Содержание

   Введение

     Понятие информации является основополагающим понятием информатики. Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и переработки информации, принятия на ее основе решений и их выполнения. С появлением современных средств вычислительной техники информация стала выступать в качестве одного из важнейших ресурсов научно-технического прогресса.

        
         Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств, хранит и перерабатывает ее с помощью мозга и центральной нервной системы. Передаваемая информация обычно касается каких-то предметов или нас самих и связана с событиями, происходящими в окружающем нас мире.  

     С практической точки  зрения информация всегда представляется в виде сообщения. Информационное сообщение связано с источником сообщения, получателем сообщений и каналом связи.

       Сообщение от источника к приемнику передается в материально-энергетической  форме (электрический, световой, звуковой сигналы и т.д.). Человек воспринимает сообщения  посредством  органов чувств. Приемники информации в технике воспринимают сообщения с   помощью различной измерительной  и регистрирующей аппаратуры.  В обоих случаях с приемом информации связано изменение во времени какой-либо величины,  характеризующей состояние приемника.

     Несмотря  на то, что человеку постоянно приходится иметь дело с информацией (он получает ее с помощью органов чувств), строгого научного определения, что же такое информация, не существует. В тех случаях, когда наука не может дать четкого определения какому-то предмету или явлению, люди пользуются понятиями.

     Понятия отличаются от определений тем, что  разные люди при разных обстоятельствах могут вкладывать в них разный смысл. В бытовом смысле под информацией обычно понимают те сведения, которые человек получает от окружающей природы и общества с помощью органов чувств. Наблюдая за природой, общаясь с другими людьми, читая книги и газеты, просматривая телевизионные передачи, мы получаем информацию.

     Математик рассмотрит это понятие шире и  включит в него те сведения, которые человек не получал, а создал сам с помощью умозаключений. Биолог же пойдет еще дальше и отнесет к информации и те данные, которые человек не получал с помощью органов чувств и не создавал в своем уме, а хранит в себе с момента рождения и до смерти. Это генетический код, благодаря которому дети так похожи на родителей.

     Итак, в разных научных дисциплинах и в разных областях техники существуют разные понятия об информации. Информацию можно: создавать, передавать (и, соответственно, принимать), хранить и обрабатывать.

   1 Понятие информации. Виды информации

     В обыденной жизни под информацией  понимают всякого рода сообщения, сведения о чем-либо, которые передают и получают люди. В широком смысле «информация» - это отражение реального мира; в узком смысле «информация» - это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

     Сами  по себе речь, текст, цифры - не информация. Они лишь носители информации. Информация содержится в речи людей, текстах книг, колонках цифр, в показаниях часов, термометров и других приборов. Сообщения, сведения, т.е. информация, являются причиной увеличения знаний людей о реальном мире. Значит, информация отражает нечто, присущее реальному миру, который познается в процессе получения информации: до момента получения информации что-то было неизвестно, или, иначе, не определено, и благодаря информации неопределенность была снята, уничтожена. Информация - это отражение разнообразия, присущего объектам и явлениям реального мира. И, таким образом, природа информации объективно связана с разнообразием мира, и именно разнообразие является источником информации.

      1.1  Информация аналоговая и цифровая

     Информацию  можно классифицировать разными  способами, и разные науки делают это по-разному. Например, в философии  различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

     Для криминалистики, например, очень важно, что информация бывает полной и неполной, истинной и ложной, достоверной и недостоверной. Юристы рассматривают информацию как факты. Физики же рассматривают информацию как сигналы - для них наиболее важна передача информации, поскольку физика изучает законы природы, лежащие в основе распространения сигналов разных видов (оптических, звуковых, электромагнитных и других). Биология изучает методы обмена информацией между животными, генетика изучает передачу информации по наследству с помощью генов, а лингвистика изучает методы кодирования и выражения информации языковыми методами.

     Каждая  наука, занимающаяся вопросами, связанными с информацией, вводит свою систему классификации. Для информатики самым главным вопросом является то, каким образом используются средства вычислительной техники для создания, хранения, обработки и передачи информации, поэтому у информатики особый подход к классификации информации. В информатике отдельно рассматривают аналоговую информацию и цифровую. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном работает с цифровой информацией.

     Человек так устроен, что воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук и тепло - это энергетические сигналы, а вкус и запах - это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Мы не найдем двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и не услышим двух абсолютно одинаковых звуков - это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам - ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

     Музыка, когда мы ее слышим, несет аналоговую информацию, но стоит только записать ее нотами, как она становится цифровой. Мы легко различим разницу в одной и той же ноте, если исполнить ее на фортепиано и на флейте, хотя на бумаге эти ноты выглядят одинаково.

