Информация и её свойства

Введение

Понятие о предметах

Познавая окружающую действительность, человек сравнивает предметы друг с другом, выявляет их сходство и различие; путём анализа и синтеза вскрывает сущность предметов, мысленно выделяет их признаки, абстрагирует и обобщает эти признаки.

В результате человек образует понятие о предметах и явлениях действительности. Понятие — это мысль, которая отображает общие и существенные свойства вещи, явления внешнего мира.

Понятие, как и всякая мысль, возникает и существует на базе языкового материала, на базе языковых терминов и фраз. Языковой оболочкой понятия (мысли) является слово (обозначающее это понятие). Например, в понятии «белки» отображены такие общие и существенные признаки белков: 1) органические вещества и 2) молекулы которых состоят из соединённых в большом количестве остатков различных аминокислот.

Существенным признаком предмета называется тот признак, который выражает коренное, наиболее важное свойство предмета; если существенный признак отсутствует, то предмет перестаёт быть данным предметом. Например, существенным признаком химического элемента является строение атома, а несущественными — то или иное физическое состояние, внешняя форма и др

Правильные понятия вырабатываются в процессе трудовой деятельности многих людей; соответствие таких понятий предметам и явлениям действительности проверяется практикой человека.

Итак. Понятие — отображённое в мышлении единство существенных свойств предмета мысли (вещи или явления действительности).

Определение понятия — логическая операция, раскрывающая его содержание. Чтобы раскрыть содержание понятия, приводят примеры, в которых отражается сущность отражаемых в данном понятии предметов или явлений, и тем самым ограничиваем круг предметов или явлений, затрагиваемых этим понятием. Например, как можно определить понятие четырехугольник?

Четырехугольником называется фигура, которая состоит из четырех точек и четырех последовательно соединяющих их отрезков. При этом никакие три из данных точек не лежат на одной прямой, а соединяющие их отрезки не пересекаются.

Чтобы определить понятие, его следует подвести под более общее понятие.

Определяя понятие четырехугольник, мы воспользовались понятиями точка и прямая, определение которых вы нигде не найдете, потому что такие понятия называются первичными понятиями, считается, что они интуитивно понятны! Любая наука и теория строится на некоторых базовых понятиях, которые обычно интуитивно понятны и свойства которых описываются аксиомами данной теории. Такие понятия принято называть неопределяемыми понятиями. К слову, неопределяемые понятия встречаются и в других областях человеческой деятельности, например: дружба, любовь, интеллигентный человек, отличный спортсмен, талантливый актер и т. д.

Вспомним ещё одно определение из школьного курса геометрии: параллелограммом называется четырехугольник, у которого противолежащие стороны попарно параллельны. Понятие четырёхугольник определяет понятие параллелограмм. Оно является общим понятием, а понятие параллелограмм является частным его понятием.

Ещё пример, как можно определить понятие множество, одно из основных понятий математики?
Интуитивно под множеством будем понимать совокупность определенных вполне различаемых объектов, рассматриваемых как единое целое по какому-либо признаку.

Классификация

Мы в ходе позновательной деятельности часто пользуемся одним из видов мысленного деления предметов (вещей и явлений) на группы (множества) — классификацией.

Классификацией называется система расположения предметов по классам (classis — группа) на основании сходства этих предметов внутри класса и их отличия от предметов других классов.

Примером классификации может служить «Периодическая система элементов», созданная великим русским учёным Д. И. Менделеевым (1834—1907). Менделеев расположил элементы в порядке возрастания их атомных весов и по признаку однотипности химических качеств (свойств).

Признак (свойство), по которому происходит расположение (деление) предметов по классам называется основанием классификации.

Если за основание классификации принимается существенный признак предметов, то такая классификация может иметь научное и практическое значение: она даст возможность обнаружить закономерности, которым подчиняются предметы, явления, как это мы видели на примере классификации, предложенной Менделеевым.

Классификацию, в основе которой находится коренной признак предметов, выражающий их природу, принято называть естественной классификацией.

Если за основу классификации берётся признак, не выражающий природы классифицируемых предметов, то такая классификация называется искусственной.

