Основные понятия

Информационная деятельность – это действия, выполняемые в целях сбора, переработки, хранения, поиска и распространения информации (в том числе, научной).

Информатика – это научная дисциплина, изучающая структуру и свойства (а не конкретное содержание) информации, а также закономерности информационной деятельности, ее теорию, историю, методику, организацию.

Информатика - это научное направление, изучающее модели, методы и средства сбора, хранения, обработки и передачи информации. (Наука о структуре, свойствах, закономерностях и методах создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и использования информации).

Цель информатики – разработка оптимальных способов и средств представления (записи), сбора, переработки, хранения, поиска и распространения информации. Информатика имеет дело со смысловой (семантической) информацией, но не занимается качественной оценкой этой информации.

1. Теоретическая задача информатики – это выяснение закономерностей, в соответствии с которыми происходит создание семантической информации, ее преобразование, передача и использование в различных сферах деятельности.

2. Прикладной характер исследований предполагает разработку наиболее рациональных методов осуществления информационных процессов, определение способов оптимальной организации связи (внутри науки, науки и производства).

Информатика исследует три группы основных вопросов: 1) технические, связанные с изучением методов и средств надежного сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации; 2) семантические, определяющие способы описания смысла информации, изучающие языки ее описания; 3) прагматические, описывающие методы кодирования информации.

Информация – это совокупность фактов, явлений, событий, представляющих интерес и подлежащих регистрации и обработке.

Информация - мера устранения неопределённости в отношении исхода интересующего нас события.

Данные - материальные объекты произвольной формы, выступающие в качестве средства предоставления информации.

Термин данные определяется как величина, число или отношение, вводимые в процесс или получаемые из него. Данные могут быть и не числовыми (факты, принципы, утверждения, на которых основываются аргументы). В этом смысле, информация – знание, полученное из анализа данных (данные, сами по себе, не являются информацией). Данные, полученные из наблюдения явлений, могут перестраиваться осмысленным образом, но без искажений или фундаментальных изменений. Данные в информатике – это факты или идеи, выраженные средствами формальной системы, обеспечивающей возможность их хранения, обработки или передачи.

Информационные технологии – это совокупность методов и приемов решения типовых задач обработки данных.

Информационная технология – создаваемая прикладной информатикой совокупность систематических и массовых способов и приемов обработки информации во всех видах человеческой деятельности с использованием современных средств связи, полиграфии, вычислительной техники и программного обеспечения.

Непрерывная и дискретная информация

Информация о различных природных явлениях и технологических процессах воспринимается человеком (при помощи органов чувств и/или различной измерительной аппаратуры) в виде каких-либо полей. С математической точки зрения такие поля представляют собой функции , где t – время, x – точка, в которой измеряется поле, y – величина поля в этой точке. При измерениях поля в фиксированной точке x=a функция вырождается в функцию времени , которую можно изобразить в виде графика. В большинстве случаев все скалярные величины, входящие в соотношение (т.е. t , y и координаты точки x ), могут принимать непрерывный ряд значений, измеряемых вещественными числами.

Под непрерывностью здесь понимается то, что рассматриваемые величины могут изменяться сколь угодно мелкими шагами. Поэтому представленную таким образом информацию называют непрерывной информацией . Иногда для этой цели используется термин аналоговая информация .

Если применительно к той же самой информации о поле установить минимальные шаги изменения всех характеризующих ее скалярных величин, то получим так называемое дискретное представление информации, или по-другому, говорят – дискретная информация . Т. к. точность измерений (как и человеческого восприятия) всегда ограничена, то, даже имея дело с непрерывной информацией, человек воспринимает ее в дискретном виде. Однако, любая непрерывная информация может быть аппроксимирована дискретной информацией с любой степенью точности. Поэтому можно говорить об универсальности дискретной формы представления информации.

Результаты измерения любых скалярных величин представляются в конечном итоге в числовом виде. И т.к. при заданной точности измерений эти числа представимы в виде конечных наборов цифр (с запятой или без нее), то дискретную форму представления информации часто отождествляют с цифровой информацией .