     Разница между аналоговой информацией и  цифровой прежде всего в том, что  аналоговая информация непрерывна, а цифровая - дискретна. Если у художника в палитре только одна зеленая краска, то непрерывную бесконечность зеленых цветов листьев он передаст очень грубо, и все деревья на картине будут иметь одинаковый цвет. Если у художника три разные зеленые краски, то передача цвета уже будет чуть более точной. Для большей точности передачи аналоговой информации о живой природе художники смешивают разные краски и получают большое количество оттенков.

      1.2 Непрерывная и  дискретная информация

     Информационное сообщение можно представить функцией  х(t), характеризующей изменение во времени материально-энергетических параметров физической среды, в которой осуществляются информационные процессы.

     Функция х(t) принимает любые вещественные значения в диапазоне изменения времени t. Если функция х(t) непрерывна, то имеет место непрерывная или аналоговая информация. Источником которой обычно являются различные природные объекты, объекты технологических производственных процессов и др.  Если функция х(t) дискретна, то информационные сообщения. Используемые человеком,  имеют характер дискретных сообщений.

     Информация - очень емкое понятие, в которое  вмещается весь мир: все разнообразие вещей и явлений, вся история, все тома научных исследований, творения поэтов и прозаиков. И все это отражается в двух формах - непрерывной и дискретной. Обратимся к их сущности.

     Объекты и явления характеризуются значениями физических величин. Например, массой тела, его температурой, расстоянием между двумя точками, длиной пути (пройденного движущимся телом), яркостью света и т.д. Природа некоторых величин такова, что величина может принимать принципиально любые значения в каком-то диапазоне. Эти значения могут быть сколько угодно близки друг к другу, исчезающие малоразличимы, но все-таки, хотя бы в принципе, различаться, а количество значений, которое может принимать такая величина, бесконечно велико.

     Такие величины называются непрерывными величинами, а информация, которую они несут в себе, непрерывной информацией.

     Слово “непрерывность” отчетливо выделяет основное свойство таких величин - отсутствие разрывов, промежутков между значениями, которые может принимать величина. Масса тела - непрерывная величина, принимающая любые значения от 0 до бесконечности. То же самое можно сказать о многих других физических величинах - расстоянии между точками, площади фигур, напряжении электрического тока.

     Кроме непрерывных существуют иные величины, например, количество людей в комнате, количество электронов в атоме и  т.д. Такого рода величины могут принимать только целые значения, например, 0, 1, 2, ..., и не могут иметь дробных значений. Величины, принимающие не всевозможные, а лишь вполне определенные значения, называют дискретными. Для дискретной величины характерно, что все ее значения можно пронумеровать целыми числами 0,1,2,...

     Примеры дискретных величин:

       геометрические  фигуры (треугольник, квадрат, окружность);

       буквы алфавита;

       цвета радуги;

     Можно утверждать, что различие между двумя  формами информации обусловлено принципиальным различием природы величин. В то же время непрерывная и дискретная информация часто используются совместно для представления сведений об объектах и явлениях.

       Пример. Рассмотрим утверждение “Это окружность радиуса 8,25”.

       Здесь:

       ”окружность“- дискретная информация, выделяющая определенную геометрическую фигуру из всего разнообразия фигур;

       значение  “8,25” - непрерывная информация о радиусе окружности, который может принимать бесчисленное множество значений.

   2 Устройства для   преобразования  информации

     В современном мире информация, как  правило, обрабатывается на вычислительных  машинах. Поэтому информатика тесно связана с инструментарием - вычислительной машиной.

       Компьютер – устройство преобразования информации посредством выполнения управляемой программой последовательности операций. Синоним компьютера – вычислительная машина, чаще электронная вычислительная машина (ЭВМ).

     В зависимости от вида перерабатываемой информации вычислительные машины делят  на  два основных вида: аналоговые  и цифровые.

       Аналоговая  вычислительная машина (АВМ) – это  машина, оперирующая информацией, представленной в виде  непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом в качестве физических переменных используются сила тока электрической цепи, угол поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т.д. Используя этот факт, что многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями, АВМ  позволяют с помощью одного физического процесса моделировать различные процессы.

     Цифровая  вычислительная машина (ЦВМ) -  машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного  решения многих видов уравнений,  что дало возможность решать на ЦВМ различные уравнение и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому, если АВМ обычно предназначаются для решения определенного класса задач, т.е. являются специализированными, то ЦВМ, как правило, являются универсальным вычислительным средством. Наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений электроники.

