Формы представления информации
Информатика
Задачи, связанные с хранением, передачей и обработкой информации, человеку приходилось решать во все времена: требовалось передавать знания из поколения в поколения, искать нужные книги в хранилищах, шифровать секретную переписку. К концу XIX века количество документов в библиотеках стало настолько велико, что возникла необходимость применить научный подход к задачам хранения и поиска накопленной информации. В это время зародилось новое научное направление, в котором изучалась документальная информация, т. е. информация в виде документов (книг, журналов, статей и т. п.). В английском языке оно получило название information science (информационная наука, наука об информации).
Применение компьютерной техники значительно увеличило возможности людей в области работы с информацией, позволив автоматизировать рутинную работу. Считается, что слово «информатика» в современном значении образовано в результате объединения двух слов: «информация* и «автоматика». Таким образом, получается «автоматическая работа с информацией». В английском языке существует близкое по значению выражение computer science (наука о компьютерах).
Современная информатика, которая стала самостоятельной наукой в 70-х годах XX века, изучает теорию и практику обработки информации с помощью компьютерных систем. Обычно к информатике относят следующие научные направления:
• теоретическую информатику (теорию информации, теорию кодирования, математическую логику, теорию автоматов и др.);
• вычислительную технику (устройство компьютеров и компьютерных сетей);
• алгоритмизацию и программирование (создание алгоритмов и программ);
• прикладную информатику (персональные компьютеры, прикладные программы, информационные системы и т. д.);
• искусственный интеллект (распознавание образов, понимание речи, машинный перевод, логические выводы, алгоритмы самообучения)
Что такое информация?
Латинское слово informatio переводится как «разъяснение», «сведения». В быту под информацией мы обычно понимаем любые сведения или данные об окружающем нас мире и о нас самих. Однако дать общее определение информации весьма непросто. Более того, в каждой области знаний слово «информация» имеет свой смысл.
Попробуем посмотреть на информацию с разных сторон и попытаться выявить некоторые её свойства.
Прежде всего информация «бестелесна», или нематериальна, она не имеет формы, размеров, массы. С этой точки зрения информация — это то содержание, которое человек с помощью своего сознания «выделяет» из окружающей среды.
Информация характеризует разнообразие (неоднородность) в окружающем мире.
Зачем вообще нам нужна информация? Дело в том, что наше знание всегда в чём-то неполно, в нём есть неопределенность. Например, вы стоите на остановке и не знаете, на каком именно автобусе вам нужно ехать в гости к другу (его адрес известен). Неопределённость мешает вам решить свою задачу. Нужный номер автобуса можно определить, например, по карте с маршрутами транспорта. Очевидно, что при этом вы получите новую информацию, которая увеличит знание и уменьшит неопределённость.
При получении информации уменьшается неопределённость знания.
Как получают информацию
Человек получает информацию через свои органы чувств: глаза, уши, рот, нос и кожу. Поэтому получаемую нами информацию можно разделить на следующие виды:
• зрительная информация (визуальная, от англ, visual) — поступает через глаза (по разным оценкам, это 80-90% всей получаемой нами информации);
• звуковая информация (аудиальная, от англ, audio) — поступает через уши;
• вкусовая информация — поступает через язык;
• обонятельная информация (запахи) — поступает через нос;
• тактильная информация — мы её получаем с помощью осязания (кожи), «на ощупь».
Формы представления информации
Информация может быть представлена (зафиксирована, закодирована) в различных формах:
• текстовая информация — последовательность символов (букв, цифр, других знаков); в тексте важен порядок их расположения, например КОТ и ТОК — два разных текста, хотя они состоят из одинаковых символов;
• графическая информация (рисунки, картины, чертежи, карты, схемы, фотографии и т. п.);
• звуковая информация (звучание голоса, мелодии, шум, стук, шорох и т. п.);
• мультимедийная информация, которая объединяет несколько форм представления информации (например, видеоинформация).
Обратим внимание, что одна и та же информация может быть представлена по-разному. Например, результаты измерения температуры в течение недели можно сохранить в виде текста, чисел, таблицы, графика, диаграммы, видеофильма и т.д.
В научной литературе информацию, зафиксированную (закодированную) в какой-то форме, называют данными, имея в виду, что компьютер может выполнять с ними какие-то операции, но не способен понимать смысл.
