1信息、信息科学与信息技术

信息技术导论主讲教师:郑蔚2第一章信息、信息科学与信息技术2学时第二章计算与计算科学1.5学时第三章信息处理机器：计算机系统3学时第四章计算机软件系统3学时第五章信息媒体的表示及数字化1.5学时第六章数据的组织结构与算法3学时第七章数据库技术3学时第八章信息的传输——计算机通信与网络技术3学时第九章信息资源管理3学时第十章信息资源管理3学时第十一章信息系统安全与保护3学时《信息技术导论》共54学时，其中理论学时27，实验学时27，理论学时分配如下：课程学时分配纲要第1章信息、信息科学与信息技术•1.1探索信息的真谛•1.2信息科学•1.3信息技术•1.4信息科学（技术）与相关学科的关系3一、教学目的1．了解信息的来源和发展历史；了解信息科学与信息技术的基本概念2．掌握信息的概念、数据、消息、信号与信息的区别。3．掌握信息技术的核心及支撑技术。二、教学重点及难点1．重点：数据、消息、信号与信息的区别；信息技术的核心及支撑技术。2．难点：信息的概念及度量。41.1探索信息的真谛1.1.1什么是信息？就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知识、见闻、通知、报告、事实、数据等等。51.1探索信息的真谛最早对信息进行科学定义的是哈特莱（RalphV.L.Hartley）。他在1928年发表的《信息传输》一文中，首先提出信息这一概念。他认为，信息就是他在通信符号表中选择符号的具体方式，并主张用所选择的自由度来度量信息。哈特莱首先提出消息是代码、符号而不是信息内容能够本身，使信息与消息区分开来。他的思想和研究结果，为信息论的创立奠定了基础。6香农（ClaudeElwoodShannon)1916年4月30日出生于美国密歇根州，2001年2月26日去世。美国数学家、信息论的创始人。信息就是不确定性的消除量。信息量即不确定性减少的程度。信息被看作是用以消除信宿(信息的接受者)对于信源(信息的发出者)发出消息的不确定性。香农还用概率统计的数学方法，来度量不确定性被消除的量的大小。1.1探索信息的真谛71.1探索信息的真谛维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日去世。美国数学家，控制论的创始人。信息就是在人们在适应外部世界，并且使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称。8意大利学者朗格(G.Longe):信息是事物之间的差异，而不是事物本身。即信息是反映事物的形式、关系和差别的东西。包含在事物的差异之中。所谓信息量就是对事物差异度的量度。钟义信:信息是事物的运动状态和过程以及关于这种状态和过程的知识。1.1探索信息的真谛91.1探索信息的真谛1.1.1什么是信息随着时间的推移，时代赋予了信息新的含义，信息是一个动态的概念。现代“信息”的概念，已经与半导体技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、信息产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息论等含义紧密地联系在一起。最典型的应用是广告。10香农的研究成果标志着信息论（InformationTheory）的诞生。香农提出的信息论是关于通讯技术的理论，它是以数学方法研究通讯技术中关于信息的传输和变换规律的一门科学。所以，人们又将其称为狭义信息论，或经典信息论。信息论发展的第二个阶段是一般信息论。一般信息论特别关心信号被噪音干扰时的处理问题。信息论发展的第三个阶段是广义信息论。它以各种系统、各门学科中的信息为对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的获取、计量、传输、处理、控制和利用的一般规律。1.1.2从信息论到信息科学11香农认为：信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。香农引入：“熵”表示一个系统的无组织程度。而一个系统中的信息量是它的组织化程度的度量，这说明信息与熵恰好是一个相反的量，信息是负熵，所以信息量的公式中有负号，它表示系统获得信息后无序状态的减少或消除。1.1.3香农对信息的定义12由于信息源发出的消息是随机的，可以用随机变量来表示。如果用符号表示信息源发出的信息，假设事件的基本空间Ω包含m个元素，即Ω={x1,x2,…,xm},且每一个等可能值的概率为：P（X=xi）=pi=1,2,…,m那么定义一个随机事件所含的信息量称为x的自信息量，即：（公式1-1）1.1.4信息的度量13只能表示信息源发出的某一特定消息x的自信息量，而对于不同的消息则有不同的自信息量，所以不足以作为整个信息源的总体信息测度，那么可以定义平均信息量来作为信息总体的测度，即信息熵。设X为一离散随机变量，在集合中取值，其概率分布为：1.1.4信息的度量14信息熵：是从整个信息源的统计特性来考虑的，它从平均的意义上来表示信息源的总体信息测度，它表示信息源X在没有发出消息以前，信宿对信息源X存在着平均不确定性。香农的信息度量公式排除了对信息主观上的含意。根据上述公式，同样一个消息对任何一个收信者来说，所得到的信息量都是一样的。1.1.4信息的度量15•以上就是香农关于信息的度量。通常也称为概率信息。它是一个科学的定义，有明确的数学模型和定量计算。在公式中，对数的底数从理论上而言可以取任何数。当底数为2时，信息的计量单位为比特（bit），即二进制单位。1.1.4信息的度量16首先，香农对信息的定义的出发点是假定事物状态可以用一个以经典集合论为基础的概率模型来描述。然而实际存在的某些事物运动状态要寻找一个合适的概率模型往往是非常困难的。其次，这个定义和度量考虑收信者的主观特性和主观意义，也撇开了信息的具体含义、具体用途、重要程度和引起后果等因素。1.1.5香农信息论的局限性17以上问题的出现，主要是由于狭义信息论没有解决信息的语义问题和有效性问题。语义信息是指当认知主体在获得信息时，不仅要知道“是什么形式”，而且还要理解“是什么意思”。也就是说，信息的具体含义是什么。香农定义并没有解决语义信息的度量问题。这样，它的适用范围就受到严重的限制。1.1.5香农信息论的局限性181.数据数据是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系数据是未加工的信息，信息是数据的内容或诠释。将数据加工为信息的过程即信息加工或处理。1.1.6数据、消息、信号与信息的区别192.