К определению понятия информация

К определению понятия информации

А.А. Борисенко, проф.

Сумский государственный университет

Одно из заметных достижений ХХ века - это создание К. Шенноном в 1947-48 годах 20-го столетия современной теории информации, которая начала свое практическое вхождение в жизнь человека через теорию связи, а затем пришла практически во все сферы его деятельности, в том числе и в философские науки. Однако сегодня о сущности информации известно примерно столько же, сколько и во времена Платона и Аристотеля. Например, до сегодняшнего дня не закончена дискуссия, которая ведется вот уже несколько десятилетий, о наличии информации в неживой природе. Одна сторона утверждает, что информация появилась только при возникновении кибернетических систем, другая - что информация существует в природе изначально и будет существовать, пока существует наш мир.

Появление и развитие теории систем и соответствующей литературы, посвященной ей, привело к дальнейшему повышению интереса к информации, ставшей базой, на которой развивалась эта теория. И это не случайно, так как на сегодня информация относится к фундаментальной категории современности, на которой основываются свойства различных систем - как природных, так и искусственных. Особенно возросла роль теории информации с появлением вычислительной техники и основанной на ней новой науки - информатики. Однако шенноновский подход к теории информации, основывающийся на вероятностно-статистических представлениях, на сегодня во многих случаях оказывается недостаточным для анализа сложных процессов и систем и поэтому требует дальнейшего развития.

Прежде всего, он недостаточен для полного описания взаимодействующих (как по горизонтали, так и по вертикали) естественных систем и, в частности, самоорганизующихся.

Для того чтобы расширить или изменить этот подход, прежде всего необходимо исследовать феномен информации на качественном новом уровне и решить вопрос более современного определения информации, который до настоящего времени не нашел удовлетворительного решения.

Обратимся с этой целью к [1]. Информация (information - лат.) - это сведения. До начала 40-х годов ХХ в. информацию понимали только как передачу сведений от одного человека к другому или группе людей с помощью устной или письменной речи, непосредственно или с помощью специальных устройств.

Другое распространенное определение информации: информация это отображенное разнообразие [1].

Иными словами - информация существует там, где есть отображение (отражение) разнообразия одного объекта в другой в результате их взаимодействия. При этом различие двух объектов используется для выработки простейшей единицы измерения информации. В данном случае она будет получена при отражении одного из различных имеющихся объектов в другой. Если данные объекты не имеют отличий, то они не обладают по отношению друг к другу и информацией.

Еще одно определение информации это то, что информация является свойством материальных объектов. Очевидно, что все эти определения не проясняют сущность информации.

Важный шаг в качественном понимании информации сделал Шеннон, сведя её к некому свойству приемника, снимающему неопределенность нахождения исходного объекта среди заданного числа оставшихся возможных [2]. Если неопределенности нет, то приемник имеет полную определенность об искомом объекте, и информация в переданном сообщении отсутствует. В противном случае её надо передать приемнику в количестве, позволяющему ему однозначно идентифицировать искомый объект, который является источником информации.

Любая информация, поступившая в приемник об искомом объекте, уменьшает величину его неопределенности. Поэтому разность степени неопределенности приемника до получения информации и после представляет собой величину полученной приемником информации.

Этот тезис составил основу шенноновской и всех остальных, основанных на ней, теорий информации.

Мера степени неопределенности искомого объекта была названа Шенноном энтропией. Сам термин энтропия был позаимствован Шенноном из термодинамики на основе скрытых аналогий, и только впоследствии выяснилось, что за этими аналогиями существует глубокая связь.

Понятие энтропии и её антипода информации (негэнтропии) оказалось после работ Шеннона среди наиболее используемых в кибернетической литературе. Оно перешло также в философские, гуманитарные, технические и естественные науки.

Это лишний раз подтверждает общенаучный и общезначимый смысл этих понятий.

Существенным для теории информации является то, что Шеннону впервые удалось поставить понятие информации на солидную количественную основу, выразив его через энтропию и логарифмическую меру информации, которая первоначально была предложена американским ученым Хартли в 1928 году для равновероятных сообщений.

