Формы представления информации, ее виды и свойства

ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИЯ

Содержание:

Введение в информатику. Информатика как наука

Понятие информации

Формы представления информации, виды и свойства

Кодирование информации

Системы счисления

Двоичная арифметика

Алгоритмы перевода чисел из одной системы в другую

ЭВМ и двоичная система счисления

Введение в информатику. Информатика как наука

Фундаментальной чертой цивилизации является рост производства, потребления и накопления информации во всех отраслях человеческой деятельности. Вся жизнь человека так или иначе связана с получением, накоплением и обработкой информации. Что бы человек ни делал: читает ли книгу, смотрит ли телевизор, разговаривает ли - он постоянно и непрерывно получает и обрабатывает информацию.

Для нашего века - века автомобиля, электричества, авиации, атомной энергии, космонавтики, электронной техники - характерна небывалая скорость развития науки, техники и новых технологий. Так, от изобретения книгопечатания (середина XV века) до изобретения радиоприемника (1895 год) прошло около 440 лет, а между изобретением радио и телевидения - около 30 лет. Разрыв во времени между изобретением транзистора и интегральной схемы составил всего 5 лет.

В области накопления научной информации ее объем, начиная с XVII века, удваивался примерно каждые 10-15 лет. Поэтому одной из важнейших проблем человечества является лавинообразный поток информации в любой области его жизнедеятельности. Подсчитано, например, что в настоящее время специалист должен тратить около 80% своего рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми печатными работами в его области деятельности. Увеличение информации и растущий спрос на нее обусловили появление отрасли, связанной с автоматизацией обработки информации - ИНФОРМАТИКИ.

Информатика как понятие прочно вошло в нашу жизнь, стало одним из синонимов научно-технического прогресса. Слово это появилось в начале 60-х годов во французском языке для обозначения автоматизированной обработки информации в обществе.

Информатика (от французского information - информация и automatiquе - автоматика) - область научно-технической деятельности, занимающаяся исследованием процессов получения, передачи, обработки, хранения, представлением информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологии во всех сферах общественной жизни, - одно из главных направлений научно-технического прогресса.

 

Информатика - научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности всех процессов обмена информацией от непосредственного устного и письменного общения специалистов до формальных процессов обмена посредством различных носителей информации. Значительную часть этих процессов составляет научно-информационная деятельность по сбору, переработке, хранению, поиску и распространению информации.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей, в соответствии с которыми происходит создание новой информации, ее преобразование, передача и использование в различных сферах деятельности человека. Прикладные задачи заключаются в разработке более эффективных методов и средств осуществления информационных процессов, в определении способов оптимальной научной коммуникации с широким применением технических средств.

Информатика исследует следующие группы основных вопросов:

· технические, связанные с изучением методов и средств надежного сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации;

· семантические, определяющие способы описания смысла информации, изучающие языки ее описания (ваш жаргон: комп, винт и т.д.);

· прагматические, описывающие методы кодирования информации (описание – слова, законы – формулы);

· синтаксические, связанные с решением задач по формализации и автоматизации некоторых видов научно-информационной деятельности, в частности, индексирование, автоматическое реферирование, машинный перевод (многоуровневый список).

 

В структуре информатики как науки выделяют алгоритмическую, программную и техническую области. Смежными дисциплинами с информатикой являются кибернетика и вычислительная техника, которые во многих случаях решают общие задачи, связанные с переработкой информации.

Стержневым направлением и предметом информатики является разработка автоматизированных информационных технологий на основе использования ПК в науке, культуре и т.д., высокая эффективность применения, быстрота окупаемости расходов на внедрение новых информационных технологий на базе компьютерной техники.

Применение электронно-вычислительных машин послужило основой для создания информационной технологии, позволяющей не только накапливать, хранить, перерабатывать информацию, но и получать новую информацию, новые знания. В этом состоит коренное отличие возможностей ЭВМ от возможностей любой другой информационной техники - средств связи, проекционной аппаратуры, телевидения и др.

Понятие информации

"Нет, пожалуй, в науке, практике современности понятия распространеннее, нежели понятие "информация". И нет в то же время другого понятия, по поводу которого ведется столько споров, дискуссий, имеется столько различных точек зрения...",- утверждает российский ученый В.Г. Афанасьев

Накопление человечеством опыта и знаний при освоении природы смешалось с освоением информации.

Информация в переводе с латинского языка означает: разъяснение, изложение чего-либо или сведения о чём-либо. Такое понятие, как обработка информации, появилось совсем недавно, но обрабатывать информацию люди начали ещё в древние времена.

