Лекция №4-5 Измерение информации Пример
Вид материала | Лекция |
- «измерение», 44.31kb.
- Тема классификационный анализ лекция, 63.18kb.
- Измерение информации. Количество информации. Единицы измерения информации, 328.73kb.
- Дискретных Марковских Цепей) в анализе данных. Пример применения. (лекция, 7.29kb.
- Муниципальное образовательное учреждение Пошатовская средняя общеобразовательная школа, 201.78kb.
- Карпов Дмитрий Анатольевич лекция, 472.96kb.
- Vi. Измерение вредных производственных факторов рабочих мест, 43.78kb.
- Учебный план курсовой подготовки по пользователю, 46.52kb.
- Методические указания к лабораторной работе, 454.05kb.
- Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
Лекция №4-5
Измерение информации
Пример. Не правда ли, истрепанная книжка, если в ней нет вырванных страниц, несет для вас ровно столько же информации, сколько такая же новая? Каменная скрижаль весом в три тонны несет для археологов столько же информации, сколько ее хороший фотоснимок в археологическом журнале. Не так ли? Когда московская радиостудия передает последние известия, то одну и ту же информацию получает и подмосковный житель и житель Новосибирска. Но поток энергии радиоволн в Новосибирске намного меньше, чем в Москве.
Следовательно, мощность сигнала, так же как и размер, вес и качество носителя, не могут служить оценкой количества информации, переносимой сигналом. Как же оценить это количество?
Из курса физики вы знаете, что прежде, чем измерять значение какой-либо физической величины, надо ввести единицу измерения. У информации тоже есть такая единица — бит, но смысл ее различен при измерении информации в рамках разных подходов к определению понятия «информация». Соответственно, можно выделить 3 подхода к измерению информации.
ПОДХОД I. Неизмеряемость информации в быту (информация как новизна)
Пример. Вы получили некоторое сообщение, например, прочитали статью в любимом журнале. В этом сообщении содержится какое-то количество информации. Как оценить, сколько информации вы получили? Другими словами, как измерить информацию? Можно ли сказать, что чем больше статья, тем больше информации она содержит? Разные люди, получившие одно и то же сообщение, по-разному оценивают его информационную ёмкость, то есть количество информации, содержащееся в нём. Это происходит оттого, что знания людей о событиях, явлениях, о которых идет речь в сообщении, до получения сообщения были различными. Поэтому те, кто знал об этом мало, сочтут, что получили много информации, те же, кто знал больше, могут сказать, что информации не получили вовсе. Количество информации в сообщении, таким образом, зависит от того, насколько ново это сообщение для получателя.
В таком случае, количество информации в одном и том же сообщении должно определяться отдельно для каждого получателя, то есть иметь субъективный характер. Но субъективные вещи не поддаются сравнению и анализу, для их измерения невозможно выбрать одну общую для всех единицу измерения.
Таким образом, с точки зрения информации как новизны, мы не можем однозначно и объективно оценить количество информации, содержащейся даже в простом сообщении. Что же тогда говорить об измерении с этой точки зрения количества информации, содержащейся в научном открытии, новом музыкальном стиле, новой теории общественного развития.
Поэтому, когда информация рассматривается как новизна сообщения для получателя, не ставится вопрос об измерении количества информации.
ПОДХОД II —технический, или объемный.
Измерение информации в технике
(информация как сообщения в форме знаков или сигналов, хранимые, передаваемые и обрабатываемые с помощью технических устройств)
В технике, где информацией считается любая хранящаяся, обрабатываемая или передаваемая последовательность знаков, сигналов, часто используют простой способ определения количества информации, который может быть назван объемным. Он основан на подсчёте числа символов в сообщении, то есть учитывает только длину сообщения, но не его содержание.
Длина сообщения зависит от числа знаков, употребляемых для записи сообщения. Например, слово «мир» в русском алфавите записывается тремя знаками, в английском — пятью (peace), а в коде ДКОИ-8 (двоичный код обмена информацией длиной 8) — двадцатью четырьмя битами (111011011110100111110010).
