «знания, сведения, со- общения, известия, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом». Затем смысл этого слова начал расширяться и обобщаться. Так, с позиций материалистической теории по- знания одним из всеобщих свойств материи (наряду с движением, развитием, пространством, вре- менем, и др.) было признано отражение, заключающееся в способности адекватно отображать од- ним реальным объектом, а сам факт отражения состояний одного объекта в состояниях другого (или просто одного объекта в другом) и означает присутствие в нём информации об отражаемом объекте. Таким образом, как только состояния одного объекта находятся в соответствии с состояниями друго- го объекта (например, соответствие между положением стрелки вольтметра и напряжением на его клеммах или соответствие между нашим ощущением и реальностью), это значит, что один объект отражает другой, т. е. содержит информацию о другом. Высшей, специфической формой отражения является сознание человека. Кроме этого, суще- ствуют и другие формы — психическая (присущая не только человеку, но и животным, несущая в се- бе информацию, способную влиять на их эмоциональные состояния и поведение), раздражимость 9 (охватывающая, помимо прочего, растения и простейшие организмы, реагирующие на слабые меха- нические, химические, тепловые контакты с окружающей средой) и самая элементарная форма — запечатление взаимодействия (присущая и неорганической природе, и элементарным частицам, т.е. всей материи вообще) (рисунок 1). Ф ормы от р аже н и я Сознание Психика Раздражимость Запечатление взаимодействия Неорганическая природа Растительный мир Животный мир Человек Рисунок 1 — Формы отражения в живой и неживой природе Так, кусок каменного угля несёт в себе «отражение» событий, произошедших в далёкие вре- мена, т.е. обладает свойством информативности. Деловое письмо с предложениями сотрудничества информативно, поскольку отражает серьёзные намерения определённого учреждения или ведом- ства. Команда приступить к конкретным действиям (запуску ракеты, отправке груза, производству вычислений и т.п.) содержит информацию о подготовленности соответствующих служб и своевре- менности предпринимаемых шагов. Информация не является ни материей, ни энергией. В отличие от них она может возникать и исчезать. В указанных примерах информация в куске каменного угля или делового письма может ис- чезнуть, если исчезнет её носитель, например, сгорит. Особенность информации заключается в том, что проявляется она только при взаимодей- ствии объектов, причём обмен информацией может совершаться не вообще между любыми объек- тами, а только между теми из них, которые представляют собой организованную структуру (систему). Элементами этой системы могут быть не только люди: обмен информацией может происходить в животном и растительном мире, между живой и неживой природой, людьми и устройствами. Так, информация, заключённая в куске каменного угля проявится лишь при взаимодействии с человеком, а растение, получая информацию о свете, днём раскрывает свои лепестки, а ночью закрывает их. Понятие «информация» обычно предполагает наличие двух объектов — «источника» инфор- мации и «приёмника» (потребителя, адресата) информации. Информация передается от источника к приёмнику в материально-энергетической форме в виде сигналов (например, электрических, свето- вых, звуковых и т. д.), распространяющихся в определённой среде. Сигнал (от лат. signum — знак) — физический процесс (явление), несущий сообщение (ин- формацию) о событии или состоянии объекта наблюдения. Информация может поступать непрерывно или дискретно, т.е. в виде последовательности отдельных сигналов. Соответственно различают непрерывную и дискретную информацию. Информация — специфический атрибут реального мира, представляющий собой его объек- тивное отражение в виде совокупности сигналов и проявляющийся при взаимодействии с «приёмни- ком» информации, позволяющим выделять, регистрировать эти сигналы из окружающего мира и по тому или иному критерию их идентифицировать. Из этого следует, что: 10 информация объективна, так как это свойство материи – отражение; информация проявляется в виде сигналов и лишь при взаимодействии объектов; одна и та же информация различными получателями может быть интерпретирована по- разному, в зависимости от «настройки» «приёмника». Человек воспринимает сигналы посредством органов чувств, которые «идентифицируются» мозгом. Поэтому, например, при наблюдении одного и того же объекта человек с лучшим зрением может получить больше информации об объекте чем тот, у которого зрение хуже. В то же время, при одинаковой остроте зрения, в случае, например, прочтения текста на иностранном языке, человек, не владеющий эти языком, вообще не получит никакой информации, так как его мозг не сможет её «идентифицировать». Приёмники информации в технике воспринимают сигналы с помощью различ- ной измерительной и регистрирующей аппаратуры. При этом приёмник, обладающий большей чув- ствительностью при регистрации сигналов и более совершенными алгоритмами их обработки, поз- воляет получить большие объёмы информации. Информация имеет определённые функции и этапы обращения в обществе. Основными из них являются: познавательная, цель которой — получение новой информации. Функция реализуется в ос- новном через такие