《信息科学与技术导论》课件 - 副本 (2).ppt
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1、第二章第二章 基础概念基础概念1.信息的基本概念2.信息科学概述2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.1 信息的定义信息的定义n本体论层次的信息定义:某个事物的本体论层次信息,是该事物的运动状态及其变化方式的自我表述(自我呈现)。定义中所说的“事物”泛指一切可能的研究对象,包括外部世界的物质客体,也包括主观世界的精神现象;“运动”泛指一切意义上的变化,包括机械运动、物理运动、化学运动、生物运动、思维运动和社会运动等;“运动状态”是指事物运动在空间上所展示的性状和形态;“运动状态的变化方式”是指事物运动状态随时间而变化的过程样式。宇宙间一切事物都在运动,都有一定的运动状态和状态改
2、变的方式,也就是说,一切事物都在产生信息。这是信息(在本体论层次上)的绝对性和普遍性。而一切不同的事物都具有不同的运动状态和状态变化方式,这又是本体论层次上信息的相对性和特殊性。这是最广义的信息概念,是无条件的信息概念。任何事物都具有一定的内部结构,同时也与一定的外部环境相联系,正是这种内部结构和外部联系两者综合作用,决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。因此,可以把上述本体论层次的信息定义叙述得更为具体:本体论层次的信息,就是事物的运动状态及其变化方式(的自我表述),也是事物的内部结构与外部联系的状态及其变化方式(的自我表述)。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.1 信息
3、的定义信息的定义n认识论层次信息定义:主体关于某个事物的认识论层次信息,是指主体所表述的关于该事物的运动状态及其变化方式,包括这种状态方式的形式、含义和效用。由于引入主体这一条件,认识论层次的信息概念就具有了比本体论层次的信息概念丰富得多的内涵。这是因为,首先,作为认识的主体,他具有感觉能力,能够感知事物运动状态及其变化方式的外在形式;其次,他也具有理解能力,能够理解事物运动状态及其变化方式的内在含义;再者,他还具有目的性,因而能够判断事物运动状态及其变化方式对其目的而言的价值。而且,对于正常的人类主体来说,事物的运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值这三者之间是相互依存、不可分割
4、的。因此,在认识论层次上研究信息问题的时候,“事物的运动状态及其变化方式”就不像在本体论层次上那样简单了,它必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。事实上,人们只有在感知了事物运动状态及其变化的形式、理解了它的含义、判明了它的价值,才算真正掌握了这个事物的认识论层次信息,才能做出正确的判断和决策。我们把这样同时考虑事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的认识论层次信息称为“全信息”,而把仅仅计及其中的形式因素的信息部分称为“语法信息”,把计及其中的含义因素的信息部分称为“语义信息”,把计及其中的效用因素的信息部分称为“语用信息”。换言之,认识论层次的信息乃是同时计及语法信
5、息、语义信息和语用信息的全信息。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.1 信息的定义信息的定义n人们研究信息科学,总是站在人类主体的立场上来研究信息,利用信息为人类主体服务(这就是“以人为本”的科学观)。因此,除了要准确把握本体论层次的信息概念之外,与主体相联系的认识论层次信息将受到特别的关注。鉴于认识论层次信息概念的重要性,这里有必要对它所涉及的语法信息、语义信息和语用信息的概念及关系再作一些说明。n图2.1是关于“全信息”概念的一个图示。读者不难由此进一步理解语法、语义和语用的概念及其联系。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.1 信息的定义信息的定义n 图