В вычислительной технике применяются две стандартные единицы измерения информации: бит (от англ, binary digit — двоичная цифра) и байт (byte).
Конечно, будет правильно, если вы скажете: «В слове «Рим» содержится 24 бита информации, а в сообщении «Миру мир!» — 72 бита». Однако для того чтобы измерить информацию в битах, вы определяете количество символов в этом сообщении. Нам привычнее работать с символами. Для ввода в компьютер символы надо кодировать. Каждый символ в настоящее время в вычислительной технике кодируется 8-битным или 16-битным кодом. Поэтому для удобства была введена более крупная единица информации в технике (преимущественно вычислительной) — байт. В байтах легче подсчитать количество информации в техническом сообщении — оно совпадает с количеством символов в нём.
Пример.
Исходное сообщение | Количество информации | |||
На языке | В машинном представлении (ДКОИ-8) | В символах | В битах | В байтах |
рим | 1111001011101001 11101101 | 3 | 24 | 3 |
мир | 11101101 11101001 11110010 | 3 | 24 | 3 |
миру мир! | 11101101 11101001 1111001011110101 0010000011101101 1110101 11110010 00100001 | 9 | 72 | 9 |
(** */ | 00101000 00101010 00101010 00100000 0010101000101111 | 6 | 48 | 6 |
Поскольку компьютер предназначен для обработки больших объемов информации, то используют производные единицы — килобайт (КБ), мегабайт (МБ), гигабайт (ГБ).
Обычно приставка «кило» означает тысячу, а приставка «мега» — миллион, но в вычислительной технике осуществляется привязка к принятой двоичной системе кодирования.
В силу этого один килобайт равен не 1000 байтов, а 210 = = 1024 байта.
Аналогично, 1 Мб = 210 Кб = 1024 Кб = 220 байтов = = 1 048 576 байтов.
1 Гб = 210 Мб = 220 Кб = 230 байтов = 1 073 741 824 байта.
Пример. Если у вас есть дискета ёмкостью 100 Мб, то на ней можно сохранить:
Вид хранимой информации | Объем (количество) | информации |
Страниц текста | 50 000 страниц или | 150 романов |
Цветных слайдов высочайшего качества | 150 | |
Аудиозапись речи видного политического деятеля | 1,5 часа | |
Музыкальный фрагмент качества CD-стерео | 10 мин | |
Фильм высокого качества записи | 15с | |
Протоколы операций с банковским счетом | за 1000 лет |
ПОДХОД III — вероятностный.
Измерение информации в теории информации
(информация как снятая неопределённость)
Получение информации (ее увеличение) одновременно означает увеличение знания, что, в свою очередь, означает уменьшение незнания или информационной неопределённости.
За единицу количества информации принимают выбор одного из двух равновероятных сообщений («да» или «нет», «1» или «0»). Она также названа битом. Вопрос ценности этой информации для получателя — это уже из иной области.
Пример. Известно, что книга лежит на одной из двух полок — верхней или нижней. Сообщение о том, что книга лежит на верхней полке, уменьшает неопределённость ровно вдвое; в этом случае говорят, что оно несет 1 бит информации.
Сообщение о том, как упала монета после броска — «орлом» или «решкой», несет 1 бит информации. В соревновании участвуют 4 команды. Сообщение о том, что третья команда набрала большее количество очков, уменьшает первоначальную неопределённость ровно в 4 раза (дважды по два) и несет 2 бита информации. Очень приближенно можно считать, что количество информации в сообщении о каком-то событии совпадает с количеством вопросов относительно ситуации, разрешаемой одним из некоторого набора событий, ответом на которые могут быть лишь «да» или «нет», которые необходимо задать, чтобы получить ту же информацию. Причем события должны быть равновероятны.
Пример. Сколько вопросов надо задать, чтобы отгадать одну из 32 карт (колода без шестерок), если ответами могут быть лишь «да» или «нет»?