Примером такой классификации является алфавитный список сотрудников данного предприятия. Разумеется, та или иная начальная буква фамилии никакого отношения к коренным свойствам человека не имеет. Однако этот случайный признак бывает полезно использовать в практических целях, в целях простого удобства — отсюда возникает потребность расположить фамилии сотрудников в алфавитном порядке.

Классификация (естественная или искусственная) подчиняется следующим правилам: она должна проводиться по одному основанию, члены её должны исключать друг друга, совокупность всех её членов должна исчерпывать собой весь данный класс, внутри классификации не должно быть неоправданных скачков.

Классификация помогает найти в исследуемых предметах определённый порядок, систему их взаимных связей, помогает охватить исследуемые предметы в целом.

Логические приёмы, сходные с классификацией

Наряду с классификацией понятий мы пользуемся в практике мышления некоторыми логическими приёмами, которые внешне сходны с классификацией, но по существу отличны от неё.

Неопределяемыми понятия

Есть такие понятия, которые не определяются с помощью других понятий, например в физике: пространство, время, материя, энергия; в геометрии: точка, линия, плоскость, расстояние; в математике: число, множество, массив. Других, более общих понятий, под которые можно логически подвести выделенные понятия не существует. Такие понятия называются неопределяемыми понятиями.

1. при помощи описаний применения понятия (поясняют на примерах);
2. путем сопоставления данного понятия с содержанием других понятий.

В рамках науки информация является неопределяемым понятием.

Понятие информация используется во всех областях человеческой деятельности: науке, технике, культуре и повседневной жизни. Содержание понятия информация раскрывают при помощи различных описаний его применения. Проблема раскрытия понятия информация усложняется тем, что данное понятие используется в различных науках (физике, биологии, кибернетике, информатике и др.), при этом в каждой науке понятие информация связано с различными системами понятий.

Понятие информации

Современное мировое сообщество людей называют информационным обществом, так что же означает слово информация? Это слово латинского происхождения: Informatio (лат.) — разъяснение, изложение, осведомление, просвещение.

В настоящее время при повседневном общении слово информация сохранило свое историческое значение — сообщение, осведомляющее о состоянии чего-либо, передаваемое людьми устным, письменным или каким-либо другим способом, например, с помощью условных сигналов (дым на сторожевой башне, огнь на маяке, бакен на реке и т. д.). Очевидно, что для того, чтобы смысл сигналов был понятен, должно быть предварительное соглашение о связи сигналов и их значений. На этом простом принципе и основаны различные способы передачи сообщений, от зарубок на деревьях или палках до лазерных лучей в волоконно-оптическом кабеле. Забегая вперед, скажу, что установление связи между сигналом и его значением называется кодированием.

В прошлом столетии слово информация стало активно употребляться в научной среде как понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму. Таким образом, слово информация имеет различные значения в разных отраслях человеческой деятельности, каждая научная дисциплина вкладывает свой смысл в понятие «информация». Генетика — свой, кибернетика — свой, информатика — свой. Эта статья об информатике, поэтому определение информации будет дано с точки зрения этой научной дисциплины.

В информатике принято считать, что информация есть  интерпретация (смысл) сообщения, т.е. информация не зависит от формы представления сведений в сообщении.

Форма представления информации может быть различной: алфавитная форма (мысли, составленные в виде предложений устной или письменной речи); графическая форма (рисунки, схемы, чертежи, карты, графики, диаграммы); символы формального языка (числа, математические формулы, ноты, химические формулы, дорожные знаки и пр).

Пример 1

Первое сообщение:

На основе анализа информационных потоков лечебного учреждения НИИПК авторы обосновывают требования к медицинским информационным системам (МИС) и предлагают конкретную архитектуру МИС лечебного учреждения, оригинальную структуру базы АРМ врача специалиста и приводят пример пользовательского интерфейса АРМ врача эхокардиографиста

Второе сообщение:

On the basis of analysis of the information flow a medical institution Research Institute of Circulation Pathology, the authors determine the requirements for medicinal information systems (MIS), offer a concrete MIS architecture for such a medical institution and unique structure of the physician`s workstation base. A user interface for physician operating an echocardiograph is given as an example

Сообщения, приведенные выше, содержат одну и ту же информацию представленную в алфавитной форме, но на разных естественных языках.