Сначала из поколения в поколение информация передавалась устно. Это были сведения о профессиональных навыках, например, о приёмах охоты, обработки охотничьих трофеев, способах земледелия и др. Но затем информацию стали фиксировать в виде графических образов окружающего мира. Так, первые наскальные рисунки, изображающие животных, растения, людей, появились примерно 20-30 тыс. лет назад.

Начатый поиск более современных способов фиксирования информации привёл к появлению письменности. Вначале люди записывали расчёты с покупателями, а затем написали и первое слово. На чём только они ни писали! В Индии - на пальмовых листьях, в Вавилоне - на глиняных плитках, на Руси пользовались берестой. Как видим, письменность - новый шаг человечества в области хранения и передачи информации. Однако первым революционным явлением в этой сфере стало изобретение печатного станка, благодаря которому появилась книга и, таким образом, стало возможно массовое тиражирование профессиональных знаний, зафиксированных на материальном носителе.

Сегодня потоки книг, сливаясь с потоками технической документации и многотомной справочной литературы, образуют океаны информации. Эту информацию необходимо хранить и передавать потребителю, для чего нужен мобильный и ёмкостный носитель.

Но книга является неудобным, сложным, дорогим, а главное, "медленным" носителем информации. Вся многогранность содержания раскрывается человеку при перелистывании, чтении и рассматривании книги. Таким образом, она не может непосредственно влиять на производственный процесс. Сначала человеку необходимо найти нужную ему книгу, освоить накопленные в ней знания, которые позже смогут дать толчок дальнейшему развитию производства. Хранение книг требует громадных зданий и специальных климатических условий, а их доставка потребителю сопряжена с дорогостоящим размножением во множестве экземпляров и объёмными транспортными перевозками. Книга как носитель информации сегодня уже отстаёт от стремительного продвижения человечества по пути освоения природы.

Революционное изобретение XX века - Электронная Вычислительная Машина (ЭВМ). Она-то и является носителем информации и средством доставки её потребителю. В совокупности с линиями связи ЭВМ делает доступной и мобильной любую часть гигантского объёма информации, которая без непосредственно воздействия на человека может влиять на работу производственного оборудования, например, на станки c программным управлением. На заводах внедряются автоматизированные линии и даже целые автоматизированные производства.

Начала общей теории информации

 

Существует множество определений информации, что обусловлено сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию сущности этого понятия. Из множества определений информации наиболее целесообразным представляется следующее:

Информация - это сведения, снимающие неопределенность об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования. Сведения - это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т.д.

Особенность информации в том, что, будучи материальным явлением, она не является ни материей, ни энергией. В кибернетическом смысле информация - это отражение одного объекта в другом, используемое для формирования управленческих воздействий. Использование информации в управлении и самоуправлении опирается на наличие связи между объектами системы, источниками информации и ее получателями. При этом сила и целенаправленность влияния информации на получателя зависит от степени соответствия характеристик информации (синтаксических, семантических, прагматических) возможностям и потребностям получателя. Структура сообщений, их смысл и практическая ценность всегда ориентированы на определенного получателя.

Обмен информацией совершается не вообще между любыми объектами, а только между теми из них, которые представляют собой систему, обладающую каким-то минимумом организованности (Наша лекция, Internet).

В целом, возникновение и развитие теории информации, а также кибернетики и информатики явилось научным подтверждением теории отражения и способствовало ее дальнейшему развитию

Формы представления информации, ее виды и свойства

В своей повседневной деятельности люди широко используют различные виды информационной техники радио, телевидение, магнитофоны, телеграфию, вычислительную технику, мобильные телефоны. Сигналы, передаваемые по радио и телевидению, а также используемые в магнитной записи, имеют форму непрерывных, быстро изменяющихся во времени кривых линий. Такие сигналы называются непрерывными или аналоговыми сигналами. В противоположность этому в телеграфии и вычислительной технике сигналы имеют импульсную форму и именуются дискретными сигналами

Формы представления информации и ее виды

Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что информация передается в двух формах

• дискретная форма представления информации - это последовательность символов, характеризующая прерывистую, изменяющуюся величину (азбука Морзе);

• аналоговая или непрерывная форма представления информации - это величина, характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков (переменный ток в виде синусоиды).

Все многообразие окружающей нас информации можно сгруппировать по различным признакам. Информацию разделяют на:

1. Структурную (или связанную), присущую объектам неживой и живой природы естественного и искусственного происхождения (Здание: котлован, фундамент, этажи, крыша).

