1信息、信息科學與信息技術

1、信息技術導論,主講教師:鄭蔚,2,《信息技術導論》共54學時，其中理論學時27，實驗學時27，理論學時分配如下：,課程學時分配,綱要,第1章 信息、信息科學與信息技術1.1 探索信息的真諦1.2 信息科學1.3 信息技術1.4 信息科學（技術）與相關學科的關系,3,一、教學目的1．了解信息的來源和發(fā)展歷史；了解信息科學與信息技術的基本概念2．掌握信息的概念、數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別。3．掌握信息技術的核心及支撐技術

2、。二、教學重點及難點1．重點：數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別；信息技術的核心及支撐技術。2．難點：信息的概念及度量。,4,1.1 探索信息的真諦,1.1.1什么是信息 ？就一般意義而言，信息可以理解成消息、情報、知識、見聞、通知、報告、事實、數(shù)據(jù)等等。,5,1.1 探索信息的真諦,,最早對信息進行科學定義的是哈特萊（Ralph V.L. Hartley）。他在1928年發(fā)表的《信息傳輸》一文中，首先提出信息這一概念。他認為，信息就

3、是他在通信符號表中選擇符號的具體方式，并主張用所選擇的自由度來度量信息。,哈特萊首先提出消息是代碼、符號而不是信息內(nèi)容能夠本身，使信息與消息區(qū)分開來。他的思想和研究結果，為信息論的創(chuàng)立奠定了基礎。,6,香農(nóng)（Claude Elwood Shannon) 1916年4月30日出生于美國密歇根州，2001年2月26日去世。美國數(shù)學家、信息論的創(chuàng)始人。,信息就是不確定性的消除量。信息量即不確定性減少的程度。,信息被看作是用以消除信宿(信息的接

4、受者)對于信源(信息的發(fā)出者)發(fā)出消息的不確定性。香農(nóng)還用概率統(tǒng)計的數(shù)學方法，來度量不確定性被消除的量的大小。,1.1 探索信息的真諦,7,1.1 探索信息的真諦,維納1894年11月26日生于密蘇里州的哥倫比亞，1964年3月18日去世。美國數(shù)學家，控制論的創(chuàng)始人。,信息就是在人們在適應外部世界，并且使這種適應反作用于外部世界的過程中，同外部世界進行交換的內(nèi)容的名稱。,8,意大利學者朗格(G.Longe):信息是事物之間的差異，而不是

5、事物本身。即信息是反映事物的形式、關系和差別的東西。包含在事物的差異之中。所謂信息量就是對事物差異度的量度。鐘義信:信息是事物的運動狀態(tài)和過程以及關于這種狀態(tài)和過程的知識。,1.1 探索信息的真諦,9,1.1 探索信息的真諦,1.1.1 什么是信息 隨著時間的推移，時代賦予了信息新的含義，信息是一個動態(tài)的概念?，F(xiàn)代“信息”的概念，已經(jīng)與半導體技術、微電子技術、計算機技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術、信息服務業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)

6、、信息經(jīng)濟、信息化社會、信息管理、信息論等含義緊密地聯(lián)系在一起。最典型的應用是廣告。,10,香農(nóng)的研究成果標志著信息論（Information Theory）的誕生。香農(nóng)提出的信息論是關于通訊技術的理論，它是以數(shù)學方法研究通訊技術中關于信息的傳輸和變換規(guī)律的一門科學。所以，人們又將其稱為狹義信息論，或經(jīng)典信息論。 信息論發(fā)展的第二個階段是一般信息論。一般信息論特別關心信號被噪音干擾時的處理問題。 信息論發(fā)展的第三

7、個階段是廣義信息論。它以各種系統(tǒng)、各門學科中的信息為對象，廣泛地研究信息的本質和特點，以及信息的獲取、計量、傳輸、處理、控制和利用的一般規(guī)律。,1.1.2 從信息論到信息科學,11,香農(nóng)認為：信息是有秩序的量度，是人們對事物了解的不確定性的消除或減少。信息是對組織程度的一種測度，信息能使物質系統(tǒng)有序性增強，減少破壞、混亂和噪音。 香農(nóng)引入：“熵”表示一個系統(tǒng)的無組織程度。而一個系統(tǒng)中的信息量是它的組織化程度的度量，這說明信息與熵恰好