Оказывается, достаточно задать всего лишь 5 вопросов, но задавать их надо так, чтобы после каждого ответа можно было исключить из рассмотрения ровно половину карт, среди которых задуманной не может быть. Такими, например, являются вопросы о цвете масти карты («Задуманная карта красной масти?»), о типе карты («Задуманная карта — «картинка»?») и т. п. То есть сообщение о том, какая конкретно карта из 32 задумана, несет 5 битов информации.
В приведенных примерах число равновероятных событий, об одном из которых идет речь в сообщении, кратно степени числа 2 (4 = 22, 32 = 25). Поэтому сообщение несет количество битов информации, являющееся целым числом. Но на практике могут встречаться и другие ситуации.
Пример. Сообщение о том, что на светофоре красный сигнал, несет в себе количество информации большее, чем 1 бит. Попробуйте объяснить, почему.
Пример. Известно, что Иванов живет на улице Весенней. Сообщение о том, что номер его дома есть число чётное, уменьшило неопределённость. Получив такую информацию, мы стали знать больше, но информационная неопределённость осталась, хотя и уменьшилась. Почему в этом случае мы не можем сказать, что первоначальная неопределённость уменьшилась вдвое (иными словами, что мы получили 1 бит информации)? Если вы не знаете ответа на этот вопрос, представьте себе улицу, на чётной стороне которой, например, четыре дома, а на нечётной — двадцать. Такие улицы не такая уж большая редкость.
Научный подход к оценке сообщений был предложен еще в 1928 году Р. Хартли. Расчетная формула имеет вид:
I= Iog2 N или 2I = N,
где N — количество равновероятных событий (число возможных выборов),
I — количество информации.
Если N = 2 (выбор из двух возможностей), то I = 1 бит. Иногда формула Хартли записывается иначе. Так как наступление каждого из N возможных событий имеет одинаковую вероятность р = 1/N, то N = 1/р и формула имеет вид
I = Iog2 (1/p) = - Iog2 p.
Последние 2 примера показывают, что данное выше определение количества информации слишком упрощено. Уточним его. Но прежде разберем еще один пример.
Пример. Пылкий влюблённый, находясь в разлуке с объектом своей любви, посылает телеграмму: «Любишь?». В ответ приходит не менее лаконичная телеграмма: «Да!». Сколько информации несет ответная телеграмма? Альтернатив здесь две — либо «да», либо «нет». Их можно обозначить символами двоичного кода 1 и 0; Таким образом, ответную телеграмму можно было бы закодировать всего одним двоичным символом.
Можно ли сказать, что ответная телеграмма несет одну единицу информации?
Если влюблённый уверен в положительном ответе, то ответ «да» почти не даст ему никакой новой информации. Аналогично безнадёжному влюблённому, уже привыкшему получать отказы, ответ «нет» также принесет очень мало информации. Но внезапный отказ уверенному влюблённому (неожиданное огорчение) или ответ «да» безнадёжному влюблённому (нечаянная радость) несет сравнительно много информации, настолько много, что радикально изменяется все дальнейшее поведение влюблённого, а, может быть, его судьба!
Таким образом, с точки зрения взгляда на информацию как на снятую неопределённость количество информации зависит от вероятности получения того или иного сообщения. Причем, чем больше вероятность события, тем меньшее количество информации содержится в сообщении о таком событии.
Иными словами, количество информации в сообщении о каком-то событии зависит от вероятности свершения данного события.
Научный подход к более общему случаю вычисления количества информации в сообщении об одном из N, но уже не равновероятных событий был предложен К. Шенноном в 1948 году.
Пусть имеется текст, содержащий 1000 букв. Буква «о» в тексте встречается примерно 90 раз, буква «р» 40 раз, буква «ф» 2 раза, буква «а» 200 раз. Поделив 200 на 1000, мы получим величину 0,2, которая представляет собой среднюю частоту, с которой в рассматриваемом тексте встречается буква «а». Вероятность pa появления буквы «а» в тексте можем считать приблизительно равной 0,2. Аналогично рр = 0,04, рф = 0,002, ро = 0,09.