2. Оперативную (или рабочую), циркулирующую между объектами материального мира и используемую в процессах управления в живой природе, в человеческом обществе (лекция, данные разведки)

Различают виды информации по способу передачи и восприятия. Информацию, передаваемую видимыми образами и символами, называют визуальной, звуками - аудиальной, ощущениями - тактильной, запахами и вкусами - органолептической, информацию, выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, - машинной.

Разнообразие источников и потребителей информации привело к существованию различных форм ее представления символьной, текстовой и графической.

1. Символьная форма, основанная на использовании символов - букв, цифр, знаков и т.д., является наиболее простой, но она практически применяется только для передачи несложных сигналов о различных событиях. Примером может служить зеленый свет уличного светофора, который сообщает о начале движения пешеходам или водителям автотранспорта

2. Более сложной является текстовая форма представления информации. Здесь так же, как и в предыдущей форме, используются символы буквы, цифры, математические знаки. Однако информация заложена не только в этих символах, но и в их сочетании, порядке следования. Так, слова "КОТ" и "ТОК" имеют одинаковые буквы, но содержат различную информацию. Благодаря взаимосвязи символов и отображению речи человека текстовая информация чрезвычайно удобна и широко используется в различной деятельности (книги, брошюры, журналы, различного рода документы, аудиозаписи и т д)

3. Наиболее емкой и сложной является графическая форма представления информации. К этой форме относятся фотографии, схемы, чертежи, рисунки, играющие большое значение в деятельности человека

Переходя к рассмотрению свойств информации, необходимо отметить, что информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатлеются в его структуре (возможно, в измененном виде)

Свойства информации

Свойства информации можно рассматривать в трех аспектах технической - это точность, надежность, скорость передачи сигналов и т.д., семантической - это передача смысла текста с помощью кодов и прагматической - это уровень эффективности влияния информации на поведение объекта.

Рассмотрим свойства информации, т.е. ее качественные признаки

Лекция 2

1. Объективность информации. Информация — это отражение внешнего мира, а он существует независимо от нашего сознания и желания. Поэтому в качестве свойства информации можно выделить ее объективность. Информация объективна, если она не зависит от чьего-либо мнения, суждения.

Пример: Сообщение «На улице тепло» несет субъективную информацию, а сообщение «На улице 22^°С» — объективную (если термометр исправен). Объективную информацию можно получить с помощью исправных датчиков, измерительных приборов. Но, отражаясь в сознании конкретного человека, информация перестает быть объективной, так как преобразовывается (в большей или меньшей степени) в зависимости от мнения, суждения, опыта, знания или «вредности» конкретного субъекта

2. Достоверность информации. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной (Передача информации от одного человека другому, например, объяснение теоремы Пифагора). Достоверная информация помогает принять нам правильное решение. Недостоверной информация может быть по следующим причинам

•преднамеренное искажение (дезинформация),

•искажение в результате воздействия помех («испорченный телефон»),

•значение реального факта преуменьшается или преувеличивается (слухи, рыбацкие истории)

3. Полнота информации, информацию можно назвать полной, если ее достаточно для понимания и принятия решения.

Например, мечта историка — иметь полную информацию о минувших эпохах. Но историческая информация никогда не бывает полной и полнота информации уменьшается по мере удаленности от нас исторической эпохи. Даже события, происходившие на наших глазах, не полностью документируются, многое забывается, и воспоминания подвергаются искажению.

Неполная информация может привести к ошибочному выводу или решению. Не зря русская пословица гласит «Недоученный хуже неученого»

4. Актуальность (своевременность) информации — важность, существенность для настоящего времени. Только вовремя полученная информация может принести необходимую пользу. Неактуальной информация может быть по двум причинам она может быть устаревшей (прошлогодняя газета) либо незначимой, ненужной (например, сообщение о том, что в Италии снижены цены на 5%).

5. Полезность или бесполезность (ценность) информации. Так как границы между этими понятиями нет, то следует говорить о степени полезности применительно к нуждам конкретных людей. Полезность информации оценивается по тем задачам, которые мы можем решить с ее помощью.

Самая ценная для нас информация—достаточно полезная, полная, объективная, достоверная и новая. При этом примем во внимание, что небольшой процент бесполезной информации даже помогает, позволяя отдохнуть на неинформативных участках текста. А самая полная, самая достоверная информация не может быть новой.