8、是一個相反的量，信息是負熵，所以信息量的公式中有負號，它表示系統(tǒng)獲得信息后無序狀態(tài)的減少或消除。,1.1.3 香農(nóng)對信息的定義,12,由于信息源發(fā)出的消息是隨機的，可以用隨機變量來表示。如果用符號 表示信息源發(fā)出的信息，假設事件的基本空間 ?包含 m個元素，即 ?={x1,x2,…,xm},且每一個等可能值的概率為： P（X=xi）=p i=1,2,…,m 那么定義一個隨機事件

9、所含的信息量稱為x的自信息量，即： （公式1-1）,1.1.4 信息的度量,13,只能表示信息源發(fā)出的某一特定消息x的自信息量，而對于不同的消息則有不同的自信息量，所以 不足以作為整個信息源的總體信息測度，那么可以定義平均信息量來作為信息總體的測度，即信息熵。設X為一離散隨機變量，在集合 中取值，其概率分布為：,1.1.4 信

10、息的度量,14,信息熵：是從整個信息源的統(tǒng)計特性來考慮的，它從平均的意義上來表示信息源的總體信息測度，它表示信息源 X 在沒有發(fā)出消息以前，信宿對信息源 X 存在著平均不確定性。香農(nóng)的信息度量公式排除了對信息主觀上的含意。根據(jù)上述公式，同樣一個消息對任何一個收信者來說，所得到的信息量都是一樣的。,1.1.4 信息的度量,15,以上就是香農(nóng)關于信息的度量。通常也稱為概率信息。它是一個科學的定義，有明確的數(shù)學模型和定量計算。在公式中，對數(shù)

11、的底數(shù)從理論上而言可以取任何數(shù)。當?shù)讛?shù)為2時，信息的計量單位為比特（bit），即二進制單位。,1.1.4 信息的度量,16,首先，香農(nóng)對信息的定義的出發(fā)點是假定事物狀態(tài)可以用一個以經(jīng)典集合論為基礎的概率模型來描述。然而實際存在的某些事物運動狀態(tài)要尋找一個合適的概率模型往往是非常困難的。其次，這個定義和度量考慮收信者的主觀特性和主觀意義，也撇開了信息的具體含義、具體用途、重要程度和引起后果等因素。,1.1.5 香農(nóng)信息論的局限性,17,

12、以上問題的出現(xiàn)，主要是由于狹義信息論沒有解決信息的語義問題和有效性問題。語義信息是指當認知主體在獲得信息時，不僅要知道“是什么形式”，而且還要理解“是什么意思”。也就是說，信息的具體含義是什么。香農(nóng)定義并沒有解決語義信息的度量問題。這樣，它的適用范圍就受到嚴重的限制。,1.1.5 香農(nóng)信息論的局限性,18,1. 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是對客觀實體的一種描述形式，是信息的載體。數(shù)據(jù)（原材料木頭）與信息（加工以形成的結構）的關系數(shù)據(jù)是未加工

13、的信息，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或詮釋。將數(shù)據(jù)加工為信息的過程即信息加工或處理。,1.1.6 數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別,19,2. 消息在通信過程中，信息總是經(jīng)過編碼(符號化)成為消息以后，才能經(jīng)由媒介傳播的，而信息的接收者收到信息后，總是要經(jīng)過譯碼(解讀)才獲取其中的信息。信息是包含在消息中的抽象量，消息是具體的，其中蘊涵著信息。,1.1.6 數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別,20,3.信號消息須變換成適合信道傳輸?shù)奈锢砹浚@種物理量

14、即信號。信號攜帶消息，是消息的運載工具。信號是數(shù)據(jù)的電磁或光脈沖編碼。信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號。 模擬信號是一種隨時間而連續(xù)變化的信號。數(shù)字信號則是在時間上的一種離散信號。,1.1.6 數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別,21,1.2 信息科學,1.2.1 科學的定義達爾文對科學的定義：“就是整理事實，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，做出結論?！币?guī)律則是指客觀科學事物之間內(nèi)在的本質的必然聯(lián)系。一般地說：是人類認識客觀世界的知識，但并不

