1信息、信息科學(xué)與信息技術(shù)

1、信息技術(shù)導(dǎo)論,主講教師:鄭蔚,2,《信息技術(shù)導(dǎo)論》共54學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)27，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)27，理論學(xué)時(shí)分配如下：,課程學(xué)時(shí)分配,綱要,第1章 信息、信息科學(xué)與信息技術(shù)1.1 探索信息的真諦1.2 信息科學(xué)1.3 信息技術(shù)1.4 信息科學(xué)（技術(shù)）與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,3,一、教學(xué)目的1．了解信息的來源和發(fā)展歷史；了解信息科學(xué)與信息技術(shù)的基本概念2．掌握信息的概念、數(shù)據(jù)、消息、信號(hào)與信息的區(qū)別。3．掌握信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù)

2、。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)1．重點(diǎn)：數(shù)據(jù)、消息、信號(hào)與信息的區(qū)別；信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù)。2．難點(diǎn)：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(bào)、知識(shí)、見聞、通知、報(bào)告、事實(shí)、數(shù)據(jù)等等。,5,1.1 探索信息的真諦,,最早對(duì)信息進(jìn)行科學(xué)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(rèn)為，信息就

3、是他在通信符號(hào)表中選擇符號(hào)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(hào)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(jié)果，為信息論的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。,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(xué)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(duì)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(jì)的數(shù)學(xué)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(xué)家，控制論的創(chuàng)始人。,信息就是在人們?cè)谶m應(yīng)外部世界，并且使這種適應(yīng)反作用于外部世界的過程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)容的名稱。,8,意大利學(xué)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(guān)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(duì)事物差異度的量度。鐘義信:信息是事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和過程以及關(guān)于這種狀態(tài)和過程的知識(shí)。,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(shí)間的推移，時(shí)代賦予了信息新的含義，信息是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念?，F(xiàn)代“信息”的概念，已經(jīng)與半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息服務(wù)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)

6、、信息經(jīng)濟(jì)、信息化社會(huì)、信息管理、信息論等含義緊密地聯(lián)系在一起。最典型的應(yīng)用是廣告。,10,香農(nóng)的研究成果標(biāo)志著信息論（Information Theory）的誕生。香農(nóng)提出的信息論是關(guān)于通訊技術(shù)的理論，它是以數(shù)學(xué)方法研究通訊技術(shù)中關(guān)于信息的傳輸和變換規(guī)律的一門科學(xué)。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(gè)階段是一般信息論。一般信息論特別關(guān)心信號(hào)被噪音干擾時(shí)的處理問題。 信息論發(fā)展的第三

7、個(gè)階段是廣義信息論。它以各種系統(tǒng)、各門學(xué)科中的信息為對(duì)象，廣泛地研究信息的本質(zhì)和特點(diǎn)，以及信息的獲取、計(jì)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(xué),11,香農(nóng)認(rèn)為：信息是有秩序的量度，是人們對(duì)事物了解的不確定性的消除或減少。信息是對(duì)組織程度的一種測度，信息能使物質(zhì)系統(tǒng)有序性增強(qiáng)，減少破壞、混亂和噪音。 香農(nóng)引入：“熵”表示一個(gè)系統(tǒng)的無組織程度。而一個(gè)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(gè)相反的量，信息是負(fù)熵，所以信息量的公式中有負(fù)號(hào)，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(duì)信息的定義,12,由于信息源發(fā)出的消息是隨機(jī)的，可以用隨機(jī)變量來表示。如果用符號(hào) 表示信息源發(fā)出的信息，假設(shè)事件的基本空間 ?包含 m個(gè)元素，即 ?={x1,x2,…,xm},且每一個(gè)等可能值的概率為： P（X=xi）=p i=1,2,…,m 那么定義一個(gè)隨機(jī)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(duì)于不同的消息則有不同的自信息量，所以 不足以作為整個(gè)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(shè)X為一離散隨機(jī)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(gè)信息源的統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)信息主觀上的含意。根據(jù)上述公式，同樣一個(gè)消息對(duì)任何一個(gè)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(guān)于信息的度量。通常也稱為概率信息。它是一個(gè)科學(xué)的定義，有明確的數(shù)學(xué)模型和定量計(jì)算。在公式中，對(duì)數(shù)

