1_Informatsia_i_informatsionnye_protsessy

Информатика и информация

Информатика

(информационная наука, наука об информации).

(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?

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.

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:

•   , visual) — поступает через глаза (по разным оценкам, это 80-90% всей получаемой нами информации);

•   звуковая информация (аудиальнаяпает 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;

•   числовая информация;

•   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.

 

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

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.

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).

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.

— «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 = 2I.

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.

2N.

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.

пьютера 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.

битов.

битов.

1 Гбайт (гигабайт) = 1024 Мбайт.

1 Тбайт (терабайт) = 1024 Гбайт.

Структура информации

Зачем структурировать информацию?

Давайте сравним четыре сообщения.

Первое:

, нужно сначала долететь на самолёте до города Ивановска. Затем на электричке доехать до Ореховска. Там на пароме переправиться через реку Слоновую в посёлок Ольховка, и оттуда ехать в село Васино на попутной машине».

Второе:

«Как ехать в Васино:

1.   На самолёте из Москвы до г. Ивановска.

2.    до г. Ореховска.

в пос. Ольховка.

с. Васино».

 

Третье:

Откуда      Куда      Транспорт

г. Ивановск   Самолёт

г. Ивановен   г. Ореховск   Электричка

г. Ореховск   пос. Ольховка   Паром(р. Слоновая)

с. Васино   Попутная машина

Четвёртое :

Васино.

Структурирование — это выделение важных элементов в информационных сообщениях и установление связей между ними.

Цели структурирования для человека — облегчение восприятия и поиска информации, выявление закономерностей. При компьютерной обработке структурирование ускоряет поиск нужных данных.

данных

С некоторыми структурами данных вы уже знакомы. Напри — некоторый набор элементов. Чтобы определить множество, мы должны перечислить все его элементы (например, множество, состоящее из Васи, Пети и Коли) или определить характерный признак, по которому элементы включаются в это множество (например, множество драконов с пятью зелёными хвостами или множество точек, в которых функция принимает положительные значения).

•   процессор;

•   память;

•   устройства ввода;

•   устройства вывода.

В таком списке порядок элементов не важен, от перестановки элементов множество не меняется.

3)   выйти из дома.

таблица. С помощью таблиц устанавливается связь между несколькими элементами. Элементы в каждой строке связаны между собой — это свойства некоторого объекта (человека).

Рост, см   Вес, кг   Год рождения

Иванов      Иван   175      67   1996

Петров      Пётр   164      70   1998

Сидоров   Сидор   168      63   2000

Именно так хранится информация в базах данных: строка таблицы, содержащая информацию об одном объекте, называется записью, а столбец (название свойства) — полем.

Иерархия (дерево)

Линейных списков и таблиц иногда недостаточно для того, чтобы представить все связи между элементами. Например, в некоторой фирме есть директор, ему подчиняются главный инженер и главный бухгалтер, у каждого из них есть свои подчинённые. Если мы захотим нарисовать схему управления этой фирмы, она получится многоуровневой .

Такая структура, в которой одни элементы «подчиняются» другим, называется иерархией. В информатике иерархическую структуру называют деревом.

Дерево состоит из узлов и связей между ними (они называются дугами). Самый первый узел, расположенный на верхнем уровне (в него не входит ни одна стрелка-дуга), — это корень дерева. Конечные узлы, из которых не выходит ни одна дуга, называются листьями. Все остальные узлы, кроме корня и листьев, — промежуточные.

Из двух связанных узлов тот, который находится на более высоком уровне, называется родителем, а другой — сыном. Корень — это единственный узел, у которого нет родителя; у листьев нет сыновей. Используются также понятия предок и потомок. Потомок какого-то узла — это узел, в который можно перейти по стрелкам от узла-предка. Соответственно, предок какого-то узла — это узел, из которого можно перейти по стрелкам в данный узел.

Графы

Подумайте, как можно структурировать такую информацию:

Грибного в лес и возвращается обратно в Грибное».

Можно, например, нарисовать схему дорог Населённые пункты для краткости обозначены латинскими буквами.

Для исследования таких схем используют графы.

это набор вершин и связей между ними (рёбер).

Для хранения информации о вершинах и связях графа, соответствующего схеме, можно использовать таблицу (матрицу):

0

 

Единица на пересечении строки и столбца В означает, что между вершинами А и В есть связь. Ноль указывает на то, что связи нет. Такая таблица называется матрицей смежности. Она симметрична относительно главной диагонали (серые клетки в таблице).

На пересечении строки и столбца С стоит единица, которая говорит о том, что в графе есть петля — ребро, которое начинается и заканчивается в одной и той же вершине.

(А (В, С), В (А, С, D), С (А, В, С, D), D (В, С))

Если в первом примере с дорогами нас интересуют ещё и расстояния между поселками, каждой связи нужно сопоставить число (вес)

Такой граф называется взвешенным, поскольку каждое ребро имеет свой вес. Весом может быть не только расстояние, но и, например, стоимость проезда или другая величина.

Как хранить информацию о таком графе? Ответ напрашивается сам собой — нужно в таблицу записывать не 1 или 0, а вес ребра. Если связи между двумя вершинами нет, на бумаге можно оставить ячейку таблицы пустой, а при хранении в памяти компьютера записывать в неё условный код, например -1. Такая таблица называется весовой матрицей, потому что содержит веса рёбер. В данном случае она выглядит так:

 

 

 

 

Найдём наилучший путь из .

Числа около рёбер показывают стоимость поездки по этому участку, а индексы у названий вершин показывают общую стоимость проезда в данную вершину из вершины А.

Таким образом, оптимальный (наилучший) маршрут —ADEB, его стоимость — 3. Маршрут ADEC, не дошедший до вершины В, далее проверять не нужно, он не улучшит результат.

. Это означает, что для каждого ребра указывается направление, и двигаться можно только по стрелкам, но не наоборот. Такой граф называется ориентированным (или коротко орграфом). Он может служить, например, моделью системы дорог с односторонним движением. Матрица смежности и весовая матрица для орграфа уже не обязательно будут симметричными.

На схеме на всего две дороги с двусторонним движением, по остальным можно ехать только в одну сторону.

Рёбра в орграфе называют дугами. Дуга, в отличие от ребра, имеет начало и конец.

Рассмотрим следующую задачу: определить количество возможных путей из вершиныграфа, показанного на рисунке:

 

 

 

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2 + = 3