ГЛАВА ВТОРА - ИНФОРМАЦИЯ И АЛГОРИТМИ

2.1. Информация

При изследване на понятието "информация" се прилагат различни методи в зависимост от науката, в която се извършва изследването. Например психологията се интересува от ролята на информацията в процесите на общуване между хората и тяхната познавателна дейност.

Необходимост от изучаване на информацията възниква в началото на 20 век. Тогава започва използването на информация в съобщителните системи и възниква необходимост от нейното измерване. По-късно, през 1948 год., американският инженер Шенон публикува своята теория за информацията, в която информацията се разглежда като средство за намаляване на неопределеността.

Информация - това са сведения, познания за реалния свят, които се възприемат при взаимодействие с него. Информацията е отражение на определени свойства на обектите и процесите в действителността от даден обект или субект. Обектите и субектите, които могат да формират у себе си представи за околната среда, биват - Получатели на информация и Източници на информация. Получателите увеличават познанията си за реалния свят. Източниците изпращат в околното пространство сигнали, които се разглеждат като носители на информация. Приема се, че сигналът може да достигне до получателя посредством някаква материална среда, наречена канал за връзка. Отражението на свойствата на обектите от субекта може да се материализира чрез създаване на нови реални обекти, наречени информационни обекти. Информационният обект се различава от своя първообраз. Това се дължи на факта, че при отражението се отчитат само определени свойства на възприемания обект.

Понятието информация е в тясна връзка с понятието съобщение. Понякога те се употребяват като синоними. Съобщението е конкретен израз на определена информация. В този случай е възможно една информация да бъде изразена с различни съобщения. Например съобщенията "15 септември", "Първият учебен ден" изразяват информация за начало на учебната година. Обратно - едно съобщение може да изразява различна информация. Цифрата "6" може да означава брой хора, оценка, стойност.

Тъй като е възможно едно съобщение да изразява различна информация, то информацията може да се разглежда като начин за осмисляне на съобщенията. Установяването на еднаквост между информация и съобщение е резултат на предварителна договореност между предаващия и приемащия дадено съобщение.

Информацията може да бъде класифицирана по различни показатели. Според нейната същност тя бива: техническа, научна, социална, икономическа, управляваща и др. Тя може да бъде още систематизирана или да има случаен характер. В зависимост от начина на изразяване, информацията може да бъде дискретна и непрекъсната. Непрекъснатата се изразява чрез съобщения, които представляват непрекъснати във времето сигнали или обекти в пространството. Например речта и филмите предават информация с непрекъснат характер. Дискретната информация се състои от съобщения, съставени от отделни елементи, разположени в пространството и времето. Например печатният текст предава дискретна информация или пък информацията предадена чрез дадена изложба има дискретен характер. Но най-често информацията има смесен характер, т.е. тя представлява композиция от непрекъсната и дискретна информация.

2.2. Характеристики на информацията

Ежедневно всеки човек, независимо от предмета на неговата дейност, преработва огромно количество информация. Дадена информация се характеризира със своята съдържателност, ценност и количество. Тъй като информацията се изразява чрез някакво съобщение, то съдържателността се определя като отношение на информацията в съобщението към неговия обем. Очевидно по-краткото съобщение за даден факт е по-съдържателно. Излишествата в дадено съобщение водят до замъгляване на съдържанието му и затрудняват намирането на полезната информация в съобщението. Освен това увеличаването на съдържателността на съобщението намалява неговата устойчивост по отношение на грешки. Много често малки изменения в дадено съобщение рязко могат да променят неговото съдържание. Например, ако в едно съобщение се сгреши буква в дадена дума, това не е съществено. Но ако в съобщение, образувано от цифри, се сгреши някоя цифра това води до промяна на цялото съобщение и то става неразбираемо.

Ценността на информацията зависи от различни фактори: от интересите на приемащия, от времето на получаване на информацията, от начина на получаване и др. Ценността се изменя с времето. Информацията старее и нейната ценност намалява. Например информацията, предадена чрез метереологичните прогнози, не е интересна, ако се отнася за изминал период от време. Свойствата на информацията, които имат отношение към ценността на информацията, са: достоверност, изчерпателност, актуалност, достъпност и навременност.