этапы обращения информации, как: ‒ её синтез (производство), ‒ представление, ‒ хранение (передача во времени), ‒ восприятие (потребление); коммуникативная — функция общения людей, реализуемая через такие этапы обращения информации, как: ‒ передача (в пространстве), ‒ распределение; управленческая, цель которой — формирование целесообразного поведения управляемой системы, получающей информацию. Эта функция информации неразрывно связана с позна- вательной и коммуникативной и реализуется через все основные этапы обращения, включая обработку. Без информации не может существовать жизнь в любой форме и не могут функционировать созданные человеком любые информационные системы. Без неё биологические и технические си- стемы представляют груду химических элементов. Общение, коммуникации, обмен информацией присущи всем живым существам, но в особой степени — человеку. Будучи аккумулированной и об- работанной с определённых позиций, информация даёт новые сведения, приводит к новому знанию. Получение информации из окружающего мира, её анализ и генерирование составляют одну из ос- новных функций человека, отличающую его от остального живого мира. Свойства информации Объективность информации Объективность — это характеристика информации, выражающая степень её соответствия реальной действительности. 11 Объективность — важнейшее свойство информации, которое, к сожалению, крайне редко бывает абсолютным. Казалось бы, объективная и материальная природа данных, в которых инфор- мация хранится, должна давать все основания, чтобы информация тоже была объективной. Однако так происходит далеко не всегда, ведь данные — это только один компонент информации. Второй компонент — информационные методы — связан с источником или потребителем информации и имеет субъективную природу. В зависимости от того, какой компонент превалирует в информацион- ном процессе, результирующая информация может быть объективной более или менее. Для накопления знаний и решения задач управления людям нужна объективная информация, иначе знания могут оказаться лженаучными, а управление — некорректным. В науке принято считать объективной информацию воспроизводимую. Например, законы физики воспроизводимы, а законы астрологии — нет. Соответственно, физика считается объективной наукой, а астрология — нет. Основной способ повышения объективности информации заключается в увеличении её пол- ноты. Оценка выступления спортсмена в фигурном катании всегда субъективна, но чем больше раз- ных арбитров, не имеющих внутренних информационных связей друг с другом, её поставили, тем выше её объективность. Экзаменационная оценка тоже всегда субъективна. Поэтому в особо важных случаях экзамен сдают не одному экзаменатору, а экзаменационной комиссии. Коллегиальность принятия оконча- тельного решения — это мера, направленная на повышение его объективности. Кроме экзаменационной, существует апелляционная комиссия. Она тоже предназначена для повышения объективности экзаменационных оценок, но приступает к работе только в спорных, со- мнительных случаях. Апелляционная комиссии не задает дополнительных вопросов учащемуся (это запрещено), а работает только с объективными материалами: экзаменационными листами. Тот, кто во время экзамена не поленился обстоятельно заполнить экзаменационный лист, имеет реальные шансы на то, что апелляционная комиссии повысит объективность его оценки. Количество людей, проголосовавших на выборах органов власти, является оценкой объектив- ности результатов выборов. Никто не знает заранее, какой из кандидатов или какая партия победит на выборах, но объективность нужна всем: и победителям, и проигравшим, и участникам голосова- ния» и организаторам выборов. Общество заинтересовано в объективных результатах, потому что объективность является залогом того, что избранные органы власти будут пользоваться обществен- ной поддержкой и смогут эффективно работать. История знает множество примеров того, как из-за недостаточной объективности выборов возникали общественные конфликты, приводящие к тяжё- лым последствиям. Из сказанного можно предположить, что люди всегда стремятся к повышению объективности информации. На самом деле — нет. Они стремятся к её повышению «как правило», но не всегда. В области культуры можно найти примеры обратного подхода. Все зависит от того, что именно пред- ставляет художник, писатель или артист. Если он намерен представить окружающую действитель- ность, то, конечно, он стремится к максимально детальному, точному и объективному её описанию. Но творческий человек может представлять не действительность, а свой информационный метод, своё умение выразить чувства и эмоции ограниченными средствами. В этом случае художественное полотно может быть весьма далёким от реализма и, тем не менее, оставаться выдающимся произве- дением искусства. Кубизм, примитивизм, импрессионизм и многие другие стили и направления жи- вописи имеют целью в первую очередь представить не саму действительность, а новые, необычные 12 средства художественной выразительности. В таких случаях на первое место выходят не данные, а метод, не объективность, а выразительность. Полнота информации. Моделирование Полнота информации — это относительная характеристика, определяющая количество ин- формации, собранной об объекте или явлении. Полнота информации