Інформація: поняття, види, одержання, вимірювання і проблема навчання

В.М. Казіев

Поняття інформації (informatio - роз'яснення, інформування, виклад) є одним з основних, ключових понять не тільки в інформатиці (в інформологіі - області знань, що вивчає прояв інформації, її подання, вимір і т.д.), але і в математиці, у фізиці та ін Поняття "інформація" - погано формалiзуються, і структуровані поняття. У силу його загальності, об'ємності, розпливчатості воно часто розуміється неточно і неповно не тільки що вимагаються. Як правило, це поняття в курсі інформатики не визначається, приймається як початкове базове поняття, невизначені терм.

Інформація трактується по різному, наприклад, як:

будь-яка сутність, що викликає зміни в деякій інформаційно-логічної (інфологіческой - що складається з даних, знань, абстракцій і т.д.) моделі системи (математика, системний аналіз);

повідомлення, отримані системою від зовнішнього світу в процесі адаптивного управління, пристосування (теорія управління, кібернетика);

заперечення ентропії, відображення заходи хаосу в системі (термодинаміка);

зв'язку, усувають невизначеність у системі (теорія інформації);

ймовірність вибору в системі (теорія ймовірності);

відображення різноманіття в системі (фізіологія, біокібернетика);

відображення матерії, атрибут свідомості, "інтелекту" системи (філософія).

В Відповідно до парадигмою фундаментальності інформатики як освітньої та наукової дисципліни, її виняткову роль у посиленні міждисциплінарних зв'язків, пізнанні системно-інформаційної картини світу, необхідне введення в цей фундаментальне, первинне поняття інформатики на досить науковому, строго-понятійному і в той же час доступному, змістовному рівні, наприклад, з допомогою змістовних прикладів і завдань. Ця проблема пов'язана з труднощами методологічного і методичного плану. Дана стаття (адаптовані до школи витяги з рукопису авторського підручника "Інформатика" для студентів, другий перероблене і доповнене видання [9]) має на меті полегшення цієї важкою, але обов'язково потребує розгляді завдання.

1. Поняття інформації, види інформації

Інформація - Це певна послідовність (в наявності впорядкованість) відомостей, знань, які актуалізуються (виходила, передавання, перетворені, стискальність або реєструються) за допомогою деяких знаків (символьного, образного, жестів, звукового, сенсомоторної типу). Це приріст, розвиток, актуалізація знань, що виникає в процесі целеполагающей інтелектуальної діяльності людини. Жодна інформація, ніяке знання не з'являється відразу - цьому передує етап накопичення, осмислення, систематизації досвідчених даних, поглядів. Знання -- продукт такого процесу. Мислення - необхідний атрибут такого процесу.

Інформація може існувати в пасивній (не актуалізованої) і активної (актуалізованої) формі.

Приклад. Інформація актуалізується повідомленнями, при цьому форми облачення інформації в повідомлення різні, наприклад, для живих істот - сигнали, жести, для технічних пристроїв - сигнали. Інформація передається від однієї людини іншому, може передаватися символами (лист), жестами (сигнальник на бойовому кораблі), звуками (диктор), геометричними фігурами (кресляр), художніми образами (балерина). Інформація передається тваринами може бути передана звуками (гавкіт, вої, писк), ситуаційних поведінкою (образами). Інформація в технічних пристроях, автоматах може бути передана електричними, магнітними, світловими імпульсами, як це відбувається в ЕОМ.

Інформація по відношенню до навколишнього середовища (або до використовує її середовищі) буває трьох типів: вхідна, вихідна і внутрішня.

Вхідна інформація (по відношенню до навколишнього середовища) - інформація, яку система сприймає від навколишнього середовища.

Вихідна інформація (по відношенню до навколишнього середовища) - інформація, яку система видає в навколишнє середовище.

Внутрішня, внутрішньосистемні інформація (по відношенню до системи) - інформація, яка зберігається, переробляється, використовується тільки всередині системи тобто актуалізуються лише тільки підсистемами системи. Це дещо ідеалізований (особливо з точки зору фізики відкритих систем) поняття.

