Глава 1. Введение в информатику

1.1. Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона. Предмет и задачи информатики

В 1948 г. американский математик Норберт Винер объявил о создании новой науки – кибернетики, проблеме искусственного интеллекта, и ввел новую научную категорию – «управление» [1]. Выделение категории «управление» позволило воспользоваться понятием информации и положить в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации. Сущность принципа управления заключается в следующем: движение и действие больших масс или передача и преобразование большого количества энергии направляются и контролируются при помощи небольшого количества энергии, несущей информацию. Этот принцип лежит в основе организации и действия любых управляемых систем: автоматических машин, живых организмов, социальных систем. Таким образом, кибернетика – это наука об общих законах получения, хранения, обработки и передачи информации.

Термин «информация» как научный термин введен Клодом Шенноном – автором теории информации (науки об оптимальном кодировании сообщений и передачи сигналов по каналам связи) в конце 40-х гг. XX в. Шеннон ввел единицу измерения информации – 1 бит (от англ. BInary digiT – двоичная единица).

Каждому сигналу в теории Шеннона приписывается априорная вероятность его появления [2]. Чем меньше вероятность появления сигнала, тем больше информации он несет для потребителя. Этот факт можно выразить следующей формулой (формула Шеннона):

, (1.1)

где I – количество полученной информации при передаче сообщения; p_j – вероятность появления сигнала с номером j; n – количество возможных сигналов.

Рассмотрим несколько случаев передачи сигналов. Пусть в системе возможно только одно событие. Свяжем с реализацией события сигнал. Тогда n = 1 и количество полученной информации I = 0. Если n = 2 и p₁ = p₂ = 1/2 , то

I = – (1/2) log (1/2) – (1/2) log(1/2).

В случае двоичных логарифмов I = 1 – это значение и принято в качестве единицы измерения информации «бит».

Отметим, что данное определение информации не содержит семантического, т.е. смыслового, содержания сообщения. К понятию информации и возможным подходам к определению информации мы вернемся во второй части пособия в теме «Информационные технологии», а пока дадим практическое (обыденное) определение информации. Информация – это сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, передачи и обработки в системе социальных коммуникаций. Отметим, что данное определение информации охватывает все формы социальной деятельности человека: науку, управление, просвещение, производство, сферу mass media.

Термин «информатика» (от фр. Informatique) введен в начале 70-х гг. XX в. французскими специалистами. Американцы используют свой термин – Computer Science – для обозначения науки о способах обработки, накопления и передачи информации в социальной среде. Таким образом, принципиальное отличие информатики от кибернетики в том, что информатика рассматривает информацию только в системе социальных коммуникаций.

Информатика базируется на вычислительной технике. Отсюда три ее составляющие части:

– техническое обеспечение;

– алгоритмическое обеспечение;

– программное обеспечение.

В следующих главах мы дадим общую характеристику технического и программного обеспечения информатики, а пока рассмотрим, какие задачи решает информатика. Чтобы лучше понять предмет и задачи информатики, сравним две науки – кибернетику и информатику.

1. Кибернетика изучает общие законы движения информации. Информатика изучает технологию – т.е. конкретные способы обработки, передачи и использования информации.

2. К области информатики относятся информационные технологи и только в социальных системах.

3. Кибернетика моделирует различные системы, а информатика занимается информационной «начинкой» моделей, технологией их разработки и машинного применения.

4. Развитие кибернетики связано с передачей функций интеллекта техническим, искусственным устройствам, с воспроизведением функций живых организмов неживыми объектами. Развитие информатики подчинено технологическому использованию вычислительных машин и устройств, превращению «бумажной» информатики в «человеко-машинную».

До середины XX в. человечество располагало лишь производственными технологиями, связанными с преобразованием вещества и энергии. В наше время человечество переживает научно-техническую революцию, материальной основой которой является электронно-вычислительная техника. На базе этой техники появился новый вид технологий – информационные технологии. К ним относятся процессы, в которых основой, сырьем переработки и выдаваемой продукцией является информация. Конечно, переработка информации связана с определенными материальными носителями и, следовательно, эти процессы включают также переработку вещества и преобразование энергии, но главную роль здесь играет информация.

Как известно, информационные технологии возникают не сами по себе, а в результате технологизации того или иного процесса. Настоящий период развития общества можно определить как период информационного кризиса. Количество информации, производимое в обществе, удваивается каждые 8 – 12 лет. Известный советский ученый И. Шкловский утверждал еще в 70-е гг. XX в., что нашей цивилизации грозит перепроизводство информации, которое может парализовать общественную и экономическую жизнь – такую ситуацию он назвал «информационным коллапсом» по аналогии с процессом схлапывания звезд.

Ежегодно в мире публикуются сотни тысяч книг, миллионы статей, отчетов, инструктивных указаний и пр. По данным ЮНЕСКО мировой фонд научных изданий превышает 200 миллионов. За последние 70 лет в мире накоплено более 20 миллионов патентов.

В работе [5] приводятся материалы из статьи английского физика Херрингса, анализирующего объемы научных публикаций в различные периоды (рис.1).

Рис. 1. Анализ объемов публикаций за различные периоды времени

Из графиков, представленных Херрингсом, видно, что в 1937 г. специалист в определенной области науки в состоянии был прочитать всю мировую литературу, публикуемую в этой области, а к 1967 г. он мог прочитать только малую часть всех публикаций. Причем физическая невозможность прочитать всю публикуемую в данной области литературу – не единственная проблема, которая возникает в области обработки информации. Существует большое число факторов, делающих эту проблему еще более острой [5]. Среди них межъязыковые факторы, проявляющие себя в том, что в потоке мировой научно-технической литературы все более увеличивается доля публикаций на таких языках, которыми не владеет подавляющее большинство ученых и специалистов, например на итальянском, чешском, датском, хинди и др.

Не меньшим негативным характером обладают внутриязыковые факторы, т.е. терминологические. В результате специализации терминологии специалисты разных отраслей науки и техники все в меньшей степени понимают друг друга, причем не только специалисты разных отраслей, но и специалисты, работающие в близких, смежных областях науки.

Существуют факторы, которые можно назвать надъязыковыми, усложняющие коммуникацию между учеными, занимающимися разработкой фундаментальных проблем, и специалистами, решающими прикладные задачи. Создание принципиально новых устройств и технологий требует углубленного проникновения в фундаментальные области знания. Этот процесс порождает концепции, которые значительная часть инженеров не в состоянии подчас понять и преломить в своей практической работе.

Следующая группа факторов, препятствующих движению информации, – это социально-экономические. К ним следует отнести политические, экономические, бюрократические факторы.

Немаловажное значение имеют и факторы психологические, то, что Энгельс называл «барьерным сознанием» – когда «человек ищет только то, о чем он думает, что оно существует и что ему нужно» [5].

Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно так определить главную функцию информатики: обоснование средств и методов технологизации информационно-коммуникативных процессов, т.е. их качественная перестройка на базе вычислительной техники, математического моделирования, программного управления.