Однако эта мера требует дополнительных исследований, так как она была введена Хартли и Шенноном аксиоматически.

Так как рост определенности всегда связан с ростом порядка и организованности материи, то можно сделать вывод, что информация есть сущность, упорядочивающая и организующая материю.

Недостаток данного определения состоит в том, что понятия порядка и организации также неясны и являются интуитивными.

Однако на практике можно заметить, что любой порядок и организация так или иначе связаны с ограничениями. Отсутствие ограничений связано с хаосом и беспорядком, так как ограничения влияют на свободу поведения систем. Следовательно, информация связана с ограничениями, которые можно считать органически ей присущими.

В соответствии с этим определим информацию как сущность, проявляющуюся в ограничениях. Это определение информации возьмем за основу.

Таким образом, наличие в материальной или идеальной системах ограничений является признаком содержания в них информации, а их отсутствие говорит об её отсутствии.

Увеличение информации приводит к уменьшению энтропии системы и, обратно, уменьшение информации и соответственно ограничений увеличивает энтропию.

Для систем любой природы У. Эшби выделил два основных параметра - конечное целое число состояний или степеней свободы (разнообразие) и конечное целое число запрещенных состояний (ограничение разнообразия), где - число возможных степеней свободы при отсутствии в системе ограничений. Естественно, что такой подход к анализу систем является упрощенным и реализует довольно грубую их модель, однако в ней при этом все же сохраняются наиболее существенные свойства реальных систем, в том числе и самоорганизующихся, способных самостоятельно адаптироваться к условиям внешней среды с целью наиболее эффективного на нее воздействия.

При этом под состоянием системы понимается совокупность значений всех исследуемых её параметров, таких, например, как температура, давление, объем и т.д.

Эти состояния предполагаются четко различимыми между собой и пронумерованными целыми числами 1, 2, …, .

Выполнение указанных условий удовлетворяют требованиям принципа унитарности для информационных систем [3]. Этот принцип огрубляет реальные системы, делая их доступными для моделирования с помощью дискретных математических средств и ЭВМ.

При наличии ограничений разнообразие системы и соответственно для рассматриваемой модели изменяется в пределах от 1 до .

В первом случае, когда в системе отсутствует какая-либо свобода изменения состояний, а во втором при нет каких-либо ограничений на эту свободу.

Соответственно в первом случае система обладает крайней неустойчивостью по отношению к возмущающим воздействиям окружающей среды, а во втором - практически неуязвима для них.

Однако в первом случае система способна к наиболее эффективному влиянию на внешние объекты, а во втором - не способна к каким-либо существенным воздействиям на них, то есть является максимально неэффективной. Очевидно, что должно существовать определенное соотношение между разнообразием системы и её ограничением , при котором система будет оптимальной. Такое оптимальное соотношение определяется максимальным количеством содержащейся в системе структурной информации [4]. Именно в этом положении система, с одной стороны, наиболее эффективно воздействует на окружающую среду, а с другой - является достаточно устойчивой по отношению к ней.

Данная модель показывает, что величины и являются конечными, а сами системы детерминированными. Поэтому шенноновская статистическая теория информации в данном случае не дает должного эффекта.

Более результативной является структурная теория информации, основанная на модели, предложенной Хартли и затем развитой У. Эшби.

Особенность этой теории состоит в том, что она исследует равновероятные сообщения конечной длины. Следует отметить, что именно эта теория наиболее близка к современным проблемам информатики, кодирования и задачам искусственного интеллекта, связанными, в первую очередь, с задачами распознавания образов.

В основу этой теории положена процедура поиска объекта, находящегося среди возможных. Она состоит в последовательном разбиении исходного множества из объектов на классов эквивалентности и их тестирования до тех пор, пока не будет найден класс, состоящий из одного искомого объекта. Эта модель в теоретическом отношении не противоречит статистической, однако при этом использует вероятности сообщений, а не их частоты, и способна описывать детерминированные, а не только статистические процессы. В итоге появляется возможность получить новые результаты и дать им качественно другое объяснение, которое трудно или невозможно получить в рамках статистической теории информации.