· Достоверност - информацията изразява точно и правилно описвания обект;

· Изчерпателност - в информацията се включват всички съществени характеристики на описвания обект;

· Актуалност - информацията отразява текущите свойства на обекта;

· Достъпност и навременност - възможността информацията да бъде получена от заинтересованите в подходящо за тях време.

Друга характеристика на информацията е нейното количество. В теорията на Шенон определението за количество информация е следното: "Количество информация в дадено съобщение се определя като разлика в степента на неопределеност преди и след получаване на съобщението". Основна единица мярка за количество информация е 1 бит (bit). Един бит информация е съобщение, което е отговор на двоичен въпрос, т.е. въпрос за чиито отговор има две възможности "да" или "не". Отговорът "да" се означава с цифрата “1”, а отговорът "не" се означава с цифрата “0”. Един бит още се счита информация за изхода на събитие с две равновероятни възможности, означени с “0” и “1”. Следователно в един бит се записва или цифрата “1” или цифрата “0”. Друга по-голяма мярка за количество информация е 1 байт (byte) , 1 байт = 8 бита. Един байт е последователно разположени един до друг 8 бита. В реалния свят се употребяват по-големи мерни единици за количество информация: килобайт, мегабайт, гигабайт. Основните съотношения между различните мерни единици за количество информация са: 1 КВ (килобайт) = 2¹⁰ байта, 1 МВ (мегабайт) = 2¹⁰ КВ, 1 GВ (гигабайт) = 2¹⁰ МВ байта. Например една страница печатен текст заема приблизително 2 КВ; една книга от 500 страници обхваща 1МВ.

2.3. Основни информационни дейности. Информатика

С информацията се извършва най-разнообразна дейност, която се класифицира в следните четири типа: събиране, съхраняване, обработка и разпространяване на информация. Тези четири типа дейности рядко се срещат в чист вид. Доста често те си взаимодействат и образуват процес, при който от някаква информация, в даден момент и на дадено място, се получава друга информация в друг момент и на друго място. Този процес се нарича информационен процес. Информационните дейности са съставна част на всяка човешка дейност. Те се извършват от отделни хора или от групи от хора. Тези дейности извършват и редица съвременни компютри. Взаимодействието на основните информационни дейности е изразено на фиг. 2.1.

По тази схема се извършва произволен информационен процес, независимо от кого се изпълнява той. Информационната дейност на групи от хора се формира от информационните дейности на отделните членове на групата.

Събирането на информация представлява сложна дейност, при която се извършва подбор на информацията по определени критерий, анализира се по отношение на достоверност на събраната информация. По същество при събиране на информация се извършва първична преработка на информацията. В най-развитата си форма събирането на информация е свързано с активно търсене. Така учените - изследователи планират и провеждат експерименти, експедиции с цел събиране на определена информация. Провеждат се социологически проучвания с цел определяне отношението на участниците в него към определени процеси в обществото.

Фиг. 2.1

Съхраняването на информация представлява начин за пренасяне на информацията във времето. За целта се използват носители на информация, върху които се записва информацията, като: хартия, филмови ленти, магнитни ленти, дискове и много други. Съхраняването на информация не се състои само в механичното й събиране в определен архив. Включват се дейности по надеждно запазване на информацията, дейности за осигуряване на удобен достъп до нея, дейности, чрез които бързо и лесно се извлича необходимата информация от архива. Необходимо е да се осъществява периодичен контрол на състоянието на информацията, нейното подреждане и преструктуриране. Например библиотеките не са просто хранилище на книги. В библиотечната дейност се включва подреждане на книжния фонд, изработване и поддържане на каталози, поддържане на книгите в добро състояние, изработване на библиотечни справки и др. Съществуват различни методи за подреждане на дадена информация и за търсене на информация от даден вид в подреден или неподреден архив.

Преработката на информация се състои в извършване на определени операции над първоначална информация и получаване на междинни резултати. В резултат се получава нова информация, която в явен вид не се съдържа в първоначалната. Преработка се извършва при решаване на дадена задача, при съставяне на прогнози за времето, при анализиране на резултати от експерименти и др. Преработката представлява извличане от съдържанието на информацията на онова, което е съществено по отношение на целта, за която използваме информацията. Основно значение за обработката на информацията имат алгоритмите. Те са основно средство за описание на технологиите за обработка на информация. Важна роля при преработката имат и компютрите, тъй като те изпълняват определени алгоритми.

