Информация как исходная категория мироздания

Поскольку любая деятельность человека связана с процессом сбора и обработки информации, принятия на этой основе решений о целесообразности и способах их выполнения, понятие «информация» стало базовым для интенсивно развивающегося направления в науке и практике – информатики. В результате информация, благодаря интенсивному совершенствованию средств автоматической обработки данных, стала выступать в качестве одного из важнейших ресурсов научно-технического прогресса.

В современном представлении информация является одной из исходных категорий мироздания наряду с материей и энергией, причем все они тесно взаимосвязаны и проявляются как природе, так и процессах, порожденных человеком. Примеры такой связи легко заметить в таких природных явлениях как фазовые преобразования веществ, где кроме энергетических затрат имеют место информационные процессы (связанные с изменениями расположения атомов), в процессах управления и образовательной деятельности общества.

Сегодня нет ответа на вопрос - какая из категорий (материя, энергия или информация) важнее. Вместе с тем прогресс человечества в условиях материальных и энергетических ограничениях сопровождается интенсивным увеличением общего объема подлежащей обработке информации и можно утверждать, что значимость информации по отношению к двум другим рассмотренным категориям непрерывно возрастает.

Как следует из сказанного "информация" в отличие от таких категорий как материи и энергии может возникать и исчезать и поэтому является первичным и неопределяемым понятием.

Первоначально смысл слова «информация» трактовался как нечто присущее только человеческому сознанию и общению – знания, сведения, известия. Затем смысл этого слова начал расширяться и обобщаться. Так, с позиций материалистической теории познания од­ним из всеобщих свойств материи (наряду с движением, развити­ем, пространством, временем и др.) было признано отражение, зак­лючающееся в способности адекватно отображать одним реальным объектом другие реальные объекты, а сам факт отражения одного объек­та в другом и означает присутствие в нем сведений об отражае­мом объекте. Таким образом, как только состояния одного объекта соотносится с состояниями другого объекта (напри­мер, показания приборов) это значит, что один объект отражает другой, т. е. содержит информацию о нем.

Специфической формой отражения является сознание человека, придающее понятию «информация» универсальность благодаря его использованию во всех без исключения сферах человеческой деятельности: философии, естественных и гуманитарных науках, биологии, медицине, психологии, социологии, искусстве, технике и экономике и повседневной жизни.

Во всех случаях, касающихся информационных процессов, материальный объект или среда, которые служат для представления или передачи информации, являются ее материальным носителем (бумага, диск, воздух и т.п.). При этом хранение информации связано с фиксацией состояния носителя (например, напечатанный текст), а распространение информации - с процессом, который протекает в носителе, причем, только с нестационарным процессом, то есть характеристики которого, меняются (например, постоянный источник света информацию не переносит, а пульсирующий пригоден для генерации и переноса двоичного кода).

Другими словами информация связывается не с существованием самого процесса (как в примере с источником света), а именно с изменением какой-либо его характеристики, которое используется для представления информации, и является сигналом, а значение этой характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерений, параметром сигнала.

Например:

Способ передачи	Процесс	Параметры сигнала
Звук	Звуковые волны	Частота и амплитуда звуковых волн
Изображение	Световые волны	Частота и амплитуда световых волн

Основные определения

1. Последовательность сигналов называется сообщением. Сообщение, таким образом, служит переносчиком информации, а информация является содержанием сообщения.

2. Изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения – это информационный процесс (в отличие от материи и энергии информация может создаваться и исчезать). Основные виды информационных процессов:

• создание новой информации
• преобразование информации
• передача информации
• уничтожение информации

3. Понятие «информация» имеет смысл при наличии источника и приемника, причем информация передается от источника к приемнику в материально-энергетической среде (линии связи) в форме сигналов.

4. Источник информации нечто порождающее информацию в виде сообщения.

5. Получатель информации - субъект или объект, получающий сообщение, способный его интерпретировать и использовать для управления (т.е. имеющий кибернетическую природу). Необходимо подчеркнуть, что только в этом случае получатель сообщения является получателем информации (поскольку, например, сообщение в виде текста на незнакомом языке никакой информации для получателя не содержит – кроме самого факта его получения).

6. Информация передается в форме сообщений от некоторого источника информации к получателю посредством процессов в некоторой среде и связанных с ними. Совокупность средств, осуществляющих передачу сообщений от источника к получателям, называется системой связи.

7. Канал связи – совокупность технических устройств, обеспечивающих перенос сигнала от передатчика к приемнику.

8. Кодирующее устройство предназначено для преобразования исходного сообщения от источника к виду (коду), удобному для передачи информации.

9. Декодирующее устройство предназначено для преобразования кода полученного сообщения в вид исходного, либо удобного получателю.

10. Для передачи информации используются два вида сигналов – непрерывные и дискретные. Несмотря на достаточную условность такого деления, оно удобно для описания работы устройств, используемых в практике кодирования и передачи сообщений.

Сигнал относят к непрерывным (или аналоговым), если его параметр может принимать как постоянное, так и неограниченное количество переменных значений в пределах интервала существования сигнала (например, музыка)

Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать только конечное число значений в пределах некоторого интервала.

Непрерывность или дискретность сигнала оценивается по уровню и во времени.

Примером дискретного сообщения может служить обычный процесс чтения, когда информация кодирована в форме текста - последовательности отдельных символов из некоторого оговоренного набора (алфавита).