Мерой информации в структурной теории является число последовательных разбиений множества из объектов на классов эквивалентности (обычно ), содержащих равное количество объектов, в том числе и нецелое, до тех пор, пока не будет получен класс эквивалентности, содержащий один объект. Это число есть не что иное, как результат вычисления логарифма от , а значит, указанное число представляет собой результат использования логарифмической меры информации, предложенной в свое время Хартли для любых рациональных значений .

Рассмотрим систему, обладающую разрешенными состояниями. В соответствии с логарифмической мерой информации каждое состояние этой системы содержит

(1)

единиц информации и соответственно суммарная величина информации, определяющая все состояния системы

. (2)

Основание логарифма в принципе может быть любым, но в данном случае выбрано равным 2, как это принимается в практических задачах, использующих единицу информации, равную биту.

Информация позволяет отличать некоторое одно состояние системы от остальных, что требуется принципом унитарности [2]. При этом каждое состояние появляется в системе равновероятно и независимо от остальных, так, как это, например, происходит с состояниями вращающейся стрелки на игральном столе, а незначительные её отклонения от центра выпавшего номера игнорируется.

В цифровых автоматах принцип унитарности реализуется тактированием их работы и применением специальных противогоночных средств.

Такой подход упрощает реализацию конкретных систем и одновременно, являясь абстракцией, обобщает анализ их структур.

В качестве примера рассмотрим систему, имеющую состояний. Тогда количество информации, необходимое для выделения одного состояния системы, битам, а в общем количество информации, требуемое для идентификации всех её 16 состояний, потребуется бита.

Этой информации вполне достаточно, чтобы различать состояния системы (положение стрелки в примере), что и подтверждает имеющаяся практика.

Указанные различия достигаются с помощью применения специальных средств кодирования, кодирующих состояний исходной системы.

Так, например, в табл. 1 приведено кодирование состояний, заданных в рассмотренном выше примере, системы с состояниями, используя для этой цели алфавит символов, содержащий два символа - 0 и 1.

Таблица 1 - Кодирование системы с состояниями

Рассматриваемую систему с различными возможными состояниями можно представить в виде черного ящика, на выходе которого в каждый фиксированный момент времени с равной вероятностью появляется одно состояние из . Такая система обладает максимальным разнообразием (свободой) поведения, так как у нее нет каких-либо ограничений, которые запрещали бы ей переходить из состояния, в котором она находится, в любое другое. Поэтому назовем её простейшей. Отсутствие ограничений в простейшей системе приводит к отсутствию в ней структуры. В результате эта система является наиболее простой из всех возможных, которые могут быть построены на основе её элементов.

Важной особенностью простейшей системы является то, что она находится в постоянном движении, проявляющемся в изменении состояний системы. При этом в соответствии с принципом унитарности в каждый фиксированный момент времени система должна находиться в одном и только одном из возможных состояний.

Для этого на движение системы должно быть наложено ограничение, которое бы запрещало одновременное появление на её выходе больше одного состояния.

Действительно, если бы на выходе простейшей системы одновременно появлялись все или какая-то часть ее состояний, то у приемника существовала бы неопределенность о передаваемом ему состоянии, и получить всю информацию о нем было бы невозможно. Поэтому полная передача информации осуществима только при соблюдении принципа унитарности. Следует допустить, что этот принцип существует не только как воображаемая модель системы, а и объективно, и по крайней мере для макромира является основополагающим, так как иначе невозможен был бы обмен информацией между различными искусственными и природными системами.

Информацию, передаваемую от простейшей системы к приемнику, будем называть субъектной.

Эта информация существует только в период взаимодействия двух систем.

Информацию, имеющуюся в источнике при отсутствии его взаимодействия с приемником, будем называть объектной.

Объектная информация существует в системе постоянно от ее рождения и до гибели, хотя величина этой информации в процессе жизни системы меняется в результате взаимодействия с другими системами.

Объектную информацию, определяющую структуру системы и внутренне присущую ей, будем называть структурной, а информацию, появляющуюся на выходах системы при ограничении её отдельных состояний - параметрической.

Субъектная информация делится на физическую и кибернетическую.