Для того чтобы данные стали информацией, их нужно понять и осмыслить, а на это способен только человек. Если человек, получающий сообщение, знает язык, на котором оно записано, он может понять смысл этого сообщения, т. е. получить информацию. Обрабатывая и упорядочивая информацию, человек выявляет закономерности — получает знания.
Свойства информации
В идеале информация должна быть:
• объективной (не зависящей от чьего-либо мнения);
• понятной для получателя;
• полезной (позволяющей получателю решать свои задачи);
• достоверной (полученной из надёжного источника);
• актуальной (значимой в данный момент);
• полной (достаточной для принятия решения).
Конечно, информация не всегда обладает всеми этими свойствами.
Материальный носитель — это объект или среда, которые могут содержать информацию.
Изменения, происходящие с информацией (т. е. изменения свойств носителя), называются информационными процессами. Все эти процессы можно свести к двум основным:
• передача информации (данные передаются с одного носителя на другой);
• обработка информации (данные изменяются).
Передача информации
При передаче информации всегда есть два объекта — источник и приёмник информации. Эти роли могут меняться, например во время диалога каждый из участников выступает то в роли источника, то в роли приёмника информации.
Информация проходит от источника к приёмнику через канал связи, в котором она должна быть связана с каким-то материальным носителем . Для передачи информации свойства этого носителя должны изменяться со временем. Например, если включать и выключать лампочку, то можно передавать разную информацию, например, с помощью азбуки Морзе.
 |
Информация поступает по каналу связи в виде сигналов, которые приёмник может обнаружить с помощью своих органов чувств (или датчиков) и «понять» (раскодировать).
Сигнал — это изменение свойств носителя, которое используется для передачи информации.
Скорость передачи данных — это количество битов (байтов, Кбайт и т. д.), которое передаётся по каналу связи за единицу времени (например, за 1 с).
Пропускная способность любого реального канала связи ограничена. Это значит, что есть некоторая наибольшая возможная скорость передачи данных, которую принципиально невозможно превысить.
Основная единица измерения скорости — биты в секунду (бит/с, англ, bps — bits per second). Для характеристики быстродействующих каналов применяют килобиты в секунду (Кбит/с) и мегабиты в секунду (Мбит/с), иногда используют байты в секунду (байт/с) и килобайты в секунду (Кбайт/с).
Информационный объём I данных, переданных по каналу за время t, вычисляется по формуле I = v • t, где и — скорость передачи данных. Например, если скорость передачи данных равна 512 000 бит/с, за 1 минуту можно передать файл объёмом
512 000 бит/с * 60 с = 30 720 000 битов = 3 840 000 байтов = 3075 Кбайт.
Обработка информации
Обработка — это изменение информации: её формы или содержания. Среди важнейших видов обработки можно назвать:
• создание новой информации, например решение задачи с помощью вычислений или логических рассуждений;
• кодирование — запись информации с помощью некоторой системы знаков для передачи и хранения; один из вариантов кодирования — шифрование, цель которого — скрыть смысл (содержание) информации от посторонних;
• поиск информации, например, в книге, в библиотечном каталоге, на схеме или в Интернете;
• сортировка — расстановка элементов списка в заданном порядке, например расстановка чисел по возрастанию или убыванию, расстановка слов по алфавиту; задача сортировки — облегчить поиск и анализ информации.
Хранение информации
Для хранения информации человек, прежде всего, использует свою память. Можно считать, что мозг — это одно из самых совершенных хранилищ информации, во многом превосходящее компьютерные средства.
В любом случае информация хранится на каком-то носителе, который обладает «памятью», т. е. может находиться в разных состояниях, переходить из одного состояния в другое при каком-то внешнем воздействии, и сохранять своё состояние.
При записи информации свойства носителя меняются: на бумагу наносятся текст и рисунки; на магнитных дисках и лентах намагничиваются отдельные участки; на оптических дисках образуются области, по-разному отражающие свет. При хранении эти свойства остаются неизменными, что позволяет потом читать (получать) записанную информацию.
Отметим, что процессы записи и чтения — это процессы передачи информации.
Что такое бит?
Рассмотрим электрическую лампочку, которая может находиться в двух состояниях: «горит» и «не горит». Тогда на вопрос «Горит ли сейчас лампочка» есть два возможных варианта ответа, которые можно обозначить цифрами 1 («горит») и 0 («не горит») (рис. 1.5). Поэтому ответ на этот вопрос (полученная информация) может быть записан как 0 или I1.
