第01章 信息、信息科学与信息技术

课程:信息技术导论(0A006) 主讲:北京大学 苏清元(SQN) 来源:田浩然上传的资料/0A006 信息技术导论/

一、信息的本质与度量

1.1 什么是信息

  • 一般意义:信息可理解为消息、情报、知识、见闻、通知、报告、事实、数据等
  • 科学概念:20 世纪 30 年代开始作为科学概念探讨
  • 哈特莱(Ralph V.L. Hartley, 1928):在《信息传输》一文中首先提出”信息”概念——“信息是代码、符号,而不是信息内容本身”,将信息与消息区分开
  • 香农(C. E. Shannon, 1948):信息论创始人,从通信理论出发,第一次用数学方法定义”信息就是不确定性的消除”

1.2 香农对信息的定义

  • 核心观点: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
  • 通信系统模型:信源 → 编码 → 信道 → 译码 → 信宿
    • 信源:信息的发送者
    • 信道:在物理线路上划分的逻辑通道
    • 信宿:信息的接收者

1.3 信息的度量

自信息量

定义一个随机事件 x 所含的信息量称为 x 的自信息量:

I(x) = -log₂ P(x)

(以 2 为底时单位为比特(bit))

信息熵

自信息量只能表示某一特定消息的信息量,不能表示整个信息源的总体信息测度。信息熵是从整个信息源的统计特性来考虑的平均信息量:

H(X) = -Σ P(xᵢ) · log₂ P(xᵢ)

  • 信息熵表示信息源 X 在发出消息以前,信宿对信息源 X 存在的平均不确定性
  • 熵越大,不确定性越大
  • 香农的信息度量公式排除了对信息主观上的含意——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

经典例子:试验甲(A、B 概率相等,如投硬币)vs 试验乙(A 出现概率远大于 B)。甲的不肯定性比乙大,熵也更大。

1.4 香农信息论的局限性

  1. 概率模型假设:假定事物状态可以用经典集合论为基础的概率模型描述,但实际中某些事物运动状态难以找到合适的概率模型
  2. 忽略语义和有效性:没有考虑收信者的主观特性和主观意义,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
  3. 狭义信息论没有解决语义信息(信息的具体含义是什么)和有效性问题,适用范围受到严重限制

1.5 数据、消息、信号与信息的区别

概念定义与信息的关系
数据对客观实体的一种描述形式,是信息的载体数据是未加工的信息;信息是数据经过加工后能为某个目的使用的数据。数据是原材料,信息是加工后的结构
消息具体的、蕴含着信息的载体信息是包含在消息中的抽象量;消息是具体的。信息经编码成为消息才能传播,经译码才能获取信息
信号消息变换成适合信道传输的物理量信号携带着消息,是消息的运载工具。信号是数据的电磁或光脉冲编码
  • 数据分为模拟数据(连续值)和数字数据(离散值)
  • 信号分为模拟信号(随时间连续变化)和数字信号(时间上离散)

二、信息科学

2.1 科学的定义

  • 科学就是整理事实,从中发现规律,做出结论
  • 科学要发现人所未知的事实,实事求是
  • 规律:客观事物之间内在的本质的必然联系
  • 科学是建立在实践基础上,经过实践检验和严密逻辑论证的,关于客观世界各种事物的本质及运动规律的知识体系

2.2 科学、技术与工程的界定

概念定义
科学探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系;关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系
技术运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法;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

2.3 信息科学的定义

  • 信息和控制是信息科学的基础和核心
  • 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

2.4 信息科学的研究内容

可归纳为五个方面:

  1. 探讨信息的基本概念和本质
  2. 研究信息的数值度量方法
  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
  4. 揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理
  5. 寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径

2.5 信息科学体系的三个层次

  • 信息哲学层次: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
  • 基础理论层次:研究信息的一般理论
  • 技术应用层次:应用信息科学理论拓展人类的信息功能(特别是智力功能)

信息哲学、基础理论和技术应用三者构成一个和谐的学科体系。

三、信息技术

3.1 信息技术的定义

六种定义从不同角度描述:

  1. 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
  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”
  3. 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
  4. 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
  5. 包括信息传递过程中的各个方面:产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用
  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(最本质的定义)

3.2 人类的信息器官与功能

人的信息器官主要包括四类:

器官类别包含内容功能
感觉器官视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、平衡感觉器官等获取信息
传导神经网络导入神经网络、导出神经网络传递信息
思维器官记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等加工/再生信息
效应器官操作器官(手)、行走器官(脚)、语言器官(口)等施用信息(控制)

3.3 信息技术的”四基元”

对应人的四类信息器官:

  1. 感测技术 —— 感觉器官功能的延长
  2. 通信技术 —— 传导神经网络功能的延长
  3. 计算机和智能技术 —— 思维器官功能的延长
  4. 控制技术 —— 效应器官功能的延长

四基元是一个有机整体,和谐合作,共同完成扩展人的智力功能的任务。

由此引出两个具体定义:

  • 信息技术是指能够完成信息的获取、传递、加工、再生和施用等功能的一类技术
  • 信息技术是指感测、通信、计算机和智能以及控制等技术的整体

3.4 四次信息技术革命

次数革命内容意义
第一次创造了语言和文字,出现了文献信息可以被记录和传承
第二次造纸和印刷术的出现信息可以大量复制和广泛传播
第三次电报、电话、电视及其他通讯技术的发明信息可以远距离实时传输
第四次电子计算机和现代通讯技术在信息工作中的应用信息可以被自动化处理和高速传输

3.5 信息技术的核心及支撑技术

核心技术(四基元):

  1. 计算机与智能技术
  2. 通信技术 —— 数字通信、卫星通信、微波通信、光纤通信等
  3. 传感技术
  4. 控制技术 —— 模糊控制、专家控制、机器学习等

支撑技术——微电子技术:

  • 信息技术发展的两个基本条件:快速(短时间收集/传输大量信息)+ 体积小(便携,任何场合使用)
  • 微电子技术诞生的标志:1947 年发明晶体管
  • 微电子产业快速发展:1958 年出现第一块集成电路(IC) 以后

四、信息科学与相关学科的关系

4.1 计算科学

计算科学(或计算机科学)是对描述和变换信息的算法过程——包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用——的系统的研究。

4.2 系统科学

系统科学的层次结构(自底向上):

  • 根本原理(系统哲学)
  • 基本原理(系统学原理)
  • 理论基础(系统学)
  • 应用基础(系统论)
  • 应用技术(系统方法)

系统科学 → 系统工程

4.3 信息哲学

信息与哲学的联姻——科学哲学的新范式

4.4 认知科学与认知心理学

研究人脑或心智工作机制的认知科学


核心要点提炼

  1. 香农信息论的革命性贡献:第一次用数学方法量化定义信息(不确定性的消除),建立了信息度量的科学基础
  2. 信息 ≠ 数据 ≠ 消息 ≠ 信号:四者层层嵌套,信息是最抽象的内核
  3. 信息科学三层次:哲学层 → 基础理论层 → 技术应用层,三位一体
  4. 信息技术的本质:扩展人类信息器官功能的技术,四基元对应四类器官
  5. 四次革命:语言文字 → 印刷术 → 电讯 → 计算机与现代通信
  6. 微电子是基石:晶体管(1947)和集成电路(1958)是信息技术高速发展的硬件基础

关联笔记