Любое отражение одной физической системы в другую, например, в виде следа на песке, представляет собой физическую информацию. Как правило, физическое взаимодействие присуще системам с относительно простой структурой, имеющейся в неживой природе. Обмен информацией в этом случае осуществляется на низком уровне и только при непосредственном взаимодействии объектов, сопровождающемся выполнением работы. Определить в данном случае, где приемник, а где источник информации, не всегда удается, так как сила воздействия одного объекта обычно уравновешивается силой противодействия другого. Однако именно эти силы, являясь ограничениями для каждого из объектов, порождаются информацией, содержащейся в каждом из этих объектов. Разрушение или более сильная деформация одного из них свидетельствует о более слабых ограничениях, содержащихся в нем и соответственно более сильных следах взаимодействия. Тем самым именно этот объект следует считать приемником информации. Так, окаменелый след ноги древнего человека несет в себе информацию о взаимодействии более прочной структуры объекта - ноги человека, являющейся источником информации, и приемника информации - структуры материала, в котором запечатлелся след ноги человека. Этот след со временем приобрел дополнительные ограничения, позволившие сохранить его в течение тысячелетий.

Взаимодействие между объектами в неживой природе наблюдалось всегда и повсеместно. Оно происходит и сейчас. При этом возникали и возникают взаимодействующие пары типа объект - субъект и соответственно обмен информацией происходил и происходит в неживой природе постоянно.

Особенность такого взаимодействия состоит в том, что информационные процессы сопровождаются в нем выделением большого количества тепла, т.е. неуправляемого хаотичного движения, свидетельствующего о больших энергетических затратах при обмене информацией.

Однако дальнейшее развитие неживой природы, происходившее за счет постоянного обмена информацией её объектов, постепенно привело к их усложнению, которое в конечном итоге создало предбиологические системы. Обмен информацией в них происходил значительно сложнее и с меньшими энергозатратами.

Кибернетические системы появились при возникновении биологических объектов и в конечном итоге человека и созданных им управляющих систем и устройств.

Характерной чертой обмена информации в кибернетических системах является наличие в них четко определенных источника и приемника информации, первый из которых представляет собой объект передачи информации, а второй - субъект.

Кибернетический приемник информации должен заранее «знать» все возможные состояния источника, которые могут придти к нему в виде сигналов и уметь их распознать (дешифровать). Для этого он должен обладать достаточно развитой памятью и системой дешифрации (распознавания) входных сигналов. Если же на его вход приходит ранее неизвестный сигнал, то приемник должен запомнить его и включить в систему уже известных ему сигналов источника, чтобы в дальнейшем иметь возможность распознавать данный сигнал.

Таким образом, приемник кибернетической информации должен обладать значительно большей сложностью, чем порождающий эту информацию источник.

Кибернетическая информация возникает при взаимодействии сложных систем, обладающих целевым поведением и решающих задачи управления. Это наиболее высокоорганизованные системы, которые используют кодирование своих состояний и специфическое взаимодействие между собой.

Взаимодействие этих систем, кроме кибернетического уровня, всегда сопровождается обменом информацией на физическом уровне, который являются основой для появления кибернетической информации. Поэтому исследования процессов информационного обмена на физическом уровне является предпосылкой их более глубокого понимания на кибернетическом уровне.

Основная цель работы источника информации в задаче управления - заставить приемник изменять свои состояния когерентно (синхронно) с источником.

Смысл такого управления состоит в том, что при переходе в какое-либо состояние источника информации приемник должен найти соответствующее ему состояние и перейти в него.

Очевидно, что если приемник работает когерентно с источником без поступления какой-либо информации от источника, то величина потребляемой им информации равна 0, а если такая когерентность отсутствует полностью, то величина передаваемой информации должна достичь максимума.

При знании приемником вероятностей появления тех или иных состояний источника величина получаемой им информации будет определятся с помощью формулы для вычисления величины энтропии, предложенной Шенноном [2].

Принципиальной особенностью кибернетической информации является превуалирование в ней информационного аспекта над энергетическим. Затраты энергии при передаче кибернетической информации могут быть чрезвычайно малыми и несравнимыми по величине с затратами энергии при информационном обмене в физических системах.