Цифры 0 и 1 называют двоичными, и с этим связано название единицы измерения количества информации — бит. Английское слово bit — это сокращение от выражения binary digit — «двоичная цифра». Впервые слово «бит» в этом значении использовал американский инженер и математик Клод Шеннон в 1948 г.
Бит — это количество информации, которую можно записать (закодировать) с помощью одной двоичной цифры.
А если возможных вариантов не два, а больше? Понятно, что в этом случае количество информации будет больше, чем 1 бит. Представим себе, что на вокзале стоят 4 одинаковых поезда , причём только один из них проследует в Москву. Сколько битов понадобится для того, чтобы записать информацию о номере платформы, где стоит поезд на Москву?
Очевидно, что одного бита недостаточно, так как с помощью одной двоичной цифры можно закодировать только два варианта — коды 0 и 1. А вот два бита дают как раз 4 разных сообщения: 00, 01, 10 и 11. Теперь нужно сопоставить эти коды номерам платформ, например, так: 1 — 00, 2 — 01, 3 — 10, 4 — 11. Тогда сообщение 10 говорит о том, что поезд на Москву стоит на платформе № 3. Это сообщение несёт 2 бита информации.
Три бита дают уже 8 вариантов: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. Таким образом, каждый бит, добавленный в сообщение, увеличивает количество вариантов в 2 раза.
I, битов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
N, вариантов 2 4 8 16 32 64 128 256 512 102
Наверно, вы заметили, что все числа в нижней строчке таблицы — это степени числа 2: N = 2 I .
Осталось выяснить, чему равно количество информации, если выбор делается, скажем, из 5 возможных вариантов (или из любого количества, не являющегося степенью числа 2). С точки зрения приведённого выше рассуждения случаи выбора из 5, 6, 7 и 8 вариантов не различаются — для кодирования двух двоичных цифр мало, а трёх — достаточно. Поэтому использование трёх битов для кодирования одного из 5 возможных вариантов избыточно, ведь три бита позволяют закодировать целых 8 вариантов! Значит, выбор из 5 вариантов даёт меньше трёх битов информации.
Чтобы количественно измерить разницу между, скажем, 5 и 8 вариантами, придется допустить, что количество информации в битах может быть дробным числом. При этом информация, полученная при выборе из 5 вариантов, больше, чем 2 бита, но меньше, чем 3 бита. Точную формулу для ее вычисления получил в 1928 г. американский инженер Ральф Хартли. Эта формула использует понятие логарифма :I=log2N.
Другие единицы
Считать большие объёмы информации в битах неудобно хотя бы потому, что придётся работать с очень большими числами (миллиардами, триллионами и т. д.). Поэтому стоит ввести более крупные единицы.
1 байт = 8 битов.
Сразу возникает вопрос: а почему не 10 битов? Дело в том, что слово «байт » (англ, byte) имеет второе значение — так называют наименьший блок (ячейку) памяти, который процессор компьютера может считать и обработать за один раз. Для современных компьютеров он состоит из 8 элементов, каждый из которых хранит 1 бит данных. Это связано с тем, что до недавнего времени при обработке текста использовался набор из 256 символов, так что для кодирования каждого символа было нужно 8 битов.
1Кбайт (килобайт) = 1024 байта = 2 10 байта = 2 13 битов.
1 Мбайт (мегабайт) = 1024 Кбайт = 2 10 Кбайт = 2 20 байтов = 2 23 битов.
Источник
Многоуровневый способ представления информации
Воспринимая информацию с помощью органов чувств, человек стремится зафиксировать ее так, чтобы она стала понятной и другим, представляя ее в той или иной форме.
Музыкальную тему композитор может наиграть на пианино, а затем записать с помощью нот. Образы, навеянные все той же мелодией, поэт может воплотить в виде стихотворения, хореограф выразить танцем, а художник — в картине.
Для этого вы пользуетесь визуальными средствами представления информации: числами, таблицей, рисунком.
Таким образом, информацию можно представить в различной форме:
- знаковой письменной, состоящей из различных знаков, среди которых принято выделять:
- символьную в виде текста, чисел, специальных символов (на
пример, текст учебника); - графическую (например, географическая карта);
- табличную (например, таблица записи хода физического эксперимента);
- в виде жестов или сигналов (например, сигналы регулировщика
дорожного движения); - устной словесной (например, разговор).
