2. Теория информации
Как было отмечено выше, формирование любой фундаментальной науки требует решения 3-х основных задач:
- определение предметной области;
- создания системы основных понятий и аксиоматики;
- разработка математического аппарата.
2.1 Исходные понятия теории информации
Любая наука начинается со строгих определений используемых ею понятий и терминов. Было бы вполне разумным начать изложение основ теории информации именно с точного определения информации.
В Энциклопедии кибернетики дано следующее определение: «информация (informatio, лат. – разъяснение, изложение, осведомленность) одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний и т.п.»
В широком смысле «информация» - это отражение реального мира; в узком смысле – это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.
Как правило, в естественнонаучных дисциплинах считается целесообразным вводить в научный язык только те величины, которые задаются описанием способа нахождения количественной меры, характеризующей это понятие. (Например, скорость – это перемещение материальной точки за единицу времени S/t, т.е. есть способы измерения перемещения S и времени t, а их отношение определяет новую величину).
Такой способ определения понятий называется операционным, и ему отдается предпочтение в научном знании, поскольку он обеспечивает однозначность и объективность, чего трудно добиться для категорий, не имеющих меры (например, «доброта» или «совесть»).
Но для такого определения понятия «информация» необходимо отделить ее от семантической (смысловой) основы, то есть не рассматривать содержательную сторону информации. Оценка смысла и ценности одной и той же информации различными людьми будет различной.
Операционное определение информации будет дано позже. Пока отметим следующую особенность, которой обладает любая информация – это категория нематериальная.
Следовательно, для существования и распространения в материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой – без нее информация не может проявиться, передаваться и сохраняться.
Материальный объект или среда, служащие для представления или передачи информации называют материальным носителем. Материальным носителем может быть бумага, воздух, лазерный диск, электромагнитное поле.
При этом хранение информации связано с некоторой характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, например, намагниченность области поверхности диска, буква на бумаге.
А передача информации, наоборот, связана с характеристикой, которая меняется с течением времени, например, амплитуда колебаний звуковой волны или напряжение в проводах.
Другими словами, хранение информации связано с фиксированным состоянием носителя, а распространение – с процессом, который протекает в носителе.
Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или другую основу – главное, что они материальны.
Однако не с любым процессом можно связать информацию. Так, стационарный процесс (процесс с неизменной во времени характеристикой), информацию не переносит. Например, постоянный электрический ток, ровное горение лампы, равномерный гул – они содержат лишь ту информации, что процесс идет, что-то функционирует.
Иное дело, если лампу будем включать/выключать – чередованием вспышек и пауз можно представить и передать информацию (например, посредством азбуки Морзе).
Таким образом, для передачи необходим нестационарный процесс, то есть процесс, характеристики которого могут изменяться. При этом сама информация связывается не течением процесса, а с изменением какой-либо его характеристики.
Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерений, называется параметром сигнала.
Примеры процессов, используемых для передачи информации и связанных с ним сигналов, приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Процессы, используемые для передачи информации
Способы передачи |
Процесс |
Параметры сигнала |
Звук |
Звуковые волны |
Высота и громкость звука |
Радио, ТВ |
Радиоволны |
Частота, амплитуда или фаза радиоволны |
Изображение |
Световые волны |
Частота и амплитуда световых волн |
Телефон, компьютерная сеть |
Электрический ток |
Частота и амплитуда электрических колебаний в линиях связи |
Однако одиночный сигнал не может содержать много информации. Для передачи информации используется ряд следующих друг за другом сигналов.
Последовательность сигналов называется сообщением.
Таким образом, информация от источника к приемнику передается в виде сообщения. Можно сказать, что сообщение выступает в качестве материальной оболочки для представления информации при передаче.
Следовательно, сообщение служит переносчиком информации, а информация является содержанием сообщения.
Соответствие между сообщением и содержащейся в нем информацией называется правилом интерпретации сообщения.
Это соответствие может быть однозначным и неоднозначным.
В первом случае сообщение имеет лишь одно правило интерпретации. (Например, по последовательности точек, тире и пауз в азбуке Морзе однозначно восстанавливается переданная буква).
Неоднозначность соответствия между сообщением и информацией возможна в двух случаях:
одна и та же информация может передаваться различными сообщениями (например, прогноз погоды по ТВ, радио, газета, телефон);
одно и тоже сообщение может содержать различную информацию для разных приемников (например, в 1936 г. фраза по радио «Над всей Испанией безоблачное небо»).
Информационный процесс – это изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения.
Различных видов информационных процессов немного:
- порождение (создание) новой информации;
- преобразование информации (то есть порождение новой информации в результате обработки имеющейся);
- уничтожение информации;
- передача информации (распространение в пространстве).
На самом деле все перечисленные события происходят не непосредственно с самой информацией, а с сообщением, то есть ее материальной оболочкой. И с этих позиций возможно только два типа процессов (таблица 2.2):
- изменение сообщения с сохранением содержащейся в нем информации;
- изменение сообщения, сопровождающееся преобразованием информации.
Рассмотрим вопросы, связанные с хранением информации. Хранение связывается с фиксацией параметра материального носителя, который далее с течением времени не меняется. Следовательно, запись информации на носитель и ее последующее считывание подпадают под определение информационного процесса, но само хранение – нет.
Таблица 2.2 Виды информационных процессов
-
С сохранением
С преобразованием
- передача информации без потерь
- создание /уничтожение
- обратимая перекодировка
- необратимая перекодировка
- передача с потерями
- обработка с появлением новой информации
(Хранение можно было назвать информационным состоянием, однако такого понятия в информатике нет).
С передачей информации связана еще одна пара исходных сопряженных понятий – источник и приемник информации.
Источник информации – это субъект или объект, порождающий информацию и представляющий ее в виде сообщения.
Приемник информации – это субъект или объект, принимающий сообщение и способный правильно его интерпретировать.
Сочетание «субъект/объект» означает, что источники и приемники информации могут быть одушевленными или неодушевленными.
Для того чтобы объект являлся источником информации, он должен не только ее породить, но и иметь возможность инициировать какой-то нестационарный процесс и связать информацию с его параметрами (то есть создать сообщение).
Например, если человек что-то придумал, но держит это в своей голове, он не является источником информации; однако он им становится, как только свою идею изложит на бумаге (текст, рисунок, схема и прочее) или выскажет словами.
В определении приемника информации важным представляется то, что факт приема сообщения еще не означает получение информации;
Информация может считаться полученной только в том случае, если приемнику известно правило интерпретации сообщения. Другими словами, понятия «приемник сообщения» и «приемник информации» не тождественны. Например, слыша речь на незнакомом языке, человек оказывается приемником сообщения, но не приемником информации.
Для связи с внешним миром у человека 5 органов чувств. Следовательно, воспринимать сообщение можно посредством одного/группы органов, но это не означает, что человек может использовать для передачи/приема информации иные процессы, им не воспринимаемые (например, радиоволны).
В этом случае человек-источник использует промежуточное устройство, преобразующее его сообщение в радиоволны – радиопередатчик, а человек-приемник – другое промежуточное устройство – радиоприемник, преобразующий радиоволны, в звук. Такой подход расширяет возможности человека в осуществлении приема/передачи информации (рисунок 2.1).