Далее поступаем согласно К. Шеннону. Берем двоичный логарифм от величины 1/0,2 и называем то, что получилось, количеством информации, которую несёт появление буквы «а» в рассматриваемом тексте. Точно такую же операцию проделаем для каждой буквы. Тогда количество информации, которую несёт появление i-ro символа алфавита, равно
hi = Iog2 (1/pi) = - Iog2 pi
где pi — вероятность появления в сообщении i-гo символа алфавита.
Удобнее в качестве меры количества информации пользоваться не отдельными значениями hi, а средним значением количества информации, приходящейся на один символ алфавита:
Н = Σ pi hi = - Σ pi Iog2 pi.
Значение Н достигает максимума при равновероятных событиях, то есть при равенстве всех pi :
pi = 1/N.
В этом случае формула Шеннона превращается в формулу Хартли.
Между техническим и вероятностным подходами к измерению информации существует следующая корреляция.
С точки зрения вероятностного подхода принято считать, что двумя двоичными словами исходной длины k битов или словом длины 2k битов можно передать в 2 раза больше информации, чем одним исходным словом длины k битов. Число возможных равновероятных выборов при этом увеличивается в 2k раз, значит, количество информации удваивается.
Что учащемуся необходимо знать
В технике (теория кодирования и передачи сообщений) под количеством информации понимают количество кодируемых, передаваемых или хранимых символов.
Бит — двоичный знак двоичного алфавита {0, 1}.
Бит — минимальная единица измерения информации.
Байт — это восьмиразрядный двоичный код, с помощью которого можно представить один символ.
Байт — единица количества информации в системе СИ.
Информационный объем сообщения (информационная емкость сообщения) — количество информации в сообщении, измеренное в битах, байтах или производных единицах (килобайтах, мегабайтах и так далее).
В теории информации количеством информации называют числовую характеристику сигнала, которая не зависит от его формы и содержания и характеризует уменьшение неопределенности после получения сообщения в виде данного сигнала. В этом случае количество информации зависит от вероятности получения сообщения о том или ином событии.
Для абсолютно достоверного события (событие обязательно произойдет, поэтому его вероятность равна 1) количество информации в сообщении о нем равно 0. Чем невероятнее событие, тем большее количество информации несет сообщение о нем. Лишь при равновероятных ответах ответ «да» или «нет» несет один бит информации.
Что учащемуся необходимо уметь
Технический аспект измерения информации
Задание 1
Измерьте информационный объем сообщения «Ура! Закончились каникулы!!» Выразите этот объем в битах, байтах, килобайтах.
Задание 2
Измерьте примерную информационную емкость 1 страницы учебника; всего учебника.
Подсказка. Подсчитайте, сколько символов в одной строке и сколько строк на странице, и перемножьте полученные числа. Сколько таких учебников может поместиться на дискете емкостью 360 Кб; 1,44 Мб; на винчестере ёмкостью 420 Мб; 6,4 Гб?
Информация как снятая неопределенность
Задание 3
Сколько следует задать вопросов и как их следует формулировать, чтобы количественно оценить сообщение о том, что вагон стоит на одном из 16 путей?
Задание 4
Шарик находится в одном из 64 ящичков. Сколько единиц информации будет содержать сообщение о том, где находится шарик?
Задание 5
Определите, сколько битов информации несет сообщение о том, что на светофоре горит зеленый свет.
Задание 6
Вы бросаете два кубика с нанесенными на гранях цифрами от 1 до 6. Определите, сколько битов информации несет сообщение о том, что на одном кубике выпала тройка, а на другом — пятерка.
Задание 7
Предположим, вероятность того, что вы получите за контрольную работу оценку «5», равна 0,6; вероятность получения оценки «4» равна 0,3; вероятность получения оценки «3» — 0,1. Определите, сколько битов информации будет нести сообщение о результатах контрольной работы в каждом из возможных случаев.
Задание 8
Проанализируйте таблицу и предложите возможные подходы к измерению количества информации (для незаполненной области таблицы).