6、中表明:状态(图中的中间下圆)和状态变化方式(图中的中间上圆)的形式化关系是抽象的语法信息;这种形式化关系与它的相应客体(图中的左圆)相关联则将给抽象的语法信息赋予具体的含义,因而产生语义信息;而语法语义信息(图中整个中间和左边)与主体(图中右圆)的关联则将表现这样的语法和语义信息对主体的目的而言所具有的效用或价值,从而形成语用信息。n 应当注意的是,研究语义信息要以语法信息为基础,因为“含义”是针对具体的状态和具体的状态变化方式来说的。同样,研究语用信息要以语义信息和语法信息为基础,因为“效用”是针对具体的状态及其变化方式所具有的含义来说的。在这个意义上,基于语法信息和语义信息的语用信息(称
7、为“综合语用信息”)具有“全信息”的意义。n 在语法、语义和语用信息三者之间,语法信息是最简单、最基本的层次,语用信息则是最完全、最实用的层次,语义信息介于其中。在信息理论发展的初期,人们故意排除语义信息和语用信息的因素,先从语法信息入手来解决问题,这既是迫不得已的事情,同时又是明智的选择。但我们不能总是停留在语法信息这个相对简单的层次,而应当根据需要继续深入地研究并解决语义信息和语用信息的问题。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.信息的特征 首先来看信息的几个最基本的特征。n 第第一一特特征征:信息来源于物质,但又不是
8、物质本身;因此,它从物质的运动中产生出来,又可以脱离源物质而寄生于它物质(媒体),相对独立地存在。n既然本体论信息是“事物运动的状态及其变化方式的自我表述”,那么,客观存在的物质当然就是信息的来源之一。物质在运动,它的运动状态和状态变化方式就是本体论层次的信息;而这些物质的运动状态及其变化方式一旦被认识主体所感知或表述,就成为认识论层次的信息。但“物质运动状态及其变化方式”并不是物质本身。事实上,作为事物运动的状态及其变化方式的信息可以离开它的源物质而载荷于其他物质,相对独立地存在。例如,一个物体在运动,它的运动状态及其变化方式可以被摄影机拍摄下来,经过一定处理又可以重现出来。重现出来的仅仅是
9、信息,而不是它的源物质本身。正是由于信息具有这个特征,精彩的文艺节目才可以被复制下来供人们反复欣赏,太空的奇观才可以被拍摄下来供人们仔细研究,激动人心的经历才可以记录下来供人们重温,否则,这一切就将成为不可能。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.1.信息的特征信息的特征n 第二特征第二特征:信息也来源于精神世界,但是又不限于精神领域。信息是事物运动的状态和状态变化的方式,事物运动既可以是物质的运动也可以是精神的运动(思维的过程),那么,精神领域的事物运动也就成为信息的一种来源。按照认识论层次的信息定义,信息是认识主体所感
10、知或所表述的事物运动的状态及其变化方式,主体表述的东西当然是精神领域的东西,如人的思想状态、情绪、意志、方针、政策、命令等等。同客观物体所产生的信息一样,精神世界的信息也具有相对独立性,可以被记录下来加以保存、复制或重现。由于客观世界的物质客体和精神世界的主观事物都可以产生信息,因此,信息的存在超出了精神范畴。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.1.信息的特征信息的特征n 第三特征第三特征:信息与能量紧密相关,但是又与能量有质的区别 信息是事物运动的状态及其变化的方式;能量是事物做功的本领。因此,信息与能量都与事物的运动
11、相关。在一定的意义上可以说,信息与能量两者都是事物运动的状态函数。不仅如此,传输信息或处理信息需要能量支持,而控制和利用能量需要信息引导。例如在自动防空体系中,为了取得空间目标的信息,需要有足够的能量来开动雷达系统;为了传递这个信息,要有相应的能量来支持通信系统的工作;为了导出导弹的发射状态参数信息,要有能量来保证计算机正常运行。不要说利用设备来取得信息、传递信息和处理信息时需要有能量作为动力,即使凭肉眼来观察信息,也同样需要生物能量来支持。另一方面,控制和驾驭能量,使它发挥好的效用又离不开信息的引导。例如上面提到的自动防空体系,若要使导弹能够命中目标,没有信息的引导是不可能的。信息和能量的关