Разпространяването на информация е сложна дейност, която изисква определяне на информацията, която трябва да бъде съобщена на потребителите и предадена в подходяща за възприемане форма. Оттук произтичат задачите на системите, които разпространяват информация като масмедии, рекламни агенции, образователна система, пощи и др.

С появата и разпространението на компютрите се оформят гледните точки на кибернетиката и информатиката за информацията. Кибернетиката разглежда информацията от гледна точка на управлението, като отчита ролята й при вземане на управленчески решения. Информатиката се интересува от структурата и формите на информацията, и от нейните приложения. Кибернетиката е свързана с научния и технически прогрес. В основата на кибернетиката са математическа логика, методи за оптимизация, теория на множествата, теорията на алгоритмите и други математически дисциплини. Докато обект на кибернетиката е управлението, информатиката изучава понятието информация и операциите с нея.

Информатиката е наука, която изучава информацията от гледна точка на нейната структурност, форми и начини на представяне, изучава информационните процеси като композиция на основните информационни дейности. Информатиката има тесни връзки с други науки. Математиката е дала много основни понятия на информатиката като алгоритъм, код и др. Теоретическите основи на информатиката са приближени пресмятания, математическо моделиране, дискретна математика. Чрез използването на компютрите в изчислителната математика се развиват основни методи в областта на програмирането и математическото осигуряване. Информатиката е бързо развиваща се наука, чиито резултати непосредствено и все повече се прилагат в практиката. Тя стои в основата на много професии.

В зависимост от характера на изследванията, от типа информация, с която се работи в информатиката, се обособяват различни направления: математическо осигуряване, програмиране, изкуствен интелект и др.

Компютрите са обект за изследване на науката за компютрите и основно средство в съвременната информатика. Чрез тях информатиката придоби широка популярност и многобройни приложения. Развитието на информатиката се нуждае от по-надеждни компютри, а те от своя страна подпомагат развитието на информатиката. В практиката терминът информатика се свързва с информационното обслужване, извършвано от библиотеки, статистически служби, архивни служби и др.

Преработването на информация се свежда до обработването на данни. Важен стимул за развитие процесите на обработка на данни се оказва стопанската практика. Въвеждането на паричните знаци, възникването и развитието на промишлените предприятия води до необходимост от обработка на данни. Например изчисляването на заплати, отчета на складовите наличности и други дейности водят до операции с данни. Отначало тези операции са се извършвали наум. Впоследствие е започнала тяхната механична и електронна обработка. Възникнали са специални технологии за обработка на даден вид данни, т.е. даден вид информация. Оформя се понятието "информационна технология".

Информационна технология наричаме програма или съвкупност от програми, които поддържат дейности по приемане, съхранение, обработка и разпространение на информация заедно със свързаните с това методи, мениджмънт и приложение.

2.4. Алгоритми

2.4.1. Определение за алгоритъм

При извършване на различни ежедневни действия, при изпълнения на дейности в науката и практиката, човек съблюдава някакви правила. Спазването на определен кръг правила води до използването на алгоритми при изпълнение на съответната дейност. Алгоритъмът е система от указания, които задават реда на изпълнение на елементарни действия с цел да се получи определен резултат. Елементарните действия са най-често операции, които се прилагат върху начални данни за променливите (данни от множествата на допустими стойности) и върху междинни резултати, получени от предходни действия. Началните данни на променливите са стойности от множествата на допустими стойности за променливите. Алгоритми са използвани още древногръцките математици. Класически пример за алгоритъм е алгоритъмът на Евклид за намиране на най-голям общ делител на две естествени числа.

Предназначението на алгоритмите е да правят възможно решаването на сложни задачи от изпълнители - хора или автоматични устройства. За изпълнителите не е необходимо да познават същността на задачата, която решава алгоритъма. Те трябва да могат да възприемат системата от указания, да разбират и изпълняват елементарните операции върху данните. Изборът на указанията и елементарните операции трябва да бъде такъв, че да важи за достатъчно голям кръг изпълнители.