11、的底數(shù)從理論上而言可以取任何數(shù)。當(dāng)?shù)讛?shù)為2時(shí)，信息的計(jì)量單位為比特（bit），即二進(jìn)制單位。,1.1.4 信息的度量,16,首先，香農(nóng)對(duì)信息的定義的出發(fā)點(diǎn)是假定事物狀態(tài)可以用一個(gè)以經(jīng)典集合論為基礎(chǔ)的概率模型來描述。然而實(shí)際存在的某些事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要尋找一個(gè)合適的概率模型往往是非常困難的。其次，這個(gè)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(dāng)認(rèn)知主體在獲得信息時(shí)，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(yán)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(duì)客觀實(shí)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(jié)構(gòu)）的關(guān)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(hào)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(hào)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(yùn)涵著信息。,1.1.6 數(shù)據(jù)、消息、信號(hào)與信息的區(qū)別,20,3.信號(hào)消息須變換成適合信道傳輸?shù)奈锢砹?，這種物理量

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

15、是任何關(guān)于客觀世界的知識(shí)都是科學(xué)。科學(xué)包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)。,22,科學(xué)：是指探知事物的本質(zhì)、特征、內(nèi)在規(guī)律以及與其他事物的聯(lián)系。 是關(guān)于自然、社會(huì)和思維的發(fā)展與變化規(guī)律的知識(shí)體系。技術(shù)：則是運(yùn)用科學(xué)規(guī)律解決實(shí)現(xiàn)某一目的的手段和方法。泛指根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)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(xué)原理應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)部門中去而形成的各門學(xué)科的總稱。,1.2.2 科學(xué)、技術(shù)與工程的界定,23,信息和控制是信

16、息科學(xué)的基礎(chǔ)和核心。關(guān)于什么是信息科學(xué)（Information science），有著不同的定義：定義1：信息科學(xué)是研究信息的產(chǎn)生、獲取、變換、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示、識(shí)別和利用的科學(xué)，是一門結(jié)合了數(shù)學(xué)、物理、天文、生物和人文等基礎(chǔ)學(xué)科的新興與綜合性學(xué)科”。定義2：以信息為主要研究對(duì)象，以信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)等技術(shù)為主要研究工具，以擴(kuò)展人類的信息功能為主要目標(biāo)的一門新興的綜合性學(xué)科。,1.2.3 信息科

17、學(xué),24,可將信息科學(xué)研究的基本內(nèi)容歸納為五個(gè)方面： (1)探討信息的基本概念和本質(zhì)。（物質(zhì)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(shí)別、變換、傳遞、存儲(chǔ)、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(yùn)動(dòng)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(xué)和人工智能）(5)尋求通過加工信息來生成智能的機(jī)制和途徑。（系統(tǒng)論：包括運(yùn)籌學(xué)、系

18、統(tǒng)工程、耗散結(jié)構(gòu)和協(xié)同學(xué)）,1.2.4 信息科學(xué)的研究內(nèi)容與體系,25,從信息科學(xué)的研究內(nèi)容來劃分，我們可以將信息科學(xué)的基本科學(xué)體系分為三個(gè)層次（圖1-6）：信息科學(xué)的哲學(xué)層次，其中包括信息的哲學(xué)本質(zhì)、智能的哲學(xué)本質(zhì)、信息與反映的關(guān)系、信息與認(rèn)識(shí)的關(guān)系、人工智能與人類智能的關(guān)系等等。信息科學(xué)的基礎(chǔ)理論層次，它的主要任務(wù)是研究信息的一般理論。信息科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用層次，主要研究如何應(yīng)用信息科學(xué)理論在技術(shù)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(xué)的研究內(nèi)容與體系,26,圖1-6 信息科學(xué)體系的三個(gè)層次,這樣，信息哲學(xué)、基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用三者就構(gòu)成了—個(gè)和諧的學(xué)科體系。,27,1.2.4 信息科學(xué)的研究內(nèi)容與體系,1.3 信息技術(shù),1.3.1 信息技術(shù)的定義人們對(duì)信息技術(shù)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(shù)是指有關(guān)信息的收集、識(shí)別、提取、變換、存貯、傳遞、處理、檢索、檢測、分析和利用等的技術(shù)。定義2：

20、現(xiàn)代信息技術(shù)“以計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)為特征”。,28,定義3：信息技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)支持下用以獲取、加工、存儲(chǔ)、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(shè)備和提供信息服務(wù)兩大方面的方法與設(shè)備的總稱。定義4：信息技術(shù)指“應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)，技術(shù)與工程的訓(xùn)練方法和管理技巧；上述方法和技巧的應(yīng)用；計(jì)算機(jī)及其與人、機(jī)的相互作用，與人相應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化等諸種事物。”,1.3.1 信息技術(shù)的定義,2