15、是任何關于客觀世界的知識都是科學。科學包括自然科學、社會科學。,22,科學：是指探知事物的本質、特征、內(nèi)在規(guī)律以及與其他事物的聯(lián)系。 是關于自然、社會和思維的發(fā)展與變化規(guī)律的知識體系。技術：則是運用科學規(guī)律解決實現(xiàn)某一目的的手段和方法。泛指根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和科學原理而發(fā)展形成的各種工藝操作方法、技能和技巧。工程：是指將科學原理應用到工農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)部門中去而形成的各門學科的總稱。,1.2.2 科學、技術與工程的界定,23,信息和控制是信

16、息科學的基礎和核心。關于什么是信息科學（Information science），有著不同的定義：定義1：信息科學是研究信息的產(chǎn)生、獲取、變換、傳輸、存儲、處理、顯示、識別和利用的科學，是一門結合了數(shù)學、物理、天文、生物和人文等基礎學科的新興與綜合性學科”。定義2：以信息為主要研究對象，以信息的運動規(guī)律和應用方法為主要研究內(nèi)容，以計算機等技術為主要研究工具，以擴展人類的信息功能為主要目標的一門新興的綜合性學科。,1.2.3 信息科

17、學,24,可將信息科學研究的基本內(nèi)容歸納為五個方面： (1)探討信息的基本概念和本質。（物質或精神范疇的問題）(2)研究信息的數(shù)值度量方法。（信息的度量方法）(3)闡明信息感知、識別、變換、傳遞、存儲、檢索、處理、再生、表示、施效(控制)等過程的一般規(guī)律。（信息的運動規(guī)律）(4)揭示利用信息來描述系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的方法和原理（控制論：包括信息仿生學和人工智能）(5)尋求通過加工信息來生成智能的機制和途徑。（系統(tǒng)論：包括運籌學、系

18、統(tǒng)工程、耗散結構和協(xié)同學）,1.2.4 信息科學的研究內(nèi)容與體系,25,從信息科學的研究內(nèi)容來劃分，我們可以將信息科學的基本科學體系分為三個層次（圖1-6）：信息科學的哲學層次，其中包括信息的哲學本質、智能的哲學本質、信息與反映的關系、信息與認識的關系、人工智能與人類智能的關系等等。信息科學的基礎理論層次，它的主要任務是研究信息的一般理論。信息科學的技術應用層次，主要研究如何應用信息科學理論在技術上拓展人類的信息功能（特別是其中的

19、智力功能）的問題。,1.2.4 信息科學的研究內(nèi)容與體系,26,圖1-6 信息科學體系的三個層次,這樣，信息哲學、基礎理論和技術應用三者就構成了—個和諧的學科體系。,27,1.2.4 信息科學的研究內(nèi)容與體系,1.3 信息技術,1.3.1 信息技術的定義人們對信息技術的定義，因其使用的目的、范圍、層次不同而有不同的表述：定義1：信息技術是指有關信息的收集、識別、提取、變換、存貯、傳遞、處理、檢索、檢測、分析和利用等的技術。定義2：

20、現(xiàn)代信息技術“以計算機技術、微電子技術和通信技術為特征”。,28,定義3：信息技術是指在計算機和通信技術支持下用以獲取、加工、存儲、變換、顯示和傳輸文字、數(shù)值、圖像以及聲音信息，包括提供設備和提供信息服務兩大方面的方法與設備的總稱。定義4：信息技術指“應用在信息加工和處理中的科學，技術與工程的訓練方法和管理技巧；上述方法和技巧的應用；計算機及其與人、機的相互作用，與人相應的社會、經(jīng)濟和文化等諸種事物。”,1.3.1 信息技術的定義,2

21、9,定義5：信息技術包括信息傳遞過程中的各個方面，即信息的產(chǎn)生、收集、交換、存儲、傳輸、顯示、識別、提取、控制、加工和利用等技術。定義6：從技術的本質意義上講，信息技術就是能夠擴展人的信息器官功能的一類技術。,1.3.1 信息技術的定義,30,人類的信息器官與功能人的信息器官主要包括以下四類：（如圖1-7所示）感覺器官：包括視覺器官、聽覺器官、嗅覺器官、味覺器官、觸覺器官和平衡感覺器官等；傳導神經(jīng)網(wǎng)絡：它又可以分為導入神經(jīng)網(wǎng)絡利