Процесът на изпълнение на алгоритъма следва реда на задаване на указанията и не зависи от началните данни и получените междинни резултати. Редът на изпълнение на операциите може да се измени чрез специални указания - разклонения, които в зависимост от текущите стойности на определени величини могат да определят различни следващи действия. Друго важно указание е цикълът. Той предизвиква многократно повторение на изпълнението на определена група от други указания. При изпълнение на алгоритмите съществуват няколко възможности. Възможно е алгоритъмът за някои начални данни да задава безкрайна последователност от операции. В този случай резултат не се получава. Друга възможност е алгоритъмът да завърши, но резултат да няма или пък той да бъде грешен. Най-ценни са алгоритмите, при които за произволни начални данни се гарантира, че след изпълнението на краен брой стъпки се получава правилен резултат.

Алгоритми, предназначени за изпълнение от един изпълнител, се наричат последователни. Съществуват алгоритми, при които могат да се отделят подпоследавателности от елементарни операции, които да се изпълняват от различни изпълнители едновременно (паралелно). Тези алгоритми се наричат паралелни алгоритми.

2.4.2. Свойства на алгоритмите

Алгоритмите притежават следните свойства:

· Определеност - решението на задачата по зададен алгоритъм може да се извърши многократно, по всяко време и от различни хора и при това за едни и същи начални данни ще се получи еднакъв резултат;

· Резултатност - решението на задачата по даден алгоритъм е краен процес, който или завършва с някакъв резултат или се дава сигнал, че алгоритъмът не може да се приложи към тези начални данни;

· Дискретност - алгоритъмът се състои от определени отделни действия, като едва след изпълнението на текущото действие може да се пристъпи към изпълнението на следващото действие;

· Цикличност - това е възможността за описание на алгоритми, така че групи от указания да се изпълняват многократно при евентуално изменение на някои участващи променливи;

2.4.3. Описание на алгоритми

Всяко указание в даден алгоритъм описва точно определено действие - пресмятане, вземане на решение, преход към следваща стъпка и др. Съществуват различни средства на описание на алгоритмите - словесно описание, описание чрез блок-схеми, описание чрез алгоритмични езици.

Словесното описание представлява набор от указания, в които чрез думи от някакъв естествен език са посочени действията, които трябва да бъдат извършени. Възможно е при описанието да се използват означения от съответната предметна област. Този начин на описание не е много популярен, тъй като за много думи от естествените езици съществува нееднозначно тълкуване.

Описанието на алгоритмите чрез блок-схеми е удобно, тъй като се предлага визуална представа на логическите връзки между отделните действия в алгоритъма. Описанието се извършва от определени символи, наречени блокове, като всеки символ има точно определен смисъл. Блоковете имат вида на геометричните фигури: правоъгълник, ромб, успоредник. Последователността се задава чрез стрелки. Блок-схемата започва с начален блок, в който се записва указанието, с което започва алгоритъма. Правоъгълникът се използва за описание на безусловните указания и задава функционален блок. Условният блок (ромб) се използва за описание на разклоненията в алгоритъма в зависимост от условието в него. Ако условието е изпълнено, алгоритъмът продължава с блока, към който сочи стрелката "ДА", в противен случай алгоритъмът продължава с блока, към който сочи стрелката "НЕ". Входните данни и резултатите за алгоритъма се посочват в блок с форма на успоредник. Възможно е използването на друг алгоритъм. Обръщението към него се извършва чрез блок за обръщение към подалгоритъм.

Описанието чрез алгоритмични езици представлява замяна на естествения език с изкуствен. В този изкуствен език са въведени строги правила за записване на изреченията и в него се използват фиксиран набор от стандартни думи. Алгоритмичните езици описват алгоритмите във вид на компютърни програми, които могат да бъдат изпълнени от компютър. До скоро алгоритмичните езици се разработваха във връзка с отделни класове от задачи. Съществуват езици за решаване на задачи в областта на изчислителната математика като FORTRAN, BASIC и други.

Въпроси за самоподготовка.

1. Какво разбираме под “информация”?

2. Кои са основните характеристики на информацията?

3. Кои мерните единици за количество информация?

4. Какво се записва в един бит информация?

5. Опишете основните информационни дейности и взаимодействието между тях?

6. Какво разбирате под алгоритъм и кои са основните свойства на алгоритмите?