12、系这样密切,但是从它们的定义本身可以看出,它们之间有质的区别。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.1.信息的特征信息的特征n 第四特征第四特征:信息可以被提炼成为知识,但信息本身不等于知识。知识是人类长期实践经验的结晶。对照认识论层次信息的定义可以看出,知识与认识论层次的信息相通,但具有更加普遍、深刻和抽象的品格。例如,牛顿第二运动定律F=ma是物理学的知识,是对于这类事物运动的状态及其变化规律的表述。因此,知识满足认识论信息定义的要求。在这个意义上可以说知识是信息。但是,信息却不是知识,因为它不具有普遍抽象的品格。可以
13、认为,信息是现象,知识才是本质。n 第五特征第五特征:信息是具体的,可以被主体所感知、处理和利用。信息不是虚无缥缈的东西,也不是可以随意想象和“创造”的事物。它是现实世界各种事物运动的状态和状态变化的方式,具有非常具体和真实的品格。信息可以被感知,人的感觉器官就是专门用来感知信息的。信息不仅可以被感知,而且可以被传递、被处理和被利用。本书后面各个章节将具体探讨这些问题,这里不再详述。应当指出的是,正是因为信息具有第四和第五特征,它对于人类才具有如此巨大的意义。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.1.信息的特征信息的特征n
14、 第六特征第六特征:信息可以被复制,可以被共享。由于信息可以脱离源事物而相对独立地存在并负载于其他载体,因此可以被无限制地进行复制、传播或分配给众多用户共享。正因为信息具有这个特征,一个信息持有者把他的信息传递给另一个用户的时候,他自己所拥有的信息才不会丧失。正像教师把知识传授给学生以后,学生掌握了知识,但教师并不会因此而成为“白痴”。信息的这种特征,使它对人类具有特别重要的意义。物质与能量不具有相对独立性,物质和能量不能被共享:如果甲有一个苹果,乙也有一个苹果,那么,甲乙互相交换之后,甲还是只有一个苹果,乙也还只有一个苹果;但是如果甲有一个信息,乙也有一个信息,那么,甲乙互相交换以后,甲就有
15、了两个信息,乙也有了两个信息。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 1.1.信息的特征信息的特征n 第七特征第七特征:语法信息在传递和处理过程中永不增值。信息具有相对独立性,可以无限地进行复制,为众多用户所共享,但是在复制、传递或做其他处理的过程中,语法信息量本身永远不会增加。不是说把一份信息复制一次信息量就增加了一倍。实际的情况是,不管复制多少份,也没有增加新的信息量。相反,由于噪声干扰的影响,由于复制、传递和处理过程中不可避免地存在误差或非线性操作,结果所得到的语法信息量只会减少。只有在理想复制(没有误差)、理想传递(没有
16、干扰和失真)、理想处理(没有非线性的或不可逆的操作)的条件下,才可能做到语法信息无损失。有人举出计算机解题的例子,认为经过计算机计算之后,语法信息量增加了,所以可以得出答案。这是一种误解,任何计算机都不可能凭空创造信息。经过计算机的处理并不能增加信息量,计算机输出的全部信息都已包含在它的输入之中;只不过经过处理之后这个信息更适合于用户使用罢了。“更适合于使用”和“更多的语法信息量”是两个不同的概念。n 第八特征第八特征:在封闭系统中,语法信息的最大值不变。在给定的封闭系统中,事物的运动方式和运动状态的最大可能数值是一个恒量,等于这个封闭系统的最大熵值。只要系统不与外界交换物质、能量和信息,这个