Расширь свой кругозор
На памятнике немецкому ученому Л. Больцману высечена формула, выведенная в 1877 году и связывающая вероятность состояния физической системы и величину энтропии этой системы.
Энтропия (греч. en — в, внутрь; trope — превращение, смысловой перевод: то, что внутри, неопределенно) — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы, мера внутренней неупорядоченности системы.
Так вот, формула для энтропии Больцмана совпадает с формулой, предложенной Шенноном для среднего количества информации, приходящейся на один символ в сообщении. Совпадение это произвело столь сильное впечатление, что Шеннон назвал количество информации энтропией. С тех пор слово «энтропия» стало чуть ли не синонимом слова «информация».
Чем больше энтропия системы, тем больше степень ее неопределенности. Поступающее сообщение полностью или частично снимает эту неопределенность. Следовательно, количество информации можно измерять тем, насколько понизилась энтропия системы после поступления сообщения.
Таким образом, за меру количества информации принимается та же энтропия, но с обратным знаком.
Уменьшая неопределенность, мы получаем информацию, — в этом весь смысл научного познания.
Общая характеристика информационных процессов
Если обратиться в далекое прошлое, то жалобы на обилие информации обнаруживаются тысячелетия назад.
Пример. На глиняной дощечке (шумерское письмо IV тысячелетия до нашей эры) начертано: «Настали тяжелые времена. Дети перестали слушаться родителей, и каждый норовит написать книгу».
Особенно модным стало жаловаться на непереносимость информационного бремени с XVII века. В XX веке заговорили ни более, ни менее, как об информационной катастрофе. Информационный кризис — это возрастающее противоречие между объемом накапливаемой в обществе информации и ограниченными возможностями ее переработки отдельно взятой личностью. По оценкам специалистов в настоящее время количество информации, циркулирующей в обществе, удваивается примерно каждый год. Появилась уверенность в том, что для того, чтобы справиться с такой лавиной информации, недостаточно возможностей человеческого организма. Для этого нужны специальные средства и методы обработки информации, ее хранения и использования. Сформировались новые научные дисциплины — информатика, кибернетика, бионика, робототехника и др., имеющие своей целью изучение закономерностей информационных процессов, то есть процессов, цель которых — получить, передать, сохранить, обработать или использовать информацию.
В наиболее общем виде информационный процесс (ИП) определяется как совокупность последовательных действий (операций), производимых над информацией (в виде данных, сведений, фактов, идей, гипотез, теорий и пр.) для получения какого-либо результата (достижения цели).
Информация не существует сама по себе, она проявляется в информационных процессах.
Информационные процессы всегда протекают в каких-либо системах.
Информационные процессы могут быть целенаправленными или стихийными, организованными или хаотичными, детерминированными или вероятностными, но какую бы мы ни рассматривали систему, в ней всегда присутствуют информационные процессы, и какой бы информационный процесс мы ни рассматривали, он всегда реализуется в рамках какой-либо системы — биологической, социальной, технической, социотехнической.
Пример. «Танец» пчел — процесс передачи информации от пчел-разведчиков пчелам-сборщикам меда. Обучение в школе — это процесс передачи информации, накопленной предыдущими поколениями людей, подрастающему поколению.
Электронная почта (как совокупность соответствующих аппаратных средств и программ) предназначена для обеспечения передачи данных между компьютерами.
В зависимости от того, какого рода информация является предметом информационного процесса и кто является его субъектом (техническое устройство, человек, коллектив, общество в целом), можно говорить о глобальных информационных процессах, или макропроцесссах, и локальных информационных процессах, или микропроцессах.
Схема взаимосвязи информационных процессов показана на рисунке, где линиями без стрелок показаны включения одних процессов в другие (нижних на схеме в верхние), а линиями со стрелками — последовательность выполнения процессов.
Пример. Процесс познания, распространение информации посредством средств массовой информации (СМИ), информационные войны, организация архивного хранения информации — глобальные ИП. Сравнение данных, двоичное кодирование текста, запись порции информации на носитель — локальные ИП.