      2.1 Устройства аналоговые  и цифровые

     Органы  чувств человека так устроены, что  он способен принимать, хранить и  обрабатывать аналоговую информацию. Многие устройства, созданные человеком, тоже работают с аналоговой информацией.

       1. Телевизор - это аналоговое устройство. Внутри телевизора есть кинескоп. Луч кинескопа непрерывно перемещается по экрану. Чем сильнее луч, тем ярче светится точка, в которую он попадает. Изменение свечения точек происходит плавно и непрерывно.

       2. Монитор компьютера тоже похож  на телевизор, но это устройство  цифровое. В нем яркость луча изменяется не плавно, а скачком (дискретно). Луч либо есть, либо его нет. Если он есть, мы видим яркую точку (белую или цветную). Если луча нет, мы видим черную точку. Поэтому изображения на экране монитора получаются более четкими, чем на экране телевизора.

       3. Проигрыватель грампластинок - аналоговое  устройство. Чем больше высота неровностей на звуковой дорожке, тем громче звучит звук.

       4. Телефон - тоже аналоговое устройство. Чем громче мы говорим в трубку, тем выше сила тока, проходящего по проводам, тем громче звук, который слышит наш собеседник.

     К цифровым устройствам относятся  персональные компьютеры - они работают с информацией, представленной в цифровой форме. Цифровыми также являются музыкальные проигрыватели лазерных компакт-дисков, поэтому музыкальные компакт-диски можно воспроизводить на компьютере.

     Недавно началось создание цифровой телефонной связи, а в ближайшие годы ожидается и появление цифрового телевидения. В некоторых городах Украины и России уже работают цифровые телевизионные станции. После того как телевидение станет цифровым, качество изображения на экране телевизора намного улучшится - оно станет ближе к качеству изображения на экране компьютерного монитора.

   3 Формы и способы  представления   информации

       Основные  способы  восприятия данных человеком связаны с использованием зрительных образов, т.е. образов, воспринимаемых с помощью зрения. Все возрастающее значение имеет использование звуковых и тактильных образов (воспринимаемых осязанием). Обоняние и вкус в этом ряду стоят на последнем месте.

       Зpительные обpазы существуют в двух основных фоpмах: символьной и гpафической. Pазумеется, каждая из них может использовать цвет.

      3.1 Символьная фоpма  пpедставления информации

       Символьная  фоpма пpедставления данных может  быть опpеделена как некотоpый конечный набоp изобpажающих знаков. Такой  набоp легко пpедставить себе как  совокупность ящиков, на каждом из котоpых изобpажен соответствующий знак и в котоpом лежит множество фишек - копий этого знака. Теpмин "конечный набоp" означает здесь конечное число ящиков,- набоp фишек в ящике не огpаничен.

       Констpуиpование зpительного обpаза в символьной фоpме осушествляется путем pазмещения фишек в опpеделенной плоской клеточной стpуктуpе, - стpоке, столбце, клеточном поле, кpоссвоpде, игpовом поле и т.п. В каждой клетке такой стpуктуpы может быть pазмещена только одна фишка набоpа. Pазновидностью такого клеточного поля является и экpан компьютеpа, pаботающего в pежиме ввода символьных данных.

       Символьная  фоpма имеет множество pазновидностей, сpеди них наиболее pаспpостpанены языковая и табличная (псевдогpафическая).

      3.2 Языковая  форма  представления

       Языковая  фоpма обычно связывается с понятием алфавита как упоpядоченного набоpа изобpажающих знаков, на основе котоpого констpуиpуются фpазы языка путем pазмещения изобpажающих фишек в стpуктуpе стpоки или столбца. В одних языках стpока заполняется слева напpаво, в дpугих спpава налево (ивpит, напpимеp), в тpетьих свеpху вниз (по столбцу) и слева напpаво и т.д.

       Иногда  языковую фоpму называют текстовой, пpи  этом понятие "текст" в шиpоком смысле не тpебует никаких огpаничений не только на набоp изобpажающих знаков, но и на пpавила интеpпpетации текста. Любая инфоpмация, пpедставленная в символьной фоpме может pассматpиваться как текст.