тесно связана с объективностью. Чем полнее информация, собранная об объекте или явлении, тем выше её потенциальная объективность. Фотография даёт более полное представление о действительности, чем рисунок, поэтому фотоматериалы могут приниматься как объективные свидетельства (после соответствующей экспертизы), а рисунки — нет. Видеозапись, в отличие от фотографии, представляет информацию не только о внешнем облике объекта, но и о его действиях, поэтому объективность видеозаписи выше, чем объективность отдельно взятого кадра. Людям свойственно стремиться к повышению полноты информации, но достичь абсолютной полноты в естественной природе и обществе практически невозможно. Однако это возможно в ис- кусственных технических или абстрактных системах, если они закрыты, то есть имеют конечное (и заранее известное) количество состояний и взаимосвязей. Например, информация о состоянии мо- неты после броска может быть полной, потому что количество состояний монеты конечно: «орёл» или «решка». Если информация неполна (монета еще не упала), мы можем точно оценить степень её неполноты — 50%. В природе не бывает закрытых систем. Какой бы объект и явление мы ни рассматривали, все- гда можно рассмотреть её подробнее и найти дополнительные взаимосвязи и состояния. Поэтому информация об объектах и явлениях природы общества никогда не бывает полной, но это не значит, что её полнотой нельзя управлять. Глубже анализируя состояние объекта, шире рассматривая его взаимосвязи, мы увеличиваем степень полноты информации. Чтобы довести полноту информации до 100%, существует искусственный практический приём — закрыть рассматриваемую систему, но для этого приходится отбрасывать (не учитывать) какие-то взаимосвязи её элементов. Именно это мы и делаем, рассматривая модели. Так, решая задачи по физике, мы отбрасываем некоторые связи между телами как несущественные. Например, решая за- дачу механики о работе подвижного блока, мы «отбрасываем» сопротивление воздуха, притяжение Солнца и Луны, силы трения между волокнами каната и в осях блоков. Моделирование — это информационный метод, заключающийся в логическом закрытии рас- сматриваемой системы. В результате моделирования количество состояний системы и число взаимо- связей между её элементами становится конечным. Цель моделирования — рассмотрение получен- ной системы с исчерпывающей полнотой. Достоверность информации Согласно бытовым представлениям, достоверность информации — это её «правдивость», со- ответствие реальной действительности. В информатике это не совсем так. Напомним, что соответ- ствие реальной действительности называется объективностью. А достоверность — это совсем дру- гое свойство. Достоверность информации — это характеристика её неискажённости. 13 Абсолютно достоверной или абсолютно недостоверной может быть только информация, рас- сматриваемая в закрытой системе (в модели). В первом случае её называют истиной, а во втором — ложью. Большую часть информации мы получаем из открытых информационных систем, поэтому она обладает частичной достоверностью. Информационные искажения, снижающие достоверность ин- формации, называют информационным шумом. Информационный шум может быть вызван как случайным или преднамеренным искажением данных, так и использованием некорректных информационных методов. Например, при попытке замерить с помощью канцелярской линейки размер атома водорода и размер атома вольфрама (ес- ли бы такой опыт было возможно поставить) получится одинаково недостоверный нулевой резуль- тат. Причина — в использовании непригодного информационного метода (метода измерений). Не следует путать достоверность с объективностью. Необъективная информация действи- тельно не может быть достоверной, но обратное возможно: недостоверная информация вполне мо- жет быть объективной. На этом основаны все естественные и технические науки. Мы сталкиваемся с этим явление каждый день, когда что-либо измеряем. Рассмотрим какое-либо иррациональное число, например √ . Мы не знаем (и не можем знать) его достоверное значение, потому что это число бесконечно. Кто-то считает, что оно равно 1,41, а кто-то полагает, что его значение 1,4142. На самом деле оба значения недостоверны, однако, записав это число с любым количеством знаков, мы всегда достоверно можем указать предел допу- щенной погрешности. Значит, объективно мы это число знаем. Примеров может быть очень много. Невозможно достоверно знать длину береговой линии островов и материков. Невозможно достоверно определить площадь поверхности листьев на дере- ве. В физике мы не можем достоверно измерить ни массу, ни длину, ни время, а потому не можем абсолютно достоверно знать значения ни одной физической константы. Но мы всегда можем абсо- лютно достоверно указать предельную погрешность принятого значения. Это делает математику, фи- зику, химию, физическую географию и астрономию объективными науками. Недостоверная информация может быть объективной. Для этого предельная величина её не- достоверности должна быть объективно известна. Адекватность информации Адекватность — ещё одно свойство, которое часто путают с объективностью и достоверно- стью, называя необъективную или недостоверную информацию неадекватной. На самом деле адек- ватность — это особое свойство информации, которое не следует путать с другими свойствами. |