А если человек не знает английского? Тогда второе сообщение он не сможет интерпретировать и поэтому оно для него будет бессмысленным, т.е. неинформативным. Чтобы иметь возможность интерпретировать переданное ему сообщение, человек должен обладать определенными навыками (методами), которые позволят ему извлечь информацию из полученного сообщения! Так что же получается, что сообщение само по себе — это ещё не информация? Да, чтобы сообщение превратилась в информацию, его надо обработать — интерпретировать (осмыслить). Обработка может происходить осознанно или неосознанно. Например, когда мы смотрим на фотографию группы людей, мы мгновенно выделяем знакомых, и на вряд ли осознанно. Существует целое научное направление — теория информации. В которой ключевым понятием является энтропия — мера неопределенности состояния системы, а под информацией понимают сведения, уменьшающие неопределенность (энтропию). Чтобы запутать вас окончательно скажу, что это всего лишь одна из концепций теории информации, известная как концепция Шеннона, есть и другие… Мы же будем рассматривать информацию с точки зрения компьютерных наук.

В естественных науках важное место занимают понятия сигнал и данные. Любые характеристики материи (базовое неопределяемое понятие) могут рассматриваться наблюдателем как сигналы, т.е. все явления и процессы в природе сопровождаются сигналами. При взаимодействии сигналов с физическими телами в последних могут возникнуть определенные изменения их свойств. Например, объем занимаемый физическим телом, может изменится от взаимодействующих с ним сигналов, исходящих от других физических тел. Эти изменения можно заметить, а иногда измерить тем или иным способом, т.е. зарегистрировать в виде звука, числа, символа, слова, словосочетания, предложения, рисунка. Этот процесс называется регистрацией сигналов, а сигналы, зарегистрированные на материальном носителе (палке, бумаге, камне, магнитной ленте и т.п.) , называются данными. Данные, вследствие своего происхождения, несут в себе информацию о событиях (явлениях и процессах), произошедших в материальном мире. Однако они не тождественны информации. Информация извлекается из данных с помощью адекватных методов. Таким образом, можно считать, что информация — это продукт взаимодействия данных и адекватных методов.

Возвращаясь к первому примеру, приведенному в этой статье о двух сообщениях, содержащих одинаковую информацию, можно сказать, что текст, написанный на английском языке, даст различную информацию, человеку, знающему язык, и не знающему. Чтобы получить информацию, имея данные, необходимо применить к ним методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы бывают различными: адекватными и неадекватными. Например, человек, знающий английский язык, применяет адекватный метод, читая текст на английском языке. А, человек, не знающий английского языка применяет неадекватный метод, пытаясь понять английский тест.

Пример 2

Первое сообщение — алфафитная форма:

В прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух других сторон (катетов).

Второе сообщение:


Графическая форма (рисунок) и символы формального языка (математическая формула)

Сообщения, хотя и представлены в разных формах, содержат одну и ту же информацию, известную как теорема Пифагора.

Восприятие информации

Знаки как способ кодирования информации

Воспринимаемую с помощью органов чувств информацию человек стремится зафиксировать так, чтобы она стала понятной и другим людям. На протяжении всей истории своего развития, задолго до появления компьютеров и новых информационных технологий, человечество придумывало и совершенствовало различные способы хранения и передачи информации. Сначала были узелки на веревках, зарубки на палках, затем появилась письменность — специально разработанная система правил фиксирования и передачи информации при помощи знаков, иными словами — система кодирования информации.

Существуют также виды информации, для которых до сих пор не изобретено способов их кодирования и хранения — это тактильная информация, передаваемая ощущениями, органолептическая, передаваемая запахами, вкусами и др.