17、最大熵的数值就不会改变。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 2.2.信息的性质信息的性质n 性质一性质一 普遍性:信息是普遍存在的。信息是“事物运动的状态和状态变化的方式”,因此,只要有事物存在,只要事物在不断地运动,就会有它们运动的状态和状态变化的方式,也就存在信息。无论在自然界、人类社会还是在人类的思维领域,绝对的“真空”和绝对“静止”的事物是没有的,因此,信息普遍地存在。n 性性质质二二 无限性:在整个宇宙时空中,信息是无限的,即使是在有限空间,信息也是无限的。一切事物运动的状态及其变化方式都是信息,而宇宙时空中的事物
18、是无限丰富的,因而它们产生的信息必然是无限的。即使是在有限空间(比如在地球),事物也是无限多样的;而在无限的时间长河中,事物的发展变化更是无限的,因而信息也是无限的。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 2.2.信息的性质信息的性质n 性性质质三三 相对性:对于同一个事物,不同的观察者所获得的信息量可能不同。由于不同的观察者有着不同的观察能力、不同的理解能力和不同的目的性,因此,他们从同一个事物所获得的语法信息量和语义信息量当然也各不相同;甚至他们会得到相反的语用信息(如果他们所持有的目的相反)。n 性质四性质四 传递性:信息
19、可以在时空中从一点传递到另一点。由于信息具有脱离母体而相对独立的能力,因而就可以通过一定的方法使之在时间上或者在空间上进行传递。在时间上的传递称为存储;在空间中的传递称为通信。其实,存储也是一种通信:现在与未来的“通信”或过去与现在的“通信”。当然,信息在空间中的传递必然也伴有时间上的传递,因为它在空间中传递的速度是有限值。信息可以在时间上和在空间中传递,这是一个十分有用的性质,它使人类的知识能够积累和传播,使人与人之间能够进行信息的交流,使人与环境之间能够保持信息的联系,从而能够更好地认识环境和改造环境。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特
20、征、性质与功能n 2.信息的性质n 性性质质五五 变换性:信息是可变换的,可以由不同载体用不同方法来载荷。n 既然信息是事物运动的状态和状态变化的方式,而不是事物本身,它就可以负载在其他一切可能的物质载体上。例如,投掷硬币这一试验的结果是一种信息,可以用数字0和1来表示,可以用电流极性的“正”和“负”来表示,也可以用机械位置的“高”和“低”来表示,甚至以表情上的“哭”与“笑”来表示,等等。实际上,只要能够保持“运动的状态及其变化的方式”的不变性,那么,它就不仅可以在各种物质和能量形式之间进行变换,而且可以经受一切不会破坏“信息不变性”的数学变换。信息的这一性质很有用,它使人们对信息施行的各种各
21、样的处理和加工成为可能。n 性性质质六六 有序性:信息可以用来消除系统的不定性,增加系统的有序性。本体论层次的信息是事物运动的状态和状态变化方式的自我表述,认识论层次的信息是认识主体所感知和表述的事物运动的状态和状态变化方式(包括形式、内容和价值)。获得信息,就可以消除认识主体对于事物运动状态和状态变化方式的不定性。后面还会看到,概率语法信息量就是负熵,它是混乱程度的对立面。一个系统要想从无序状态转变为有序状态,就要从外界获得信息(负熵)。2.1 2.1 信息的基本概念信息的基本概念v2.1.2 信息的特征、性质与功能信息的特征、性质与功能n 2.2.信息的性质信息的性质n 性性质质七七 动态
22、性:信息具有动态性质,一切活的信息都随时间而变化。因此,信息也是有时效、有“寿命”的。信息是事物运动的状态和状态变化的方式,事物本身在不断发展变化,因此,他所产生的信息也会随之变化。脱离了母体的信息因为不再能够反映母体的新的运动状态和状态变化方式,它的效用就会逐渐降低,以至完全失去效用。这就是信息的时效性。信息脱离母体的时间长短并不能完全反映信息的寿命,衡量信息的寿命必须同时考虑母体随时间而变化的速度。一旦信息已经不能反映母体实际的运动状态和方式,这个信息的寿命就到了尽头。这时,它至多只能作为母体运动状态和方式的一种历史记录。所以,人们获得信息之后不能就此满足,更不能一劳永逸。信息要及时发挥效
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