Приклад. Людина сприймає, обробляє вхідну інформацію, наприклад, дані про погоду на вулиці, формує вихідну реакцію - ту чи іншу форму одягу. При цьому використовується внутрішня інформація, наприклад, це генетично закладена (або придбана) фізіологічна інформація про реакцію, наприклад, про "морозостійкості" людини.

Приклад. Генетично закладена в молекулах ДНК інформація і набута інформація (у пам'яті) впливають на поведінку, на адаптацію людини в навколишньому середовищі. У машинах першого покоління внутрішня структура визначалася тисячами ламп, причому кожна з них окремо була невисокою надійності, тобто вся система була ненадійною в роботі. Це впливало на вхідну інформацію, наприклад, такі ЕОМ не були здатні на роботу в багатозадачному режимі, в режимі реального часу (обробки повідомлень у міру отримання вхідних даних).

Інформація по відношенню до кінцевого результату проблеми буває:

вихідна (на початок актуалізації цієї інформації);

проміжна (від початку до завершення актуалізації інформації);

результуюча (після завершення її актуалізації).

Приклад. При вирішенні системи лінійних алгебраїчних рівнянь інформація від методах рішення, середовищі реалізації, вхідних даних (джерела, точність і т.д.), розмірності системи і т.д. є вихідною інформацією; інформація про спільності системи рівнянь, чисельних значеннях кореня і т.д. -- результуюча; інформація про поточні станах коефіцієнтів рівнянь реалізації схеми Гаусса - проміжна.

Інформація по мінливості при її актуалізації буває:

постійна (не змінна ніколи при її актуалізації);

мінлива (змінна при актуалізації);

змішана - Умовно - постійна (або умовно-змінна).

Приклад. До певної фізичної задачі визначення дальності польоту снаряда артилерійського знаряддя, інформація про кут нахилу знаряддя може бути змінної, інформація про початкової швидкості вильоту снаряда - постійною, а інформація про координати цілі - умовно-постійною.

Можлива також класифікація інформації та за іншими ознаками:

по стадії використання (первинна, вторинна);

по повноті (надлишкова, достатня, недостатня);

по відношенню до мети системи (синтаксична, семантична, прагматична);

по відношенню до елементів системи (статична, динамічна);

по відношенню до структури системи (структурна, відносна);

по відношенню до управління системою (керуюча, радна, перетворююча, змішана);

по відношенню до території, територіально (федеральна, регіональна, місцева, відносить до юридичної особи, що відноситься до фізичної особи, змішана);

по доступу (відкрита або загальнодоступна, закрита або конфіденційна, змішана);

по предметної області, за характером використання (статистична, комерційна, нормативна, довідкова, наукова, навчальна, методична і т.д., змішана) та інші.

Інформація у філософському аспекті буває, в основному: світоглядна; естетична; релігійна; наукова; побутова; технічна; економічна; технологічна.

Всі це (з людиною) складає ноосферу суспільства - більш висока стан біосфери, що виникло в результаті еволюції, структурування, упорядкування і гармонізації зв'язків у природі і суспільстві під впливом целеполагающей діяльності людства. Це поняття введено вперше В. І. Вернадським у як відображення еволюції суспільства і природи тобто системи, в рамках якої потенційно може бути реалізовано гармонійний, сталий розвиток (еволюція) систем "Товариство" і "Природа", а також поступове злиття, інтеграція та гармонізація наук про природу, пізнанні і про суспільство. Без цього неможлива побудова інформаційного суспільства.

Основні властивості інформації (і повідомлень):

повнота (утримання всього необхідного для розуміння інформації);

актуальність (необхідність) і значимість (відомостей, знань);

ясність (виразність повідомлень на мові інтерпретатора);

адекватність, точність, коректність (актуалізації знань);

интерпретованість і зрозумілість (інтерпретатору інформації);

достовірність (відображаються повідомленнями інформації);

інформативність, значимість (повідомлень, що відображають інформацію);

масовість (застосовність до всіх проявів);

кодованого і економічність (кодування, актуалізації повідомлень);

стискальність і компактність (повідомлень);

захищеність і перешкодостійкість (актуалізації інформації);

доступність (інтерпретатору);

цінність (значимість при достатньому рівні споживача).