- в виде жестов или сигналов (например, сигналы регулировщика
Форма представления информации очень важна при ее передаче: если человек плохо слышит, то передавать ему информацию в звуковой форме нельзя; если у собаки слабо развито обоняние, то она не может работать в розыскной службе. В разные времена люди передавали информацию в различной форме с помощью: речи, дыма, барабанного боя, звона колоколов, письма, телеграфа, радио, телефона, факса. Независимо от формы представления и способа передачи информации, она всегда передается с помощью какого-либо языка.
На уроках математики вы используете специальный язык, в основе которого — цифры, знаки арифметических действий и отношений. Они составляют алфавит языка математики. На уроках физики при рассмотрении какого-либо физического явления вы используете характерные для данного языка специальные символы, из которых составляете формулы. Формула — это слово на языке физики.
На уроках химии вы также используете определенные символы, знаки, объединяя их в «слова» данного языка.
Существует язык глухонемых, где символы языка — определенные знаки, выражаемые мимикой лица и движениями рук.
Основу любого языка составляет алфавит — набор однозначно определенных знаков (символов), из которых формируется сообщение. Языки делятся на естественные (разговорные) и формальные. Алфавит естественных языков зависит от национальных традиций. Формальные языки встречаются в специальных областях человеческой деятельности (математике, физике, химии и т. д.). В мире насчитывается около 10 000 разных языков, диалектов, наречий. Многие разговорные языки произошли от одного и того же языка. Например, от латинского языка образовались французский, испанский, итальянский и другие языки.
Информация становится понятной, если она выражена языком, на котором говорят те, кому предназначена информация.
В процессе развития человеческого общества люди выработали большое число языков. Примеры языков:
- · разговорные языки (в настоящее время в мире их насчитывают более 2000);
- · языки мимики и жестов;
- · языки чертежей, рисунков, схем;
- · языки науки (математики, химии, биологии и т.д.);
- · языки искусства (живописи, музыки, скульптуры, архитектуры и т.д.);
- · специальные языки (азбука Брайля для слепых, азбука Морзе, Эсперанто, морской семафор и т.д.);
- · алгоритмические языки (блок-схемы, языки программирования).
Язык –– это знаковая система, используемая для целей коммуникации и познания. Основой большинства языков является алфавит – набор символов, из которых можно составлять слова и фразы данного языка.
- · набором используемых знаков;
- · правилами образования из этих знаков таких языковых конструкций, как “слова”, “фразы” и “тексты” (в широком толковании этих понятий);
- · набором синтаксических, семантических и прагматических правил использования этих языковых конструкций.
Все языки можно разделить на естественные и искусственные.
Естественными называются “обычные”, “разговорные” языки, которые складываются стихийно и в течение долгого времени. История каждого такого языка неотделима от истории народа, владеющего им. Естественный язык, предназначенный, прежде всего, для повседневного общения, имеет целый ряд своеобразных черт:
- · почти все слова имеют не одно, а несколько значений;
- · часто встречаются слова с неточным и неясным содержанием;
- · значения отдельных слов и выражений зависят не только от них самих, но и от их окружения (контекста);
- · распространены синонимы (разное звучание — одинаковый смысл) и омонимы (одинаковое звучание — разный смысл);
- · одни и те же предметы могут иметь несколько названий;
- · есть слова, не обозначающие никаких предметов;
- · многие соглашения относительно употребления слов не формулируются явно, а только предполагаются и для каждого правила есть исключения и т.д.
Основными функциями естественного языка являются:
- · коммуникативная (функция общения);
- · когнитивная (познавательная функция);
- · эмоциональная (функция формирования личности);
- · директивная (функция воздействия).
Искусственные языки создаются людьми для специальных целей либо для определенных групп людей: язык математики, морской семафор, язык программирования. Характерной особенностью искусственных языков является однозначная определенность их словаря, правил образования выражений и правил придания им значений.
Любой язык –– и естественный и искусственный –– обладает набором определенных правил. Они могут быть явно и строго сформулированными (формализованными), а могут допускать различные варианты их использования.
Формализованный (формальный) язык –– язык, характеризующийся точными правилами построения выражений и их понимания. Он строится в соответствии с четкими правилами, обеспечивая непротиворечивое, точное и компактное отображение свойств и отношений изучаемой предметной области (моделируемых объектов).
В отличие от естественных языков формальным языкам присущи четко сформулированные правила семантической интерпретации и синтаксического преобразования используемых знаков, а также то, что смысл и значение знаков не изменяется в зависимости от каких-либо прагматических обстоятельств (например, от контекста).