Знак — это изображение, которое что-либо означает (буква, цифра, отверстие). Знак в совокупности с его значением (смыслом) называется символом. В общем знаки трактуется шире, чем изображения, и в соответствии со способом восприятия разделяются на зрительные, слуховые, осязательные, обонятельные и вкусовые. К знакам, воспринимаемым с помощью зрения, относят буквы и цифры, которые используются в письменной речи, знаки химических элементов, музыкальные ноты, дорожные знаки и т. д. К знакам, воспринимаемым с помощью слуха, относятся звуки, которые используются в устной речи, и звуковые сигналы, которые воспроизводятся с помощью звонка, колокола, свистка, гудка, сирены и т. д.

Для того, чтобы смысл информации, передаваемой знаками, был понятен, должно быть известно соглашение о связи формы и значения символов.

Классификация знаков по форме представления:

1. Языковые:
   • знаки естественных языков: устного языка (фонемы), языка жестов, письменного языка (графические, вещественные);
   • знаки искусственных языков: световые, графические, звуковые;
2. Неязыковые:
   • знаки-изображения;
   • вещественные;
   • эмблемные.

Классификация знаков по способу связи между его формой и значением (смыслом):

1. Иконические — знаки, имеющие форму, похожую на отображаемый объект, вследствие чего позволяющие догадаться об их смысле.
2. Символьные — знаки, для которых связь между формой и значением устанавливается по общепринятому соглашению. К таким знакам относятся любые буквы, цифры, ноты, обозначения атомов химических веществ в уравнениях химических реакций и пр.

Информация и письменность

Чаще всего люди общаются между собой (передают информацию) в устной или письменной форме, т.е. разговаривают, пишут письма, записки, статьи, книги и т.п.

Письменный текст состоит из букв, цифр, скобок, точек, запятых и других знаков. Устная речь тоже складывается из знаков. Только это не письменные, а звуковые знаки — фонемы. Из фонем складываются слова, из слов — фразы. Между письменными знаками и звуками есть прямая свьзь. Ведь сначала появилась речь, а потом — письменность. Отдельные буквы или сочетания букв обозначают звуки речи, а знаки препинания — паузы, интонации. Такая форма письменности называется звуковой и была придумана, чтобы зафиксировать человеческую речь. Большенство европейских народов используют звуковую письменность.

Самая древняя форма письменности называется пиктографической. Одна пиктограмма — это рисунок, которое обозначают понятие или даже целое сообщение. Пиктографические символы часто используются и в наше время. Знакомые всем дорожные знаки — это не что иное как пиктограммы.

Существуют и другие формы письменности, например китайская письменность называется идеографической. В ней один значок (иероглиф) обозначают слово или значительную часть слова.

Знания и информация

Знание — систематизированные достоверные представления о предметах и явлениях действительности. Знание применяется людьми для рациональной организации своей деятельности и решения возникающих задач.

Знания можно разделить на две группы:
1. Факты — это знания об определенных явлениях, событиях, свойствах объектов и зависимостях между объектами. Факты начинаются со слов «Я знаю, что…». Например, знания об определенных явлениях: «Я знаю, что Фобос — спутник Марса»; событиях: «Я знаю, что Новосибирск был основан в 1893 году»; свойствах объектов: «Я знаю, что собор Александра Невского в Новосибирске — архитектурное сооружение в Византийском стиле»; зависимостях — знание законов Ньютона.
2. Правила — это знания о последовательностях действий, направленных на достижение некоторой цели. Это знания, начинающиеся со слов «Я знаю, как…»; «Для того чтобы…». Например: «Я знаю, как измерить температуру ртутным градусником»; «Для того чтобы приготовить антисептик для рук в домашних условиях, необходимо взять этанол, перекись водорода, глицерин, кипяченную воду и перемешать полученный раствор».

Коренным фактором, позволяющим выявить отличие знания от информации, является то, что знание приобретается только через субъективное осмысление. Информация же независима и не всегда доходит до стадии осознания.

Знания
сравнение, оценка, определение области применения, установление связей
Информация
контекстуализация, категоризация, подсчет, коррекция, сжатие
Данные

В познавательном процессе знание и информация находятся на разных ступенях. Сначала происходит восприятие информации, транслируемой определенным источником: преподавателем, книгой, фильмом и т.п. После осмысления информация «преобразуется» в знание, а человек, обладающий знанием, способен выполнять роль нового источника информации.

