1. Информация, ее свойства, измерение, представление и кодирование

1.1. Информатика — предмет и задачи

Термин "информатика" возник в 60-х годах ХХ века во Франции для названия области человеческой деятельности, посвященной автоматизированной обработке информации с помощью электронных вычислительных машин. Слово информатика (informatique) образовано слиянием слов информация (information) и автоматика (automatique) и означает "автоматизированная переработка информации". В англоязычных странах этому выражению соответствует термин computer science (наука о компьютерной технике).

Ясно, что не создание компьютера следует считать отправной точкой в возникновении информатики, а решение общих методологических принципов построения и развития информационных моделей, изучение структуры и общих свойств информации, закономерностей информационных процессов.

Информатика — молодая наука, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности, преимущественно с использованием компьютеров.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации. Объектом приложения информатики также являются самые различные науки и области практической деятельности. Опишем составные части "ядра" современной информатики.

Фундаментальной основой информатики является математика. Ее раздел — математическая логика — основа многих построений в информатике. Из других разделов математики используются теории алгоритмов и автоматов, кодирования, формальных языков и грамматик, исследование операций.

В ряде случаев информатика опирается на лингвистику, например, при создании языков программирования высокого уровня; взаимодействует с философией в проблемах, связанных с фундаментальными свойствами информации, и с социологией в проблемах социальной информатики.

К настоящему времени информатика еще "не состоялась" как фундаментальная наука, ибо еще не открыты научные законы, связанные с информацией, нет общепринятого определения базовых понятий информации и информационного процесса. Даже из определения информатики следует, что это область технологическая, инженерная. Ей присущи черты и других групп наук — технических и гуманитарных.

С техническими науками ее роднят аспекты, связанные с созданием и функционированием машинных систем обработки информации. Именно, в состав информатики входят три взаимосвязанные части — технические средства (hardware), программные средства (software) и алгоритмические средства (brainware). Черты гуманитарной науки придает информатике ее участие в развитии и совершенствовании социальной среды, информационного общества и влияние на образ жизни людей в информационном обществе.

Итак, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания (рис. 1.1).

Р ис. 1.1. Роль и место информатики в системе наук

1.2. Информация, ее виды и свойства

Все данные материального мира несут в себе информацию о происходящих событиях, являясь по сути регистрацией сигналов, возникающих в результате этих событий. Но данные не тождественны информации. Во многих случаях для того, чтобы получить информацию об объекте, данные надо преобразовать. Это обработка данных. Для обработки данных обязательно применяется какой-нибудь метод.

Представление об информации различается в разных науках. В информатике это первичное понятие. Такие понятия вводятся аксиоматически, т. е. не определяются, а лишь поясняются. В простейшем бытовом понимании с термином "информация" обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т. п.

Информация — это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов обработки. Для передачи информации необходима какая-нибудь среда, которая называется каналом связи. Информация имеет некоторый набор свойств. Кроме того, она подразумевает некую возможность ее измерения в количественном или качественном плане.

Информация обладает рядом свойств, отличающих ее от других объектов природы.

Дуализм информации характеризует ее двойственность. С одной стороны информация объективна в силу объективности данных, с другой — субъективна, в силу субъективности применяемых методов. Понятие объективности и субъективности информации является относительным. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают подчас весьма разную информацию, хотя прочитанный текст, т. е. данные были одинаковы.

Полнота информации. Это свойство характеризует качество информации, т. е. степень достаточности данных для принятия решения. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределенности, в то же время избыточный набор создает повышенный информационный шум и вызывает необходимость применения дополнительных методов, например, фильтрации, сортировки и т. п.

Достоверность информации — это степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью, т. е. проблема разделения полезного сигнала и шумов. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается.

Адекватность информации есть степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Получение адекватной информации также затрудняется при недоступности адекватных методов.

Доступность информации — это возможность получения информации при необходимости. Доступность складывается из двух составляющих: из доступности данных и доступности методов.

Актуальность информации — это степень соответствия информации текущему моменту времени. Информация может устаревать. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям.

Информация в виде сообщения передается с помощью носителя информации в виде сигналов. Сигнал — это изменяющийся во времени физический процесс. Он может быть дискретным или непрерывным (рис. 1.2, а, б). Пример дискретного сообщения — процесс чтения книги, информация в которой представлена дискретной последовательностью букв. Пример непрерывного сообщения — человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Возможность дискредитации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер — цифровая машина, т. е. внутреннее представление информации в нем дискретно. Теоретическая база возможности дискретизации непрерывного сигнала заложена следующей теоремой.

Теорема 1.1 (теорема Котельникова¹). Если непрерывный сигнал имеет спектр, ограниченный сверху частотой , то этот сигнал полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал .

Из этой теоремы следует, что, во-первых, непрерывная информация может быть дискретизирована, во-вторых, что после дискретизации непрерывный сигнал может быть восстановлен точно.

Рис. 1.2. Непрерывный и дискретный сигналы

^

Информация передается в виде сообщений, т. е. данных. Данные — это зарегистрированные сигналы — объективная часть информации. Метод регистрации данных может быть любым: механическим, физическим, химическим и т. д. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях разных видов. Распространенными носителями являются бумага, магнитные ленты и диски, оптические диски (CD-ROM), фотографии. Любой носитель характеризуется разрешающей способностью (количество данных, записанных в принятой для носителя единице измерения) и динамическим диапазоном (логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального регистрируемого сигнала).

Различают следующие основные операции с данными:

• сбор данных — это накопление информации;

• формализация данных — приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме;

• фильтрация данных — уменьшение уровня шума, повышение уровня достоверности и адекватности;

• сортировка данных — упорядочение по заданному признаку с целью удобства;

• архивация данных — организация хранения в удобной и легкодоступной форме;

• защита данных — комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;

• транспортировка данных — прием и передача данных между участниками информационного процесса;

• преобразование данных — перевод их из одной формы в другую в связи с изменением, например, вида носителя.