Учебник по информатике содержит базовые теоретические и практические сведе
ния, которыми должен владеть любой профессионал независимо от рода его деятель
ности. Учебник состоит из трех частей, отражающих следующие аспекты информатики:
□ информатика как область интеграции знаний о роли информации в развитии общества, об управлении знаниями, о логических основах построения компью
тера и обработки информации, о методах и средствах моделирования инфор
мационных объектов, об основах построения баз данных и информационных системах, об информационной безопасности и новом направлении — менедж
менте информационной сферы;
□ техническая база информатики, где формируется представление об аппаратной части компьютера и о формах представления в нем данных, излагаются основы построения компьютерных сетей, приводится история, состояние и тенденции развития компьютерных систем;
□ алгоритмическое и программное обеспечение информатики, где излагаются основы теории алгоритмов, технологии и инструменты программирования, приводится классификация программного обеспечивания, рассматриваются характеристики и особенности разных классов программных продуктов.
Цель учебника:
□ дать целостное представление об информатике и ее роли в развитии общества;
□ раскрыть суть и возможности технических и программных средств информатики;
□ сформировать понимание того, с какой целью и каким образом можно использовать информационные системы и технологии.
Как работать с учебником?
Учебник построен таким образом, чтобы активизировать познавательную деятель
ность студента. Каждая глава учебника написана как автономная часть, и при ее из
учении необязательно знать содержание предыдущих глав. Вы можете читать учебник с любой интересующей вас темы. Глава начинается с формулировки цели изучения.
Далее перечислены основные темы предмета, обсуждаемые в данной главе. Чтобы обучение было эффективным, студент должен, прочитав главу, хорошо понять смысл этих тем. Для уверенности в том, что изучение главы прошло успешно и освоен весь материал, постарайтесь ответить на все вопросы для самопроверки, которые приведены в конце каждой главы. Отвечая на них, обращайтесь вновь к учебнику.
Завершается каждая глава списком рекомендованной к изучению литературы. Чте
ние этих книг поможет освоить и расширить знания по изучаемым проблемам инфор
матики. А знать ее крайне необходимо, так как человек, решивший профессионально работать в избранной отрасли, должен систематически обрабатывать информацию, применяя информационные технологии. Надеемся, что в реализации этих задач сыграет свою роль предлагаемый учебник.
От всей души желаем вам успехов!
Часть первая
Информатика как область интеграции знаний
Глава 1. Представление об информации...................................................... 17
Глава 2. Роль информации в развитии общества.........................................45
Глава 3. Теоретические основы управления знаниями ............................... 76
Глава 4. Логические основы информатики.................................................. 108
Глава 5. Информационные системы и технологии..................................... 125
Глава 6. Теория баз данных...........................................................................169
Глава 7. Основы моделирования................................................................. 202
Глава 8. Информационная безопасность.................................................... 235
Глава 9. Менеджмент информационной сферы .........................................259
Глава 1
Представление об информации
1.1.
Понятие информации1.2. Меры информации
1.3. Качество информации
1.4. Информационные процессы
1.5. Кодирование при передаче и хранении информации
1.6. Основы классификации и структурирования информации
1.7. Кодирование при классификации информации
В этой главе излагаются основные сведения об информации, дается определение понятию информации,
описываются основные свойства информации, поясняется, в чем различие между понятиями информации и данных. Большое место в главе отводится вопросам измерения количества информации и способам оценки ее ка
чества. Информационные процессы, составляющие неотъемлемую часть современ
ной деятельности человека, рассматриваются в этой главе совместно с вопросами кодирования информации.
1.1. Понятие информации
1.1.1. Определение информации
Термин
«информация» происходит от латинского «informatio», что означает
«разъяснение», «осведомление», «изложение».
18
Глава 1. Представление об информации
Существует множество определений информации. Так, один из основополож
ников современной теории информации, Ноберт Винер, определял информацию так: «Информация есть информация, а не материя или энергия».
Такое определение через отрицание кажется достаточно полным и универсаль
ным, но применить его в качестве инструмента для построения научной методоло
гии практически невозможно.
В то же время в современной технике получили широкое распространение ме
тодологические подходы, позволяющие применять понятие информации и пред
ложенные инструменты для исследования процессов, происходящих в технических системах, экономике, социуме, в живой и неживой природе.