Примером непрерывного информационного потока является человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной - параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника - человеческого уха.

непрерывный сигнал

дискретный сигнал

11. Как видно из графика дискретные сигналы (их конечное множество) можно обозначить, приписав каждому из значений некоторый знак (например, цифру):

Знак - это элемент некоторого конечного множества отличных друг от друга символов.

Набор знаков, в котором установлен порядок их следования, есть алфавит (например, десятичные цифры от 0 до 9).

Преобразование сообщений

Рассмотренные формы сигналов предполагают четыре варианта преобразований:

Н1>>Н2

Примеры: а) микрофон: звук преобразовывается в электрические сигналы

б) телекамера: изображение и звук – в электрические сигналы

Общим недостатком такого преобразования является искажение сигналов помехами, образуемыми самим техническим устройством, и связанные с этим потери информации.

Д1>>Д2

Это преобразование связано с переходом к представлению сигналов в другом алфавите и фактически является перекодировкой (например, шифрование текста, запись слов русского языка латиницей, переход к другой системе счисления и т.п.).

Н>>Д

Математически такое преобразование (переход от аналоговой формы представления сигнала к дискретной) означает переход от непрерывной функции Z(t), описывающей этот сигнал на некотором временном интервале [t₁,t₂], конечным множеством {z_i,t_i}, i=0...n, где n – количество точек разбиения временного интервала. Это преобразование называется дискретизациейнепрерывного сигнала и может осуществляться посредством процедур двух видов:

· развертки по времени

· квантования по величине

Развертка по времени осуществляется за счет фиксации значений Z(t) не непрерывно, а только в определенные моменты времени с интервалом:

Квантование по величине – это отображение значения Z(t) в конечное множество чисел, кратных так называемому шагу квантования .

Практически совместное выполнение этих операций равносильно:

· нанесению масштабной сетки на график Z(t) в соответствии с величинами и

· выбора в качестве пар значений {z_i,t_i} узлов сетки, расположенных наиболее близко к z(t_i).

Полученное множество является дискретным представлением исходной непрерывной функции.

Очевидно, что чем n меньше, тем меньше узлов и меньше точность преобразования и тем больше вероятность потери информации. С другой стороны, увеличивая n можно повысить точность преобразования, однако полной адекватности достичь нельзя, так как n всегда конечная величина. Условиям минимизации потерь информации при Н>>Дпреобразованиях посвящена следующая теорема (теорема отсчетов Котельникова), приводится без доказательств:

Непрерывный сигнал можно полностью отобразить и точно воссоздать по последовательности измерений или отсчетов величины этого сигнала через одинаковые интервалы времени, меньшие или равные половине периода максимальной частоты, имеющейся в сигнале.

Теорема справедлива для таких линий связи, работа которых основана только на колебательных или волновых процессах (как это имеет место для большинства практических устройств) что не является существенным ограничением и указанный принцип является основанием для выбора

Что касается шага квантования , то он определяется чувствительностью приемного устройства и не должен быть меньше возможностей приемника. Например, если глаз человека способен воспринимать до 16 миллионов цветов, то при квантовании видеосигнала нет необходимости выбирать большое число градаций.

Д>>Н

Теорема отсчетов дает ответ и на вопрос о возможности проведения такого преобразования без потери информации (здесь не рассматривается).

Таким образом, во всех видах Н>>Дпреобразований сообщений, имеется возможность осуществить их без потери информации, однако с позиций практической организации обработки информации, дискретная форма представления имеет ряд принципиальных преимуществ, это:

· высокая помехоустойчивость

· простота и надежность устройств обработки

· высокая точность обработки информации

· универсальность обрабатывающих устройств, за счет отсутствия материальной либо энергетической связи между исследуемым процессом и программой обработки, а также независимость от физических особенностей способа организации передачи и представления информации, подлежащей обработке (т.е. результаты не зависят от характера физических процессов и видов сигналов и будут справедливы для любой информации представленной в дискретной форме).

Последнее свойство является следствием того обстоятельства, что любые дискретные сообщения, составленные в совершенно различных алфавитах можно привести к некоторому единому алфавиту (форме представления или коду), который можно принять в качестве основного путем преобразования типа Д1>>Д2,представляя таким образом любую дискретную информацию. Следовательно, устройство, работающее с информацией, представленной в стандартной форме, универсально, так как пригодно для обработки любой дискретной информации и, следовательно, для решения любых задач. Имен поэтому в качестве универсального алфавита принят двоичный код и связанные с ним коды с основанием 8 и 16, а устройства использующие такой способ хранения и обработки информации – цифровые вычислительные машины (компьютеры).

Как следует из сказанного, информация есть фундаментальная философская категория, которой присущи характерные свойства, способы передачи и существования, и которые можно сформулировать, например, следующим образом:

Информация - специфический атрибут материального мира, являющийся объективным отражением его свойств и процессов в нем в виде совокупности сигналов и проявляющийся при взаимодействии «источника» и «приемника» информации, способного выделять, регистрировать, идентифицировать, интерпретировать и использовать эти сигналы для управления. Таким образом:

· информация объективна, так как является отражением свойств материи

· информация проявляется в виде сигналов только при взаимодействии «источника» и «приемника».

· одна и та же информация различными «приемниками» может быть интерпретирована по-разному.