21、9,定義5：信息技術(shù)包括信息傳遞過程中的各個(gè)方面，即信息的產(chǎn)生、收集、交換、存儲(chǔ)、傳輸、顯示、識(shí)別、提取、控制、加工和利用等技術(shù)。定義6：從技術(shù)的本質(zhì)意義上講，信息技術(shù)就是能夠擴(kuò)展人的信息器官功能的一類技術(shù)。,1.3.1 信息技術(shù)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(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：它又可以分為導(dǎo)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利

22、導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(kuò)展人類的信息器官功能的信息技術(shù),31,1.3.2 擴(kuò)展人類的信息器官功能的信息技術(shù),32,2.信息技術(shù)的“四基元”根據(jù)上面給出的信息技術(shù)的定義和相應(yīng)的分析，我們可以明確信息技術(shù)的四項(xiàng)基本內(nèi)容，這就是“信息技術(shù)四基元”，即：(1)感測技術(shù)——感覺器官(視、聽、嗅、味、觸、平衡)功能

23、的延長。(2)通信技術(shù)——傳導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(導(dǎo)入、導(dǎo)出)功能的延長。(3)計(jì)算機(jī)和智能技術(shù)——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(shù)——效應(yīng)器官(手、腳、口)功能的延長。,1.3.2 擴(kuò)展人類的信息器官功能的信息技術(shù),33,既然信息技術(shù)是人的信息器官功能的延長，信息技術(shù)四基元的關(guān)系也應(yīng)當(dāng)視作一個(gè)有機(jī)的整體，它們和諧有機(jī)地合作，共同完成擴(kuò)展人的智力功能的任務(wù)。圖1-8示出了它們之間的這種聯(lián)系。,1.3.2 擴(kuò)

24、展人類的信息器官功能的信息技術(shù),34,于是，由上面給出的信息技術(shù)的定義6還可以引出兩個(gè)比較具體的定義，即：?信息技術(shù)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(shù)；?信息技術(shù)是指感測、通信、計(jì)算機(jī)和智能以及控制等技術(shù)的整體。,35,1.3.2 擴(kuò)展人類的信息器官功能的信息技術(shù),迄今為止，人類社會(huì)已經(jīng)發(fā)生過四次信息技術(shù)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(xiàn)。第二次革命是造紙和印刷術(shù)的出現(xiàn)。第三

25、次革命是電報(bào)、電話、電視及其他通訊技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用。第四次革命是電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通訊技術(shù)在信息工作中的應(yīng)用。,1.3.3 信息技術(shù)的發(fā)展,36,信息技術(shù)的核心技術(shù)就是它的“四基元”：計(jì)算機(jī)與智能技術(shù)、通信技術(shù)、感測技術(shù)及控制技術(shù)。1. 計(jì)算機(jī)與智能技術(shù),1.3.4 信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù),37,2.通信技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)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(shù)的核心及支撐技術(shù),

26、38,3.傳感技術(shù) 是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。,1.3.4 信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù),39,4.控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)與控制理論、自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。,圖1-13 控制系統(tǒng)框圖,1.3.4 信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù),40,4.智能控制技術(shù)當(dāng)前主要包括以下幾個(gè)方面

27、：?模糊控制技術(shù)?專家控制技術(shù)?機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),1.3.4 信息技術(shù)的核心及支撐技術(shù),41,5.信息技術(shù)主要支撐技術(shù)──微電子技術(shù),信息技術(shù)的發(fā)展必須具備兩個(gè)基本的條件：一是快速，即短時(shí)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(shù)誕生的標(biāo)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(shù)的核心及支撐技術(shù),42,1

28、.4 信息科學(xué)（技術(shù)）與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,1.4.1 計(jì)算科學(xué)計(jì)算科學(xué)（或計(jì)算機(jī)科學(xué)）是對(duì)描述和變換信息的算法過程，包括其理論、分析、設(shè)計(jì)、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)的研究。,43,系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)思想為中心的一類新型的科學(xué)群。它包括系統(tǒng)論、信息論、控制論、耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論以及運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)工程、信息傳播技術(shù)、控制管理技術(shù)等許多學(xué)科在內(nèi)，發(fā)展最快的一大類綜合性科學(xué)。,1.4.2 系統(tǒng)科學(xué),44,1.4.2 系統(tǒng)科學(xué),圖1-16 系統(tǒng)科學(xué)