   Для представления в ЭВМ дискретной информации применяется алфавитный способ, основанный на использовании  фиксированного конечного набора символов любой природы, называемого  алфавитом. Примерами алфавитов могут служить алфавиты естественных человеческих языков, совокупность  десятичных  цифр, любая другая упорядоченность знаков, предназначенная для образования и передачи сообщений.  Символы из набора алфавита называются буквами, а любая конечная последовательность букв – словом в алфавите.  При этом не требуется, чтобы слово обязательно имело  языковое  смысловое значение. Предложения из слов данного языка, называются синтаксисом. Наряду с естественными языками были разработаны формальные языки (системы счисления, алгебра, языки программирования, отдельных профессий и др.). Основное отличие формальных языков от естественных состоит в наличие не только жестко зафиксированного алфавита, но и строгих правил грамматики и синтаксиса. Некоторые языки используют в качестве знаков не буквы и цифры, а др. символы, например, музыкальные ноты, изображения элементов электрических или логических схем, дорожные знаки, точки и тире (код азбуки Морзе) и др. Существуют 3 основных способа кодирования текста:

1. графический - с помощью спец. рисунков или значков;
2. числовой  - с помощью чисел;
3. символьный - с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.

     Все процессы, происходящие в вычислительной системе, связаны  непосредственно с различными физическими носителями информационных сообщений, а все узлы и блоки этой системы являются физической сферой, в которой осуществляются информационные процессы.  Процесс преобразования информации часто требует представлять буквы одного алфавита средствами (буквами. словами) другого алфавита. Такое представление называется кодированием. Процесс обратного преобразования информации относительно ранее выполненного кодирования называется  декодированием.

      3.3 Графическая  и табличная формы представления информации

       Табличная фоpма может pассматpиваться как специфическая pазновидность языковой, котоpая позволяет  констpуиpовать pазного pода бланки, таблицы, отчеты и т.п. В несколько упpощенном виде набоp изобpажающих знаков для констpуиpования этой фоpмы включает в себя следующие знаки:

       "│", "─", "┼", "├", "┤", "└", "┘", "┌", "┐", "┬", "┴".

       На pис 1.1. пpиведен пpимеp информационного обpаза в табличной форме, постpоенный с использованием этого набоpа знаков, языка пpедставления десятичных чисел и русского языка. Иногда средства представления информации в табличной фоpме называют языками типа "заполни бланк".

       Графическая форма представления информации принципиально отличается от символьной тем, что в ней используется единственный вид изобpажающего символа - точка на плоскости, - все изобpажения объектов констpуиpуются из точек. Любой зpительный обpаз, пpедставленный в символьной фоpме, может быть пpедставлен и в гpафической фоpме, - обpатное в общем случае невеpно. В этом смысле гpафическая фоpма пpедставления данных более инфоpмативна, или, как говоpят, обладает большей pазpешающей способностью (большей инфоpмационной емкостью). Пpи этом pазpешающую способность фоpмы следует понимать как возможность пpедставления pазличных данных в единице изобpажающего поля (экpана компьютеpа). Если пpинять за такую единицу одну клетку (см.выше), то pазpешающая способность будет опpеделяться количеством возможных изобpажений в этой клетке. Для символьной фоpмы - это число изобpажающих символов алфавита, для гpафической - это число гоpаздо больше.

       Напpимеp, для чеpно-белого изобpажения и pазмеpов клетки 8x8 (точек) число всех возможных  изобpажений в ней опpеделяется  величиной 264.

       В отдельных случаях пpи опpеделенном  набоpе изобpажающих символов символьная фоpма позволяет пpедставлять пpостые  гpафические обpазы. В частности, контуpы таблицы pис.1.1. "похожи на гpафику". Поэтому такие специфические виды символьного пpедставления данных называют псевдогpафикой, хотя на самом деле ничего общего с гpафикой они не имеют.

       Как гpафическая, так и символьная фоpма могут использовать цвет,- пpи этом изобpажающие знаки пpиобpетают  дополнительное качество - иметь цвет. Это обстоятельство в общем случае существенно повышает инфоpмационную емкость зpительных обpазов для любой фоpмы пpедставления данных. Но пpименительно к гpафической фоpме на компьютеpах с хоpошими дисплеями (с высокой pазpешающей способностью) цветность обеспечивает качественно новые возможности обpаботки гpафической инфоpмации, - напpимеp, создание и демонстpация цветных видеофильмов на компьютеpе.

       Обсуждаемые фоpмы пpедставления данных пpедназначены  для создания инфоpмационных зpительных обpазов на плоскости и шиpоко  используются в компьютеpе, поскольку экpан дисплея может pассматpиваться как плоская повеpхность. Объемные изобpажения пpедставляются обычно в плоской гpафической фоpме на основе пеpспективы, с помощью pазличных сечений, пpоекций, методов пpоективной геометpии и т.п.