消息在通信过程中，信息总是经过编码(符号化)成为消息以后，才能经由媒介传播的，而信息的接收者收到信息后，总是要经过译码(解读)才获取其中的信息。信息是包含在消息中的抽象量，消息是具体的，其中蕴涵着信息。1.1.6数据、消息、信号与信息的区别203.信号消息须变换成适合信道传输的物理量，这种物理量即信号。信号携带消息，是消息的运载工具。信号是数据的电磁或光脉冲编码。信号可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号是一种随时间而连续变化的信号。数字信号则是在时间上的一种离散信号。1.1.6数据、消息、信号与信息的区别211.2信息科学1.2.1科学的定义达尔文对科学的定义：“就是整理事实，从中发现规律，做出结论。”规律则是指客观科学事物之间内在的本质的必然联系。一般地说：是人类认识客观世界的知识，但并不是任何关于客观世界的知识都是科学。科学包括自然科学、社会科学。22科学：是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系。是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。技术：则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法。泛指根据生产实践经验和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法、技能和技巧。工程：是指将科学原理应用到工农业等生产部门中去而形成的各门学科的总称。1.2.2科学、技术与工程的界定23信息和控制是信息科学的基础和核心。关于什么是信息科学（Informationscience），有着不同的定义：定义1：信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理、显示、识别和利用的科学，是一门结合了数学、物理、天文、生物和人文等基础学科的新兴与综合性学科”。定义2：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。1.2.3信息科学24可将信息科学研究的基本内容归纳为五个方面：(1)探讨信息的基本概念和本质。（物质或精神范畴的问题）(2)研究信息的数值度量方法。（信息的度量方法）(3)阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效(控制)等过程的一般规律。（信息的运动规律）(4)揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理（控制论：包括信息仿生学和人工智能）(5)寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。（系统论：包括运筹学、系统工程、耗散结构和协同学）1.2.4信息科学的研究内容与体系25从信息科学的研究内容来划分，我们可以将信息科学的基本科学体系分为三个层次（图1-6）：信息科学的哲学层次，其中包括信息的哲学本质、智能的哲学本质、信息与反映的关系、信息与认识的关系、人工智能与人类智能的关系等等。信息科学的基础理论层次，它的主要任务是研究信息的一般理论。信息科学的技术应用层次，主要研究如何应用信息科学理论在技术上拓展人类的信息功能（特别是其中的智力功能）的问题。1.2.4信息科学的研究内容与体系26图1-6信息科学体系的三个层次这样，信息哲学、基础理论和技术应用三者就构成了—个和谐的学科体系。271.2.4信息科学的研究内容与体系1.3信息技术1.3.1信息技术的定义人们对信息技术的定义，因其使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述：定义1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。定义2：现代信息技术“以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征”。28定义3：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、存储、变换、显示和传输文字、数值、图像以及声音信息，包括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。定义4：信息技术指“应用在信息加工和处理中的科学，技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方法和技巧的应用；计算机及其与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。”1.3.1信息技术的定义29定义5：信息技术包括信息传递过程中的各个方面，即信息的产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等技术。定义6：从技术的本质意义上讲，信息技术就是能够扩展人的信息器官功能的一类技术。1.3.1信息技术的定义30人类的信息器官与功能人的信息器官主要包括以下四类：（如图1-7所示）感觉器官：包括视觉器官、听觉器官、嗅觉器官、味觉器官、触觉器官和平衡感觉器官等；传导神经网络：它又可以分为导入神经网络利导出神经网络等；思维器官：包括记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等；效应器官：包括操作器官(手)、行走器官(脚)和语言器官(口)等。1.3.2扩展人类的信息器官功能的信息技术311.3.2扩展人类的信息器官功能的信息技术322.信息技术的“四基元”根据上面给出的信息技术的定义和相应的分析，我们可以明确信息技术的四项基本内容，这就是“信息技术四基元”，即：(1)感测技术——感觉器官(视、听、嗅、味、触、平衡)功能的延长。(2)通信技术——传导神经网络(导入、导出)功能的延长。(3)计算机和智能技术——思维器官(记忆、联想、分析、推理、决策)功能的延长。(4)控制技术——效应器官(手、脚、口)功能的延长。1.3.2扩展人类的信息器官功能的信息技术33既然信息技术是人的信息器官功能的延长，信息技术四基元的关系也应当视作一个有机的整体，它们和谐有机地合作，共同完成扩展人的智力功能的任务。图1-8示出了它们之间的这种联系。1.3.2扩展人类的信息器官功能的信息技术34于是，由上面给出的信息技术的定义6还可以引出两个比较具体的定义，即：