Приклад. Рекламний щит - простий барвистий шматок дерева (заліза), але інформація закладена в повідомленнях на цьому щиті повинна володіти всіма перерахованими вище властивостями і тільки тоді цей щит буде асоціюватися у інтерпретатора (людини) з рекламованим товаром (послугами) та актуалізувати інформацію. При цьому вся форма подання реклами повинна будуватися з урахуванням зрозумілості інтерпретатору, бути інформативною. Поки символи не організовані певним чином, не використовуються для деякої визначеної мети, вони не відображають інформацію.

Інформація може виявитися і шкідливою, негативно впливає на свідомість, наприклад, виховує сприйняття світу від байдужого або ж некритичного - до негативного, "розлюченого", неадекватного. Інформаційний потік -- досить сильний подразник.

Приклад. Негативною інформацією - подразником може бути інформація про крах комерційного банку, про різке зростання (спад) валютного курсу, про зміну податкової політики та ін

Інформація не існує без інших типів ресурсів - енергії, речовини, організації, як і вони не можуть існувати без інформації. Будь-які взаємодії систем (підсистем) - взаємодії завжди матеріально-енерго-інформаційні. Виявлення (структурування, впорядкування, встановлення відносин), формалізація (опис формальними засобами, мовами), вивчення (розробка моделей, методів, алгоритмів), застосування (розробка та актуалізація технологій) цих взаємодій і становить основне завдання інформатики - як науки, як людської діяльності.

2. Методи одержання, використання інформації

Методи отримання і використання інформації можна розділити на три групи, умовно розмежовує і часто перекриваються один одним.

Емпіричні методи або методи отримання емпіричної інформації (емпіричних даних).

Теоретичні методи або методи отримання теоретичної інформації (побудови теорій).

Емпірика - Теоретичні методи (змішані, напівемпіричні) або методи отримання емпірику-теоретичної інформації.

Охарактеризуємо коротко емпіричні методи.

Спостереження - Збір первинної інформації про систему (у системі).

Порівняння - Встановлення загального та різного в системі (системах).

Вимірювання - Знаходження емпіричних законів, фактів для системи.

Експеримент - Цілеспрямоване перетворення системи (систем).

Крім цих класичних форм їх реалізації останнім часом використовуються і такі форми як опитування, інтерв'ю, тестування та ін

Охарактеризуємо коротко емпірику - теоретичні методи.

Абстрагування - Встановлення загальних властивостей об'єкта (об'єктів), заміщення системи її моделлю.

Аналіз - Роз'єднання системи на підсистеми з метою виявлення їх взаємозв'язків.

Синтез - З'єднання підсистем у систему з метою виявлення їх взаємозв'язків.

Індукція - Отримання знання про систему по знаннях про підсистемах.

Дедукція - Отримання знання про підсистемах за знаннями про систему.

евристики, використання евристичних процедур - отримання знання про систему по знаннях про підсистемах і спостереженнями, досвіду.

Моделювання, використання приладів - отримання знання про об'єкт за допомогою моделі та/або приладів.

Історичний метод - знаходження знань про систему шляхом використання його передісторії.

Логічний метод - метод знаходження знань про систему шляхом відтворення його підсистем, зв'язків або елементів у мисленні, у свідомості.

Макетування - Отримання інформації по макету системи, тобто за допомогою представлення підсистем у спрощеному вигляді, який зберігає інформацію, необхідну для розуміння взаємодії та зв'язків цих підсистем.

Актуалізація - Отримання інформації за допомогою активізації, ініціалізації її, тобто перекладом з статичної (неактуального) стану в динамічний (актуальне) стан; всі необхідні зв'язки і відносини (відкритої) системи з зовнішнім середовищем повинні бути збережені.