С точки зрения техники свойство полезности рассматривать бессмысленно, так как задачи машине ставит человек

Кодирование информации

В настоящее время разнообразная по своему значению информация, зафиксированная на специальных носителях, стала национальным богатством нового типа - информационным ресурсом государства. Являясь предметом купли-продажи во все времена, информация имеет свои специфические особенности. При обмене информацией ее количество увеличивается "Если у вас есть по яблоку, и вы обменяетесь ими, у вас опять будет по яблоку, но если у вас есть по идее и вы обменяетесь, то у каждого их будет по две". Общение людей, информирование друг друга приводит к их сближению, повышению интеллектуального потенциала. У информационных ресурсов есть уникальное свойство - они не убывают от интенсивного использования. Более того, в процессе применения они постоянно развиваются и совершенствуются, избавляясь от ошибок и уточняя свои параметры.

В определении практической ценности информации нет каких-либо точных количественных параметров. Да и определить их нелегко, поскольку ценность зависит от полезности информации для множества конкретных людей, ее получателей и пользователей. Ценность информации принято определять величиной тех потерь, которые эта информация предотвращает, или величиной затрат на добывание этой информации.

Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью оценки качества и определения количества получения информации. Определить качество информации чрезвычайно сложно, а часто и вообще невозможно. Какие-либо сведения, например исторические, могут десятилетиями считаться ненужными, и вдруг их ценность может резко возрасти. Вместе с этим определить количество информации не только нужно, но и можно. Это, прежде всего, необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом массивы информации, определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитная лента и.т.д.), хранящие эту информацию.

Для определения количества информации нужно найти способ представить любую ее форму (символьную, текстовую, графическую) в едином виде. Иначе говоря, надо суметь эти формы информации преобразовать так, чтобы она получила единый стандартный вид. Таким видом стала так называемая двоичная форма представления информации. Она заключается в записи любой информации в виде последовательности только двух символов.

Эти символы могут на бумаге обозначаться любым способом буквами А, Б, словами ДА, НЕТ. Однако, ради простоты записи, взяты цифры 1 и 0. В электронном аппарате, хранящем, либо обрабатывающем информацию, рассматриваемые символы могут также обозначаться по-разному один из них - наличием в рассматриваемой точке электрического тока, либо магнитного поля, второй - отсутствием в этой точке электрического тока, либо магнитного поля.

Методику представления информации в двоичной форме можно пояснить, проведя следующую игру. Нужно у собеседника получить интересующую нас информацию, задавая любые вопросы, но получая в ответ только одно из двух: ДА либо НЕТ. Известным способом получения во время этого диалога двоичной формы информации является перечисление всех возможных событий. Рассмотрим простейший случай получения информации. Вы задаете только один вопрос "Идет ли дождь?" При этом условимся, что с одинаковой вероятностью ожидаете ответ "ДА" или "НЕТ". Легко увидеть, что любой из этих ответов несет самую малую порцию информации. Эта порция определяет единицу измерения информации, называемую БИТОМ. Благодаря введению понятия единицы информации появилась возможность определения размера любой информации числом битов. Образно говоря, если, например, объем грунта определяют в кубометрах, то объем информации - в битах. Условимся каждый положительный ответ представлять цифрой 1, а отрицательный - цифрой 0. Тогда запись всех ответов образует многозначную последовательность цифр, состоящую из нулей и единиц, например 0100.

Рассмотренный процесс получения двоичной информации об объектах исследования называют кодированием информации.

Кодирование информации перечислением всех возможных событий очень трудоемко. Поэтому на практике кодирование осуществляется более простым способом. Он основан на том, что один разряд последовательности двоичных цифр имеет 2 значения, добавление еще одного разряда увеличивает вдвое различных значений - 00, 01, 10, 11, - чем одноразрядная (0 и 1). Трехразрядная последовательность имеет также вдвое больше значений - 000, 001, 010,1 011, 100, 101, 110, 111, - чем двухразрядная, и т.д. Добавление одного разряда увеличивает число значений вдвое, это позволяет составить следующую таблицу информационной емкости чисел.

Табл. 1.2. Информационная емкость чисел

 

Количество двоичных разрядов

Количество двоичных значений

Пользуясь вышеприведенной таблицей, легко закодировать любое множество событий. Например, нам нужно закодировать 32 буквы русского алфавита, для этой цели достаточно взять пять разрядов, потому что пятиразрядная последовательность имеет 32 различных значения. В информационных документах широко используются не только русские, но и латинские буквы, цифры, математические знаки и другие специальные знаки всего примерно 200-250 символов. Поэтому для кодировки всех указанных символов используется восьмиразрядная последовательность цифр 0 и 1. Например, русские буквы представляются восьмиразрядными последовательностями следующим образом: А - 11000001, И- 11001011, Я- 11011101.