Поэтому кибернетические системы часто называют информационными, а физические - энергетическими, хотя в тех и других при взаимодействии систем присутствуют как информационные, так и энергетические процессы. Это значит, что информация в природных системах неотделима от энергии.

Одним из аспектов кибернетических систем, о котором часто упоминается, есть наличие в них семантического (смыслового) аспекта информации. С точки зрения рассматриваемого подхода к определению понятия информации различия между семантическим уровнем информации и более низким синтаксическим не носит принципиального отличия, а представляет иерархию ограничений на множестве из элементов.

Синтаксический уровень информации - это первые исходные ограничения на заданном множестве элементов, образующие начальную, наименее организованную структуру кибернетической системы из этих элементов.

Очевидно, что при этом число исходных разрешенных состояний системы уменьшается до , а в системе появляется структурная информация, содержащаяся в связях системы.

Новые ограничения на имеющиеся состояний в системе при определенных условиях приведут к появлению новой информации, которая представляет собой семантическую информацию по отношению к предыдущему уровню информации. Введение очередных ограничений позволяет получить еще более высокий уровень семантической информации, по отношению к которому предшествующий можно считать синтаксическим и т.д. Однако такое введение иерархии ограничений, а значит и новых связей с структурной информацией, рано или поздно столкнется с тем, что получение новой семантической информации на базе предшествующих структур станет из-за ограниченного значения невозможным, и поэтому произойдет переход к другому начальному множеству из элементов.

На практике в биологии этот процесс расширения исходного множества выразился в увеличении объема мозга и, как следствие, появление новых более организованных живых существ, а в вычислительной технике - в росте памяти и разрядности обрабатываемых чисел. Наивысший семантический уровень в живых существах был достигнут в виде человеческой мысли, которая представляет собой наиболее тонкую и наиболее насыщенную информацией организацию материи с наименьшими относительными энергетическими затратами к единице информации. Однако сама мысль - это хотя и сложнейший, но все же иерархический набор различных уровней ограничений и поэтому подчиняется тем же общим правилам, что и любая другая природная система.

Без ограничений, как и энергии, мысль не может существовать в принципе. Это значит, что на самом нижнем уровне иерархии ограничений мысли ее носитель - мозг должен рассматриваться как физическая система, что будет составлять самую грубую из его моделей. Последовательно вводя ограничения все более высоких уровней в эту модель, можно все выше подниматься к существу мысли, то есть к её смыслу, хотя конечно в настоящее время в силу необычной сложности мозга и протекающих в нем процессов понять смысл мысли до конца нереально.

Однако важно другое, что существующая синтаксическая теория информации без каких-либо существенных изменений способна, анализируя все более и более высокие уровни ограничений, в принципе описать работу человеческой мысли и тем самым «понять» её смысл, так как смысл - это информация, находящаяся на наивысшем уровне иерархически организованных ограничений.

Таким образом, информация проявляет себя в ограничениях естественных и искусственных систем и тем самым образует все разнообразия окружающего мира. Она является основным участником процессов взаимодействия различных систем, переходя при этом от одних систем к другим.

Информация существовала всегда, однако её накопление изменяло окружающие системы в сторону их усложнения от наиболее простых, которыми являются физические системы, до наиболее сложных, к которым относятся кибернетические системы. При этом создавалась иерархия ограничений, в которых ограничения более высокого уровня образовывали семантику более низкого. Тем самым была создана такая особая форма существования информации, как мысль.

SUMMARY

The question of the history and development of information's concept is considered. Its own interpretation is offered from the sight of the limitation a variety. Attempt to the kind's classification of the information is made.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Березюк Н.Т., Андрущенко А.Г., Мошицкий С.С. и др. Кодирование информации (двоичные коды). - Харьков: Вища школа, 1978. - 252 с.

Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Изд. иностр. лит-ры, 1963. - 829 с.

Борисенко А.А. Принцип унитарности и его приложение к теории информации // Вісник СумДУ. - 1999. - № 2(13). - С. 154-160.

Борисенко А.А. О некоторых аспектах современной теории информации // Вісник СумДУ. - 1994. - № 1. - С. 93-96.