Візуалізація - Отримання інформації за допомогою візуального представлення станів актуалізованої системи; візуалізація припускає можливість виконання операції типу "пересунути", "повернути", "укрупнити", "зменшити", "видалити", "Додати" і т.д. (як по відношенню до окремих елементів, так і до підсистем системи).

В Останнім часом часто використовуються і такі форми як моніторинг (система спостережень і аналізу станів системи), ділові ігри та ситуації, експертні оцінки (експертне оцінювання), імітація (імітаційна процедура, експеримент) та ін

Охарактеризуємо коротко теоретичні методи.

Сходження від абстрактного до конкретного - одержання знань про систему на основі знань про його проявах у свідомості, в мисленні.

Ідеалізація - Одержання знань про систему або про її підсистемах шляхом уявного конструювання, уявлення в мисленні систем та/або підсистем, не що існують в дійсності.

Формалізація - Одержання знань про систему за допомогою знаків або ж формул, тобто мов штучного походження, наприклад, мови математики (або математична, формальний опис, подання).

аксіоматизації - Одержання знань про систему або процесі за допомогою деяких, спеціально для цього сформульованих аксіом і правил виведення з цієї системи аксіом.

Віртуалізація - Одержання знань про систему створенням особливої середовища, обстановки, ситуації, яку реально, без цього середовища неможливо реалізувати і отримати відповідні знання.

Всі ці методи отримання інформації звичайно застосовуються багаторівневим комплексним чином і можна запропонувати схему

3. Вимірювання  з ообщ еній  та інформації

Якщо відволіктися від конкретного смислового змісту інформації і розглядати повідомл ения інформації як послідовності знаків, сигналів, то їх можна представляти битами, а вимірювати в байтах, кілобайтах, мегабайтах, гігабайтах, гігабайт і петабайта.

Вище було зазначено, що інформація може розумітися і інтерпретуватися по різному. Внаслідок цього є різні підходи до визначення методів вимірювання інформації, заходи кількості інформації. Розділ інформатики (теорії інформації) вивчає методи вимірювання інформації називається інформметріей.

Кількість інформації - числова величина, що адекватно характеризує актуалізуються інформацію за різноманітністю, складності, структурованості, визначеності, вибором (ймовірності) станів видимої системи.

Якщо розглядається система, яка може приймати одне з n можливих станів, то актуальне завдання оцінки такого вибору, результату. Такою оцінкою може стати міра інформації (або події). Міра - це деяка безперервна дійсна точність має, визначена на множині подій і є аддитивной тобто міра кінцевого об'єднання подій (множин) дорівнює сумі заходів кожної події.

1. Міра Р. Хартлі. Нехай є N станів системи S або N дослідів з різними, рівноможливими послідовними станами системи. Якщо кожне стан системи закодувати, наприклад, двійковими кодами певної довжини d, то цю довжину необхідно вибрати так, щоб число всіх різних комбінацій було б не менше, ніж N. Найменше число, при якій це можливо чи захід різноманітності безлічі станів системи задається формулою Р. Хартлі: H = k logа N, де k - коефіцієнт пропорціональнос?? і (масштабування, залежно від вибраної одиниці виміру заходи), а - заснування системи заходів.

Якщо вимір ведеться в експоненційної системі, то k = 1, H = lnN (нат); якщо вимір - в двійковій системі, то k = 1/ln2, H = log2N (біт); якщо вимір - в десятковій системі, то k = 1/ln10, H = lgN (дит).

Приклад. Щоб визначити положення точки в системі з двох клітин тобто отримати деяку інформацію, необхідно поставити 1 запитання ( "Ліва або права клітина?"). Дізнавшись положення точки, ми збільшуємо сумарну інформацію про систему на 1 біт (I = log2 2). Для системи з чотирьох клітин необхідно задати 2 аналогічних питання, а інформація дорівнює 2 бітам (I = log24). Якщо система має n різних станів, то максимальну кількість інформації одно I = log2 n.

Справедливо затвердження Хартлі: якщо в безлічі X = (x1, x2, ..., xn) виділити довільний елемент xi