Наиболее известный среди таких подходов — математическая теория Клода
Шеннона, позволяющая вероятностно обосновать надежность передачи сигналов по линии связи. В подходе Шеннона информация — это мера снижения неопреде
ленности системы.
Существует также термодинамический (энергетический) подход, рассматрива
ющий информацию как способ уменьшения энтропии системы.
Советским математиком Колмогоровым был предложен алгоритмический под
ход, позволяющий оценить информацию по сложности алгоритма, необходимого для ее обработки. Все эти подходы тесно связывали понятие информации со сферой применения.
С позиции материалистической философии информация есть отражение реаль
ного мира с помощью сведений (сообщений). Сообщение — это форма представле
ния информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т. п. В широком смысле информация — это общенаучное понятие, вклю
чающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами.
1.1.2. Информация и данные
Информатика рассматривает информацию как концептуально связанные между собой сведения, понятия, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие данных. Покажем, в чем их различие.
Данные могут рассматриваться как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. В том случае, если появляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопре
деленности знаний о чем-либо, данные превращаются в информацию.
1.1. Понятие информации
19
Пример. Напишите на листе бумаги десять номеров телефонов в виде последовательности десяти чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, так как они не предоставляют ему никаких сведений. Затем против каждого номера укажите название фирмы и род деятельности. Для вашего друга непонятные цифры обретут определенность и превратятся из данных в информацию, которую он в дальнейшем мог бы использовать.1.1.3. Адекватность информации
При работе с информацией всегда имеются ее
источник и
потребитель (полу
чатель). Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее потребителю, называются
информационными коммуникациями.Для потребителя информации очень важной характеристикой является ее адекватность.
В реальной жизни вряд ли возможна ситуация, когда вы сможете рассчитывать на полную адекватность информации. Всегда присутствует некоторая степень неопределенности. От степени адекватности информации реальному состоянию объекта или процесса зависит правильность принятия решений человеком.
Адекватность информации может выражаться в трех формах: семантической, синтаксической, прагматической.
Синтаксическая адекватность отображает формально-структурные характери
стики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность преобразования этих кодов и т. п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, обычно называют данными, так в этой форме смысловая сторона не имеет значения. Эта форма способствует восприятию внеш
них структурных характеристик, то есть синтаксической стороны информации.
Семантическая (смысловая) адекватность определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет смыс
лового содержания информации. На этом уровне анализируются те сведения, ко
торые отражает информация, рассматриваются смысловые связи. В информатике устанавливаются смысловые связи между кодами представления информации. Эта форма служит для формирования понятий и представлений, выявления смысла, содержания информации, для ее обобщения.
Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение инфор
мации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Проявляются прагматические свойства информации только при наличии единства информации (объекта), пользователя и цели управления.
Прагматический
аспект рассмотрения связан с ценностью, полезностью использо
вания информации при выработке потребителем решения для достижения своей
20
Глава 1. Представление об информации цели. С этой точки зрения анализируются потребительские свойства информации.
Эта форма адекватности непосредственно связана с практическим использованием информации, с соответствием ее целевой функции деятельности системы.
1.2. Меры информации
Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных VR.
Эти параметры имеют разные выражения и интерпретацию в зависимости от рассматриваемой формы адекватности. Каждой форме адекватности соответствует своя мера количества информации и объема данных (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Меры информации
1.2.1. Синтаксическая мера информации
Синтаксическая мера количества информации оперирует обезличенной инфор
мацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.
Объем данных VR в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных:
□ в двоичной системе счисления единица измерения — бит (bit, или binary digit, — двоичный разряд);
□ в десятичной системе счисления единица измерения — дит (десятичный раз- ряд).
П Р И М Е Ч А Н И Е ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
В современных ЭВМ наряду с минимальной единицей измерения данных — битом —
широко используется укрупненная единица измерения — байт, равная 8 бит.
1.2. Меры информации
21
Пример. Сообщение в двоичной системе в виде восьмиразрядного двоичного кода
10111011 имеет объем данных Уд = 8 бит.
Сообщение в десятичной системе в виде шестиразрядного числа 275903 имеет
объем данных Уд = 6 дит.
Количество информации I на синтаксическом уровне невозможно определить без рассмотрения понятия неопределенности состояния системы (энтропии систе
мы). Действительно, получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы.