Человека, связавшего свою жизнь с исследовательской деятельностью по изучению законов природы и техники, принято называть научным работником, а всю обширную область человеческой деятельности по накоплению знаний о действительности — наукой. Непосредственные задачи науки — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, открытие ее законов, теоретическая систематизация объективных знаний о природе вещей. Система наук условно делится на естественные, общественные, гуманитарные и технические науки.

Измерение информации

Алфавитный подход к измерению информации — это способ измерения информационного объема текста, не связанного с его содержанием.

Алфавит — это вся совокупность символов, используемых в некотором языке для представления информации (буквы, знаки препинания, цифры, скобки и др. символы, используемые в тексте, также пробел).

Полное число символов в алфавите называется мощностью алфавита — обозначается N.

Например, мощность русского алфавита равна 54: 33 буквы + 10 цифр + 11 знаков препинания, скобки, пробел.

В алфавитном подходе считается, что каждый символ текста имеет определенный информационный вес. Информационный вес символа зависит от мощности алфавита. Наименьшее число символов в алфавите равно двум. Такой алфавит используется в компьютере. Он содержит всего два символа, которые обозначаются цифрами «О» и «1». Его называют двоичным алфавитом. В компьютере с помощью всего двух символов можно передать любую информацию.

Информационный вес символа двоичного алфавита принят за единицу информации и называется 1 бит (N = 2).

С увеличением мощности алфавита увеличивается информационный вес символов этого алфавита. Один символ из четырехсимвольного алфавита (N = 4) «весит» 2 бита. Объясняется это тем, что все символы четырехсимвольного алфавита можно закодировать всеми возможными комбинациями из двух цифр двоичного алфавита. Комбинации из нескольких (двух, трех и т.д.) знаков двоичного алфавита называются двоичным кодом.

Используя три двоичные цифры, можно составить 8 различных комбинаций.

Если мощность алфавита равна 8, то информационный вес одного символа равен 3 битам.

Четырехзначным двоичным кодом может быть закодирован каждый символ из 16-символьного алфавита. И так далее.

Информационный вес каждого символа, выраженный в битах (b), и мощность алфавита (N) связаны между собой формулой: N=2^b.

Содержательный подход к измерению информации

Получение новой информации приводит к расширению знаний человека.

Если некоторое сообщение пополняет знание человека, то оно является информативным т.е. содержит ненулевую информацию.

Для того чтобы сообщение было информативным, оно должно быть понятным. т.е. логически связанными с предыдущими знаниями человека. Получение знаний должно идти от простого с сложному. Тогда каждое новое сообщение будет понятным, а значит, будет нести новую информацию для человека.

Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем сведения являются для него новыми и понятными.

Для того чтобы точно определить, в каком сообщении больше информации, а в каком — меньше, необходима единица измерения. В науке, которая называется теорией информации, была определена единица информации — «бит».

Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации.

Неопределенность знаний о некотором событии — это число возможных результатов события.

Например, в штативе стоят восемь пробирок с химическими реактивами. Этиловый спирт может находиться в любой из них. Сколько информации содержит сообщение о том, в кокой пробирке находится спирт? Применяя метод половинного деления, можно задать несколько вопросов, уменьшающих неопределенность знаний в два раза:

1. Спирт находится в одной из пробирок с пятой по восьмую? Нет.
2. Он находится в одной из первых двух пробирок? Да.
3. Он во второй пробирке? Нет. Ясно, он в первой пробирке!

Каждый ответ уменьшает неопределенность в два раза. Всего было задано три вопроса. Значит, набрано 3 бита информации. И если бы сразу было сказано, что спирт находится в первой пробирке, то этим сообщением были бы переданы те же 3 бита информации.

Существует формула для измерения информации, где возможное количество равновероятных событий (другими словами, неопределенность знаний) обозначается буквой N, а количество информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий, — буквой I.

2^I = N

Р. Харли придумал свою формулу для измерения информации:

I = log2N