2.2.Кодирование

Для начала введем необходимое понятие абстрактного алфавита . Ведь цифровая информация в действительности представляет собой частный случай так называемого алфавитного способа представления дискретной информации. Его основа – это произвольный фиксированный конечный набор символов любой природы, который и называют абстрактным алфавитом или просто алфавитом .

Примеры алфавитов. 1) совокупность десятичных цифр вместе с запятой для отделения дробной части числа можно рассматривать в качестве частного случая абстрактного алфавита с 11 символами – буквами этого алфавита; 2) алфавит естественного человеческого языка (русского); 3) язык математических и других научных текстов может включать в себя наряду с обычными буквами данного языка буквы других языков (греческого), а также различные специальные символы (символы арифметических операций +, - и др.).

При обработке информации часто возникает необходимость в представлении средствами одного алфавита буквы других алфавитов. Такое представление носит в информатике свое специальное название – кодирование . Задача имеет простое решение, если требуется закодировать буквы алфавита X с меньшим числом букв, чем у кодирующего алфавита Y .

Пример . Пусть X – алфавит десятичных цифр, Y – обычный русский алфавит. Тогда для кодирования X в Y достаточно положить 0=а, 1=б, 2=в, 3=г,ююю,9=к. Возможны и другие способы кодирования, в том числе такие, в которых буквы алфавита X кодируются несколькими буквами алфавита Y . Одним из наиболее естественных способов такого кодирования является простая замена десятичных цифр их русскими названиями: нуль, один, два и т.д.

При кодировании алфавитов с большим числом букв в алфавите использование для кодирования последовательностей букв является обязательным условием для возможности различения кодов различных букв, что есть непременное условие правильного кодирования.

Пример . Буквы русского алфавита можно закодировать парами десятичных цифр: а=01, б=02,…, к=10, л=11,…

Можно сказать, что кодирование – это, вообще говоря, перевод сообщений с одного языка на другой; этот термин применяется чаще всего при передаче информации по каналам связи. При этом предназначенное кодирующее устройство сопоставляет каждому символу передаваемого текста, или целым словам, или фразам (сообщениям) определенную комбинацию сигналов (приемлемую для передачи по данному каналу связи), называемую кодом или кодовым словом. Именно эту операцию перевода сообщений в определенные последовательности сигналов принято называть кодированием, а обратную операцию, восстанавливающую по принятым сигналам (кодовым словам) передаваемые сообщения, - декодированием . Чтобы передать информацию по каналу, необходимо предварительно перевести сообщение с помощью преобразователя в сигналы той природы, которая соответствует носителю информации в канале, например, в электрические сигналы, дискретные или непрерывные. При использовании сигналов непрерывного характера обычно не возникает каких-либо особенных проблем кодирования. Однако, сигналы непрерывного характера более уязвимы к воздействию всякого рода помех и трудно поддаются процедуре защиты. На электрические каналы связи воздействуют помехи непрерывного характера: природные – молнии и др. разряды, а также «индустриальные» помехи. Каналы для передачи непрерывных сигналов являются «малоскоростными», т.е. с малой пропускной способностью. Примерами каналов с передачей непрерывных сигналов, являются каналы: 1) телефонной связи, 2) радиосвязи (эфирной), в том числе, телевидение. Примеры каналов с передачей дискретных сигналов, это: 1) телеграфные, 2) любые, так называемые, каналы цифровой связи – для передачи «компьютерной информации» (например, по Интернет) – телевизионной информации, преобразованной в дискретные («цифровые») сигналы. Каналы связи с дискретной информацией более продуктивны. Это связано, в первую очередь, с уменьшением избыточности при преобразовании сообщений человека в дискретные сигналы. Кодирование, выполняемое при переводе сообщений в письменной или устной форме в дискретные сигналы по соответствующим каналам связи с максимально возможным уменьшением избыточности и создают основные проблемы, которые рассматриваются теорией кодирования.

Теперь попытаемся определить основное понятие кода (раздел дискретной математики). Задача уменьшения избыточности передаваемых сообщений – задача противоречивая: с одной стороны, требуется уменьшение избыточности с целью улучшения пропускной способности канала передачи информации; с другой стороны, необходим достаточный уровень избыточности, чтобы обеспечить достоверность передаваемой информации при помощи ее контроля и устранения помех, возникающих в каналах связи при воздействии помех. Намеренно вводимая избыточность необходима как для определения искажений дискретных сигналов, так и выделения «чужих» сигналов (из «чужих» сообщений).