Рассмотрим это понятие.
Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предваритель
ные (априорные) сведения о системе а. Мерой его неосведомленности о системе является функция Я (а), которая в то же время служит и мерой неопределенности состояния системы.
После получения йекоторого сообщения р получатель приобретает некоторую дополнительную информацию /р(а), уменьшающую его априорную неосведомлен
ность так, что апостериорная (после получения сообщения Р) неопределенность состояния системы становится равной Я р(а).
Тогда количество информации / р( а ) о системе, полученной в сообщении |3, определится так:
/ р(а ) = Я ( а ) - Я р(а),
то есть количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопре
деленности состояния системы.
Если конечная неопределенность Я р( а ) обратится в нуль, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество информации:
/Р(а )-Я (а)
Иными словами, энтропия системы Я (а ) может рассматриваться как мера не
достающей информации.
Энтропия системы Я (а), имеющая N возможных состояний, согласно формуле
Шеннона, равна:
Z=1
Здесь Pi — вероятность того, что система находится в i-м состоянии.
Для случая, когда все состояния системы равновероятны, то есть их вероятности равны , ее Р = — энтропия определяется соотношением
1
N
22
Глава 1. Представление об информации
Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления, особенно это актуально при представлении информации в компьютере.
Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать разное количество состояний отображаемого объекта, что
можно представить в виде соотношенияN= тп.Здесь ЛГ — количество всевозможных отображаемых состояний;
т — основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите);
п — коли
чество разрядов (символов) в сообщении.
Пример. По каналу связи передается «-разрядное сообщение, использующее т различных символов. Так как количество всевозможных кодовых комбинаций будет N = тп, то при равной вероятности появления любой из них количество информации, приобретенной абонентом в результате получения сообщения, окажется равнымI =
logN =
п log
т.Это формула Хартли.Если в качестве основания логарифма принять т, то I = п. В данном случае количество информации (при условии полного априорного незнания абонентом содержания сообщения) будет равно объему данных, полученных по каналу связи ( / = 1/д). Для неравновероятных состояний системы всегда I < Va = п.Наиболее часто используются двоичные и десятичные логарифмы. Единицами измерения в этих случаях являются
бит и
дит соответственно.
Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения опреде
ляется отношением количества информации к объему данных:
У
— причем 0 < У< 1.
С увеличением У уменьшаются объемы работы по преобразованию информа
ции (данных) в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования инфор
мации.
1.2.2. Семантическая мера информации
Для измерения смыслового содержания информации, то есть ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя принимать поступившее сообщение. Для этого используется понятие тезауруса пользователя.
1.2. Меры информации
23
В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя SP изменяется количество семантической информации
/Р, воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезау
рус. Характер такой зависимости показан на рис. 1.2. Рассмотрим два предельных случая, когда количество семантической информации 1С равно 0:
□ при SP 0 пользователь не воспринимает и не понимает поступающую инфор
мацию;
□ при SP -> оо пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна.
Рис. 1.2. Зависимость количества информации, воспринимаемой пользователем, от его тезауруса /с = f{SP)
Максимальное количество семантической информации 1С потребитель при
обретает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом
SP (SP = SP
о р т
)>
когда поступающая информация понятна пользователю и несет ему ранее неизвестные (отсутствующие в его тезаурусе) сведения.
Следовательно, количество семантической информации в сообщении, то есть количество новых знаний, получаемых пользователем, является величиной от
носительной. Одно и то же сообщение может иметь смысловое содержание для компетентного пользователя и быть бессмысленным (семантический шум) для пользователя некомпетентного.
При оценке семантического (содержательного) аспекта информации необходи
мо стремиться к согласованию величин S и SP.
Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности С, который определяется как отношение количе
ства семантической информации к ее объему:
1.2.3. Прагматическая мера информации
Прагматическая мера определяет полезность (ценность) информации для до
стижения пользователем поставленной цели. Эта мера также величина относитель
ная, обусловленная особенностями применения этой информации в той или иной
24
Глава 1. Представление об информации системе. Ценность информации целесообразно измерять в тех же самых единицах
(или близких к ним), в которых измеряется целевая функция.
Пример. В экономической системе прагматические свойства (ценность) информации можно определить приростом экономического эффекта функционирования, достигнутым благодаря использованию этой информации для управления 
Скачать 14.49 Mb.