22、導出神經(jīng)網(wǎng)絡等；思維器官：包括記憶系統(tǒng)、聯(lián)想系統(tǒng)、分析推理和決策系統(tǒng)等；效應器官：包括操作器官(手)、行走器官(腳)和語言器官(口)等。,1.3.2 擴展人類的信息器官功能的信息技術,31,1.3.2 擴展人類的信息器官功能的信息技術,32,2.信息技術的“四基元”根據(jù)上面給出的信息技術的定義和相應的分析，我們可以明確信息技術的四項基本內(nèi)容，這就是“信息技術四基元”，即：(1)感測技術——感覺器官(視、聽、嗅、味、觸、平衡)功能

23、的延長。(2)通信技術——傳導神經(jīng)網(wǎng)絡(導入、導出)功能的延長。(3)計算機和智能技術——思維器官(記憶、聯(lián)想、分析、推理、決策)功能的延長。(4)控制技術——效應器官(手、腳、口)功能的延長。,1.3.2 擴展人類的信息器官功能的信息技術,33,既然信息技術是人的信息器官功能的延長，信息技術四基元的關系也應當視作一個有機的整體，它們和諧有機地合作，共同完成擴展人的智力功能的任務。圖1-8示出了它們之間的這種聯(lián)系。,1.3.2 擴

24、展人類的信息器官功能的信息技術,34,于是，由上面給出的信息技術的定義6還可以引出兩個比較具體的定義，即：?信息技術是指能夠完成信息的獲取、傳遞、加工、再生和施用等功能的—類技術；?信息技術是指感測、通信、計算機和智能以及控制等技術的整體。,35,1.3.2 擴展人類的信息器官功能的信息技術,迄今為止，人類社會已經(jīng)發(fā)生過四次信息技術革命。 第一次革命是人類創(chuàng)造了語言和文字，接著出現(xiàn)了文獻。第二次革命是造紙和印刷術的出現(xiàn)。第三

25、次革命是電報、電話、電視及其他通訊技術的發(fā)明和應用。第四次革命是電子計算機和現(xiàn)代通訊技術在信息工作中的應用。,1.3.3 信息技術的發(fā)展,36,信息技術的核心技術就是它的“四基元”：計算機與智能技術、通信技術、感測技術及控制技術。1. 計算機與智能技術,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,37,2.通信技術現(xiàn)代通信技術主要包括數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、微波通信、光纖通信等。,圖1-11 衛(wèi)星通信,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,

26、38,3.傳感技術 是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學、材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性高技術密集型前沿技術之一。,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,39,4.控制技術 計算機控制技術是計算機與控制理論、自動化技術相結合的產(chǎn)物。,圖1-13 控制系統(tǒng)框圖,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,40,4.智能控制技術當前主要包括以下幾個方面

27、：?模糊控制技術?專家控制技術?機器學習技術,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,41,5.信息技術主要支撐技術──微電子技術,信息技術的發(fā)展必須具備兩個基本的條件：一是快速，即短時間里可收集或傳輸大量信息；二是體積小，攜帶起來方便，在任何場合都能使用。微電子技術誕生的標志是1947年發(fā)明的晶體管，但微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展則是在1958 年出現(xiàn)第一塊集成電路（IC）以后。,1.3.4 信息技術的核心及支撐技術,42,1

28、.4 信息科學（技術）與相關學科的關系,1.4.1 計算科學計算科學（或計算機科學）是對描述和變換信息的算法過程，包括其理論、分析、設計、效率分析、實現(xiàn)和應用的系統(tǒng)的研究。,43,系統(tǒng)科學是以系統(tǒng)思想為中心的一類新型的科學群。它包括系統(tǒng)論、信息論、控制論、耗散結構論、協(xié)同論以及運籌學、系統(tǒng)工程、信息傳播技術、控制管理技術等許多學科在內(nèi)，發(fā)展最快的一大類綜合性科學。,1.4.2 系統(tǒng)科學,44,1.4.2 系統(tǒng)科學,圖1-16 系統(tǒng)科學