С. Л. Гольдштейн А. В. Кибардин информатика для физиков часть Введение Учебное пособие

ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона. Предмет и задачи информатики

В 1948 г. американский математик Норберт Винер провозгласил новую науку – кибернетику, проблему искусственного интеллекта и ввел новую научную категорию – “управление” [1]. Выделение категории “управление” позволило воспользоваться понятием информации и положить в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации. Сущность принципа управления: движение и действие больших масс или передача и преобразование больших количеств энергии направляются и контролируются при помощи небольших количеств энергии, несущих информацию. Этот принцип лежит в основе организации и действия любых управляемых систем: автоматических машин, живых организмов, социальных систем. Таким образом, кибернетика – это наука об общих законах получения, хранения, обработки и передачи информации.

Термин “информация” как научный термин введен Клодом Шенноном – автором теории информации (науки об оптимальном кодировании сообщений и передачи сигналов по каналам связи) в конце 40-х г.г. XX в. Шеннон ввел единицу измерения информации – 1 бит (от англ. BInary digiT – двоичная единица).
Каждому сигналу в теории Шеннона приписывается априорная вероятность его появления [2]. Чем меньше вероятность появления сигнала, тем больше информации он несет для потребителя. Этот факт можно выразить следующей формулой (формула Шеннона):


, (1.1)

где I – количество полученной информации при передаче сообщения; p_j – вероятность появления сигнала с номером j; n – количество возможных сигналов.

Рассмотрим несколько случаев. Пусть в системе возможно только одно событие. Свяжем с реализацией события сигнал. Тогда n = 1, и количество полученной информации I = 0. Если n =2 и p₁ = p₂ = 1/2 , то
I = - (1/2)log (1/2) - (1/2)log(1/2).
В случае двоичных логарифмов I = 1 – это значение и принято в качестве единицы измерения информации “бит”.
Отметим, что данное определение информации не содержит семантического, т.е. смыслового содержания сообщения. К понятию информации и возможным подходам к определению информации мы вернемся в части 6.“Информационные технологии”, а пока дадим практическое (обыденное) определение информации: информация – это сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, передачи и обработки в системе социальных коммуникаций. Отметим, что данное определение информации охватывает все формы социальной деятельности человека: науку, управление, просвещение, производство, сферу mass media.
Термин “информатика” (от фр. Informatique) введен в начале 70-х г.г. XX в. французскими специалистами. Американцы используют свой термин – Computer Science – для обозначения науки о способах обработки, накопления и передачи информации в социальной среде. Таким образом, принципиальное отличие информатики от кибернетики в том, что информатика рассматривает информацию только в системе социальных коммуникаций.
Информатика базируется на вычислительной технике. Отсюда три ее составляющие части:

• 
  техническое обеспечение;
  
• 
  алгоритмическое обеспечение;
  
• 
  программное обеспечение.
  

В следующих разделах мы рассмотрим общую характеристику технического и программного обеспечения информатики, а пока рассмотрим, какие задачи решает информатика. Чтобы лучше понять предмет и задачи информатики, сравним две науки: кибернетику и информатику.

1. 
   Кибернетика изучает общие законы движения информации. Информатика изучает технологию – т.е. конкретные способы обработки, передачи и использования информации.
   
2. 
   К области информатики относятся информационные технологи только в социальных системах.
   
3. 
   Кибернетика моделирует различные системы, а информатика занимается информационной “начинкой” моделей, технологией их разработки и машинного применения.
   
4. 
   Развитие кибернетики связано с передачей функций интеллекта техническим, искусственным устройствам, с воспроизведением функций живых организмов неживыми объектами. Развитие информатики подчинено технологическому использованию вычислительных машин и устройств, превращению “бумажной” информатики в “человеко-машинную”.
   

До середины XX в. человечество располагало лишь производственными технологиями, связанными с преобразованием вещества и энергии. В наше время человечество переживает научно-техническую революцию, материальной основой которой является электронно-вычислительная техника. На базе этой техники появился новый вид технологий – информационные технологии. К ним относятся процессы, в которых основой, сырьем переработки и выдаваемой продукцией является информация. Конечно, переработка информации связана с определенными материальными носителями и, следовательно, эти процессы включают также переработку вещества и преобразование энергии, но главную роль здесь играет информация.
Конечно, информационные технологии возникают не сами по себе, а в результате технологизации того или иного процесса. Настоящий период развития общества можно определить как период информационного кризиса. Количество информации, производимое в обществе, удваивается каждые 8-12 лет. Известный советский ученый И.Шкловский утверждал еще в 70-е г.г. XX в., что нашей цивилизации грозит перепроизводство информации, которое может парализовать общественную и экономическую жизнь – такую ситуацию он назвал “информационным коллапсом” по аналогии с процессом схлапывания звезд.
Ежегодно в мире публикуются сотни тысяч книг, миллионы статей, отчетов, инструктивных указаний пр. По данным ЮНЕСКО мировой фонд научных изданий превышает 200 миллионов. За последние 70 лет в мире накоплено более 20 миллионов патентов.
В работе [5] приводятся материалы из статьи английского физика Херрингса, анализирующего объемы научных публикаций в различные периоды.

Рис. 1.1

Из графиков, представленных Херрингсом, видно, что в 1938 г. специалист в определенной области науки в состоянии был прочитать всю мировую литературу, публикуемую в этой области, а к 1968 г. он мог прочитать только малую часть всех публикаций. Причем, физическая невозможность прочитать всю публикуемую в данной области литературу – не единственная проблема, которая возникает в области обработки информации. Существует большое число факторов, делающих эту проблему еще более острой [5]. Среди них межъязыковые факторы, проявляющие себя в том, что в потоке мировой научно-технической литературы все более увеличивается доля публикаций на таких языках, которыми не владеет подавляющее большинство ученых и специалистов, например, на итальянском, чешском, датском, хинди и др.

Не меньшим негативным характером обладают внутриязыковые факторы, т.е. терминологические. В результате специализации терминологии специалисты разных отраслей науки и техники все в меньшей степени понимают друг друга, причем не только специалисты разных отраслей, но и специалисты, работающие в близких, смежных областях науки.
Существуют факторы, которые можно назвать надъязыковыми, усложняющие коммуникацию между учеными, занимающимися разработкой фундаментальных проблем, и специалистами, решающими прикладные задачи. Создание принципиально новых устройств и технологий требует углубленного проникновения в фундаментальные области знания. Этот процесс порождает концепции, которые не в состоянии подчас понять и преломить в своей практической работе значительная часть инженеров.
Следующая группа факторов, препятствующих движению информации – это социально-экономические. К ним следует отнести политические, экономические, бюрократические факторы.
Немаловажное значение имеют и факторы психологические, то, что Энгельс называл “барьерным сознанием” – когда “человек ищет только то, о чем он думает, что оно существует и что ему нужно”.
Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно так определить главную функцию информатики: обоснование средств и методов технологизации информационно-коммуникативных процессов, т.е. их качественная перестройка на базе вычислительной техники, математического моделирования, программного управления.

2.