На ЭВМ данные представляются битами. Бит может иметь одно из двух значений - 0 или 1. Принято информационную единицу, образуемую последовательностью из 8 бит, называть байтом (1 байт = 8 бит). Последовательность бит образует число в двоичной системе счисления. В нашем случае в одном байте мы можем хранить максимальное число, равное 11111111, что при переводе в десятичную систему исчисления обозначает 255.

Машинное «слово», комбинация из восьми бит — это байт. Один байт уже может нести в себе информацию об одной букве, цифре, печатном знаке и так далее.

Если бит — это атом, то байт — целая молекула.

Группа из 8 бит уже может обозначать какой-либо осмысленный знак. Ведь число комбинаций бит в байте — 256 (2 в степени 8). От нуля (в двоичной системе это 00000000) до 255 (11111111). А этого хватит для отображения и цифр, и букв, причем сразу нескольких алфавитов!

Для перевода значений отдельных байтов в понятные человеку знаки (буквы и цифры) компьютер использует специальные «кодовые таблицы», в которых каждому знаку сопоставлен байт с определенным значением.

Впрочем, измерять компьютерную информацию байтами тоже накладно — слишком большие объемы получатся! Вот почему на практике в компьютерном мире оперируют такими величинами:

• килобайт (кб) = 2¹⁰ байт = 1024 байт;

• мегабайт (Мб) — 2²⁰ байт = 1 048 576 байт = 1024 кб;

• гигабайт (Гб) - 2³⁰ байт = 1 073 741 824 байт =

Кб - 1024 Мб;

• терабайт (Тб) = 2⁴⁰ байт = 1 099 511627 776 байт = 1 073 741 824 кб = 1 048 576 Мб = 1024 Гб;

• петабайт (Пб) - 2⁵⁰ байт =1 125 899 906 842 624 байт -1099 511 627 776 кб = 1 073 741 824 Мб =

Гб - 1024 Тб

Биты используются в компьютерной терминологии значительно реже, — например, в показателях скорости передачи данных:

• килобит (кбит) — 2 в степени 10 бит — 1024 бит — 128 байт;

• мегабит (Мбит) — 2 в степени 20 бит — 1 048 576 бит — 1024 кбит - 128 кб;

• гигабит (Гбит) — 2 в степени 30 бит — 1 073 741 824 бит — 1 048 576 кбит — 1024 Мбит — 128 Мб.

Системы счисления

Позиционные и непозиционные системы счисления

Автоматические цифровые вычислительные машины работают с информацией, заданной числами, представленной в виде специальных кодов в принятой для данной машины системе счисления

Система счисления - это совокупность приемов наименования и обозначения чисел.

Различаются непозиционные и позиционные системы счисления

Системы счисления, в которых каждой цифре соответствует величина, не зависящая от местонахождения этой цифры в записи числа, называются непозиционными

В непозиционной системе счисления выделяются знаки, которыми записываются узловые числа. Все же остальные числа получаются путем прибавления или вычитания одних узловых чисел из других Примером такой системы счисления может служить римская система счисления, где числа записываются при помощи цифр I, V, X, L, С, D, М

IV – четыре VI - шесть

Системы счисления, в которых вклад каждой цифры в величину числа зависит от ее положения (позиция) в последовательности цифр, изображающей число, называются позиционными.

В позиционных системах счисления любое число изображается в виде последовательности цифр и знаков. Количественное значение числа зависит от того, какое место (позицию) занимает каждая из цифра и знак в числе. Пример такой системы - десятичная система счисления, где числа записываются при помощи цифр 0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Количество различных цифр, используемых для изображения чисел в позиционной системе счисления, называют ее основанием.

Т.е. если в системе счисления для изображения чисел используется r различных между собой цифр, обозначающих целые числа, то основанием этой системы будет число r, являющееся целым положительным числом.

Рассмотрим последовательность цифр, изображающую некоторое число

 

,а_-1 … а_-m (1.1)

 

Если в заданном числе перенумеровать позиции, занимаемые цифрами, индексом i, то увидим, что он пробегает последовательность значений, лежащую в пределах -m=<i=<n-l, где n - количество цифр, изображающих целую часть числа, m - количество цифр, изображающих дробную часть числа.