О пределение . Код – это набор правил, которые устанавливают однозначное соответствие между элементами информации (словами, числами, фразами, химическими структурными группами и т.д.) и символическими метками . Т.о, код включает в себя: 1) элементы информации; 2) символические метки; 3) способы установления однозначного соответствия между теми и др.

Элементы информации составляют основу кода и выбираются в зависимости от решаемой задачи. Выбору элементов информации предшествует тщательный анализ информации; сущность анализа состоит в выборе характерных, специфических ее особенностей, которые наиболее четко отвечают требованиям поставленной задачи. Число выбранных элементов информации согласуется с емкостью носителя (кода) и его способом кодирования. Можно сказать, что коды и кодирование – средство для экономной, удобной и практически безошибочной передачи сообщений.

Примечание . Коды появились в древности в виде криптограмм (тайнописи); ими пользовались для засекречивания важного сообщения от тех, кому оно было предназначено. Греческий историк Геродот (V в. до н.э.) приводил примеры писем, понятных лишь для одного адресата. Спартанцы имели специальный механический набор, при помощи которого важные сообщения можно было писать особым способом, обеспечивающим сохранность тайны. Собственная секретная азбука была у Юлия Цезаря. В средние века и эпоху Возрождения над изобретением тайных шифров трудились: Фрэнсис Бэкон, Франсуа Виет, Джераламо Кардано, Джон Валлис. Много позднее Шеннон показал, что можно построить криптограмму, которая не поддается никакой расшифровке, если, конечно, не известен способ ее составления.

Различные символы или сообщения должны кодироваться различными кодовыми словами, в противном случае по кодовым словам невозможно восстановить передаваемые сообщения.

2.2.1. Двоичный алфавит . Простейший абстрактный алфавит, являющийся достаточным для кодирования любого другого алфавита, это алфавит, состоящий из двух букв. Такой алфавит называется двоичным , а его буквы принято отождествлять с цифрами 0 и 1. Кодовые слова могут быть представлены как последовательности из нулей и единиц. Число двоичных последовательностей длины n равно .

Следовательно, M сообщений можно закодировать двоичными последовательностями длины n тогда и только тогда, когда выполняется следующее условие , т.е. когда .

Примечание . Френсис Бэкон был первый, кто понял, что для кодирования достаточно двух символов.

Наряду с двоичными кодами применяют коды, использующие не два, а большее число элементарных сигналов (кодовых символов). Их число d называют основанием кода , а множество кодовых символов называют кодовым алфавитом .

Общее число n -буквенных слов, использующих d символов равно .

1.2.1.1. Подстановочное и перестановочное кодирование. Как упоминалось выше, алфавита из двух (подавно - из большего числа) символов достаточно для кодирования любого множества сообщений. Однако, кодирование всех сообщений словами одинаковой длины не всегда бывает выгодно. Наиболее часто передаваемые сообщения лучше кодировать более короткими словами, оставив более длинные слова для кодирования сообщений, появляющихся реже. В результате такого подхода кодовый текст станет в среднем короче и на его передачу потребуется меньше времени. Именно так обеспечивается экономия. Впервые эта идея была реализована американским инженером Морзе в предложенном им коде.

Мерой частоты появления того или иного события (сообщения) является его вероятность . Пусть - доля тех случаев, в которых событие (сообщение) появляется, от общего числа появившихся сообщений.

Примером экономных кодов могут служить так называемые неравномерные коды, коды Фано.

Показателем экономности или эффективности неравномерного кода являются не длины отдельных кодовых слов, а «средняя» их длина , где - длина кодового обозначения для сообщения , - вероятность появления сообщения , N – общее число сообщений. Т.о., наиболее экономный код – это код с наименьшей средней длиной .

Перечислим основные свойства оптимального кода. Пусть сообщения имеют вероятности () соответственно, и кодируются двоичными словами , имеющими длины .

Что такое дискретное? И непрерывное? Почему нам нужны обе эти идеи? В каком отношении они находятся друг с другом? И как это проявляется в физике?