Большинство формальных языков (созданных конструкций) строится по следующей схеме. сначала выбираетсяалфавит, или совокупность исходных символов, из которых будут строиться все выражения языка; затем описываетсясинтаксис языка, то есть правила построения осмысленных выражений. Буквами в алфавите формального языка могут быть и буквы алфавитов естественных языков, и скобки, и специальные знаки и т.п. Из букв, по определенным правилам можно составлять слова и выражения. Осмысленные выражения получаются в формальном языке, только если соблюдены определенные в языке правила образования. Для каждого формального языка совокупность этих правил должна быть строго определена и модификация любого из них приводит чаще всего к появлению новой разновидности (диалекта) этого языка.
Формальные языки широко применяются в науке и технике. В процессе научного исследования и практической деятельности формальные языки обычно используются в тесной взаимосвязи с естественным языком, поскольку последний обладает гораздо большими выразительными возможностями. В то же время формальный язык является средством более точного представления знаний, чем естественный язык, а следовательно, средством более точного и объективного обмена информацией между людьми.
Формальные языки часто конструируются на базе языка математики. Веком бурного развития различных формальных языков можно считать XX век.
С точки зрения информатики, среди формальных языков наиболее значительную роль играют формальный язык логики(язык алгебры логики) и языки программирования.
Возникновение языков программирования приходится на начало 50-х годов XX века.
Языков программирования и их диалектов (разновидностей) насчитывается несколько тысяч. Классифицировать их можно по-разному. Некоторые авторы разбивают все многообразие языков программирования на процедурные и декларативные. В процедурных языках преобразование данных задается с помощью описания последовательности действий над ними. В декларативных языках преобразование данных задается посредством описания отношений между самими данными. Согласно другой классификации, языки программирования можно разделить на процедурные, функциональные, логические, объектно-ориентированные. Однако любая классификация несколько условна, поскольку, как правило, большинство языков программирования включает в себя возможности языков разных типов.Особое место среди языков программирования занимают языки, обеспечивающие работу систем управления базами данных (СУБД). Часто в них выделяют две подсистемы: язык описания данных и язык манипулирования
Теория кодирования – это раздел теории информации, связанный с задачами кодирования и декодирования сообщений, поступающих к потребителям и посылаемых из источников информации.
Теория кодирования близка к древнейшему искусству тайнописи – криптографии. Над разработкой различных шифров трудились многие известные ученые: философ Ф. Бэкон, математики Д.Кардано, Д. Валлис. Одновременно с развитием методов шифровки развивались приемы расшифровки, или криптоанализа.
В середине ХIХ в. ситуация изменилась. Изобретение телефона и искрового телеграфа поставило перед учеными и инженерами проблему создания новой теории кодирования. Первой ориентированной на технику системой кодирования оказалась азбука Морзе, в которой принято троичное кодирование (точка, тире, пауза).
Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.
Двоичный алфавит состоит из двух цифр 0 и 1.
Цифровые ЭВМ (персональные компьютеры относятся к классу цифровых) используют двоичное кодирование любой информации. В основном это объясняется тем, что построить техническое устройство, безошибочно различающее 2 разных состояния сигнала, технически оказалось проще, чем то, которое бы безошибочно различало 5 или 10 различных состояний.
К недостаткам двоичного кодирования относят очень длинные записи двоичных кодов, что затрудняет работу с ними.
ДВОИЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ СИМВОЛЬНОЙ (ТЕКСТОВОЙ) ИНФОРМАЦИИ
Основная операция, производимая над отдельными символами текста — сравнение символов.
При сравнении символов наиболее важными аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет значения.
Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.
Таблица перекодировки — таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.
Наиболее популярные таблицы перекодировки: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode.
Исторически сложилось, что в качестве длины кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.
Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому с помощью одной таблицы перекодировки можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно закодировать 65536 символов.
В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.
Традиционно для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит. При помощи формулы, которая связывает между собой количество возможных событий К и количество информации I, можно вычислить сколько различных символов можно закодировать (считая, что символы — это возможные события):
т. е. для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов.
Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.
Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ — 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов.
Одному и тому же двоичному коду ставится в соответствие различные символы.
| Двоичный код | Десятичный код | КОИ8 | СР1251 | СР866 | Мас | ISO |
| 11000010 | 194 | б | В | — | — | Т |