Наиболее общими информационными процессами являются три процесса: сбор, преобразование, использование информации.
Каждый из этих процессов распадается, в свою очередь, на ряд процессов, причем некоторые из последних могут входить в каждый из выделенных обобщенных процессов.
Так, сбор информации состоит из процессов поиска и отбора. В свою очередь поиск информации осуществляется в результате выполнения процедур целеполагания и использования конкретных методов поиска.
Методы поиска бывают «ручные» или автоматизированные. Они включают в себя такие процедуры, как формирование поискового образа (в явном или неявном виде), просмотр поступающей информации с целью сравнения её с поисковым образом.
Отбор информации производится на основе ее анализа и оценки ее свойств (объективность, достоверность, актуальность и пр.) в соответствии с выбранным критерием оценки. Отобранная информация сохраняется.
Хранение информации — это распространение её во времени. Хранение информации невозможно без выполнения процессов кодирования, формализации, структурирования, размещения, относящихся к общему процессу преобразования информации.
В то же время кодирование, формализацию, структурирование можно вполне обоснованно отнести к процессам обработки информации. Наряду с вышеперечисленными к процессам обработки информации относятся также информационное моделирование, вычисления по формулам (численные расчеты), обобщение, систематизация, классификация, кластеризация, схематизация и т. п.
Обработка информации составляет основу процесса преобразования информации.
Информация может быть передана (распространена в пространстве) для её последующего использования, обработки или хранения. Процесс передачи информации включает в себя процессы кодирования, восприятия, расшифровки и пр.
Важнейшим процессом использования информации субъектом является процесс подготовки и принятия решений. Наряду с этим часто использование информации сводится к процессам формирования документированной информации (документов в том смысле, в каком этот термин используется в делопроизводстве) с целью подготовки информационного или управляющего воздействия.
Пример. Бухгалтер на основании имеющихся первичных документов (накладных, нарядов, табелей учета времени, инструкций по налогообложению и пр.) составляет сводную ведомость.
Сообщение о крупной аварии может стать основой для подготовки пакета документов о введении чрезвычайного положения.
В реальной практике широко используются процедуры, входящие в процесс защиты информации. Защита информации — важный компонент процессов хранения, обработки, передачи информации в системах любого типа, особенно в социальных и технических системах. К ней относятся разработка кода (шифра), кодирование (шифрование), сравнение, анализ, паролирование и т. п.
После того, как процесс использования информации завершен, например, решение принято и субъект приступил к его реализации, как правило, возникает новая задача и необходимы новая информация либо уточнение уже имеющейся. Это приводит к тому, что субъект вновь обращается к процедуре сбора информации и пр. Поэтому, говоря об информационных процессах, следует подчеркивать не только их взаимосвязь, но и цикличность. Отсюда ясно происхождение понятий «информационный цикл», «жизненный цикл информации».
Человек всегда стремится автоматизировать выполнение рутинных операций и операций, требующих постоянного внимания и точности. То же справедливо и по отношению к информационным процессам.
Универсальным устройством для автоматизированного выполнения информационных процессов в настоящее время является компьютер. Немалую роль в этом играют вычислительные системы и сети.
Что учащемуся необходимо знать
Информационный процесс — совокупность последовательных действий (операций), производимых над информацией (в виде данных, сведений, фактов, идей, гипотез, теорий и пр.) для получения какого-либо результата (достижения цели).
Информация проявляется именно в информационных процессах.
Информационные процессы всегда протекают в каких-либо системах (социальных, социотехнических, биологических и пр.).
Наиболее общими информационными процессами являются сбор, преобразование, использование информации.
К основным информационным процессам, изучаемым в курсе информатики, относятся: поиск, отбор, хранение, передача, кодирование, обработка, защита информации.
Информационные процессы, осуществляемые по определенным информационным технологиям, составляют основу информационной деятельности человека.
Компьютер является универсальным устройством для автоматизированного выполнения информационных процессов.