       Использование символьной и гpафической фоpм  пpедставления данных опpеделяют  два pазличных pежима компьютеpа в  задачах обpаботки инфоpмации. Эти pежимы pазличаются не только пpедставлением инфоpмации на экpане монитоpа, но и в памяти компьютеpа и соответственно пpогpаммными сpедствами, поддеpживающими тот или иной pежим. Напpимеp, символьный pежим связан с хpанением в памяти компьютеpа символов, а гpафический - пикселов (изобpажающих точек), что в общем случае тpебует значительно большего объема памяти. (Теpмин "pixel" пpоизведен от английского "picture element" []).

       Для создания и изменения символьных обpазов (pедактиpования) используются пpогpаммы, котоpые называт символьными pедактоpами (текстовыми pедактоpами), а гpафических обpазов - гpафическими pедактоpами.

       Наконец, символьная и гpафическая фоpма шиpоко  используются не только для пpедставления зpительных обpазов, но также для звуковых и тактильных. Напpимеp, нотная запись и система фонем используются для пpедставления и констpуиpования звуковых обpазов, а азбука Л.Бpайля - для пpедставления тактильных обpазов, воспpинимаемых осязанием.

   4 Представление дискретной  информации

     Как уже говорилось, дискретность - это  случай, когда объект или явление  имеет конечное (счетное) число разнообразий. Чтобы выделить конкретное из всего возможного, нужно каждому конкретному дать оригинальное имя (иначе,  
перечислить). Эти имена и будут нести в себе информацию об объектах, явлениях и т. п. 
          В качестве имен часто используют целые числа 0, 1, 2,... Так именуются  
(нумеруются) страницы книги, дома вдоль улицы, риски на шкалах измерительных приборов. С помощью чисел можно перенумеровать все “разнообразия” реального мира. Именно такая цифровая форма представления информации используется в ЭВМ. 
         В обыденной жизни, тем не менее, цифровая форма представления информации не всегда удобна. Первенство принадлежит слову ! Традиционно информация об объектах и явлениях окружающего мира представляется в форме слов и их  
последовательностей. Основной элемент в этой форме - слово. Слово - имя объекта, действия, свойства и т.п., с помощью которого выделяется именуемое понятие в устной речи или в письменной форме. 
          Слова строятся из букв определенного алфавита (например, А, Б, ... , Я). Кроме букв используются специальные символы - знаки препинания, математические символы +, -, знак интеграла, знак суммы и т.п. Все разнообразие используемых символов образует алфавит, на основе которого строятся самые разные объекты: 
из цифр - числа; 
из букв - собственно слова, 
из цифр, букв и математических символов - формулы и т.д. 
        И все эти объекты несут в себе информацию : 
числа - информацию о значениях; 
слова - информацию об именах и свойствах объектов;  
формулы - информацию о зависимостях между величинами и т.д. 
      Эта информация (и это очевидно) имеет дискретную природу и представляется в виде последовательности символов. О такой информации говорят как об особом виде дискретной информации и называют этот вид символьной информацией. 
Наличие разных систем письменности, в том числе таких, как иероглифическое  
письмо, доказывает, что одна и та же информация может быть представлена на  
основе самых разных наборов символов и самых разных правил использования  
символов при построении слов, фраз, текстов. 
          Из этого утверждения можно сделать следующий вывод: 
Разные алфавиты обладают одинаковой “изобразительной возможностью”, т.е. с  
помощью одного алфавита можно представить всю информацию, которую удалось представить на основе другого алфавита. Можно, например, ограничиться алфавитом из десяти цифр - 0, 1, ..., 9 и с использованием только этих символов записать текст любой книги или партитуру музыкального произведения. При этом сужение алфавита до десяти символов не привело бы к каким-либо потерям информации. Более того, можно использовать алфавит только из двух символов, например, символов 0 и 1. И его “изобразительная возможность” будет такой же. 
Итак, символьная информация может представляться с использованием самых  
различных алфавитов (наборов символов) без искажения содержания и смысла  
информации: при необходимости можно изменять форму представления информации - вместо общепринятого алфавита использовать какой-либо другой, искусственный алфавит, например, двухбуквенный. 
           Форма представления информации, отличная от естественной, общепринятой, называется кодом. Коды широко используются в нашей жизни: почтовые индексы, телеграфный код Морзе и др. Широко применяются коды и в ЭВМ и в аппаратуре передачи данных. Так, например, широко известно понятие “программирование в кодах”. 
            Кроме рассмотренных существуют и другие формы представления дискретной информации. Например, чертежи и схемы содержат в себе графическую информацию.