Дискретное . Что это такое? Под этим словом мы понимаем нечто прерывистое, состоящее из не связанных никак между собой частей . Части эти представляют собой некоторые целостности, вполне легко отличимые от чего-либо другого . Например, камень и собака. Дальше к идее этого “целого” добавляется идея его не единственности . Несколько камней, много собак. И это уже может быть оформлено как идея множества . Дискретного множества . На этом уровне идея уже может быть оторвана от конкретики, камней ли, собак ли. Далее, и тех, и других можно считать . Так появляется идея натурального числа , развивающаяся потом до счётного множества. Именно с этими идеями и оказывается в математике связанным представление о дискретности. Каждое число в множестве всех натуральных чисел, с одной стороны, вполне индивидуально, отличимо от другого. А с другой стороны, имеет своё место в этом множестве, все числа выстраиваются в последовательность. Потому что здесь уже незримо присутствует ещё одна идея. Идея упорядоченности, следования . Понятие об упорядоченности для дискретного множества еще довольно эфемерно. Оно внешнее к самим элементам этого множества. Их можно выстраивать то в одном, то в другом порядке. Но в множестве натуральных чисел этот порядок уже установлен. И устанавливается он с помощью операции, действия . Предметы, когда их много в куче, можно добавлять и убавлять. Так в множестве натуральных чисел появляются операции сложения и вычитания. Сложение создаёт порядок по возрастанию, уточняя понятие “больше”. Вычитание, соответственно, поддерживает убывающий порядок. Потом к этим действиям добавляется операция умножения, а потом и деления. Вот последняя-то из арифметических операций и создаёт дорожку, связывающую идею дискретного с совершенно другой идеей, идеей непрерывного.

Непрерывное. Идея непрерывного возникает естественным образом из опыта обращения с достаточно большими твёрдыми телами и жидкостями. Непрерывное тоже можно “прервать”, разделить на части. Только части эти остаются во всем подобными целому. А в случае жидкостей их легко снова объединить и получить тоже первоначальное целое. Причём разделить непрерывное можно в произвольном месте. Ещё больше идея непрерывного проявляется в предметах, которые связывают что-то с чем-то. Например, верёвка, нить, ткань. Потяни за один конец — второй почувствует обязательно.

Если отдельные предметы, как целое, породили идею целого числа, то формализация представления о непрерывном веществе породила идею геометрии . Элементами геометрии стали фигуры, имеющие объём (трёхмерные; каменная плита), поверхности (двумерные, в частном случае плоские; полотно, лист бумаги), линии (имеющие только одно измерение; нити) и точки (вовсе не имеющие измерений). Понятие о точке сформировалось как развитие представления о предмете, все размеры которого исчезающе малы. Понятия о линии и поверхности сформировались тем же путем, только исчезающе малыми становятся два или даже один размер, соответственно. Операции в геометрии тоже имеются. В чём-то идентичные операциям с числами, в чём-то отличающиеся. Дальнейшее развитие геометрии, её срастание с теорией множеств привело к тому, что порядок в последовательности формирования этих понятий изменился на прямо противоположный. В основе всех понятий геометрии, по необходимости, оказалось понятие точки и поэтому обычное представление о ней как о предмете с исчезающе малыми размерами оказалось мало удовлетворительным. Нельзя вводить понятие с помощью других понятий, которые на этом же понятии и будут базироваться. Ниже я остановлюсь на этом подробнее.

Довольно долго особой разницы между этими двумя идеями, числом и геометрией непрерывного не замечалось. Число как таковое естественным образом вошло в геометрические понятия . Представление об измерении, сравнении, например, длин двух линий, было одним из исходных пунктов при формировании идеи геометрии. Ведь одним из свойств непрерывного как раз и является возможность разделить его на части (в том числе, равные) и, следовательно, говорить о числе этих частей. Да и само объединение предметов в множества по какому-либо признаку уже несёт в себе одну из базовых черт измерения. Речь идёт о выборе единицы измерения. Описывается признак, по которому формируется множество. Например, камень. Это и есть определение единицы измерения в этом простейшем случае. Например, один камень. Подсчёт далее ведётся не абы чего, а именно камней. С другой стороны, предметы, которые мы считаем, даже когда они кажутся весьма далёкими от геометрии, тоже можно ведь иногда делить на части. Эта операция деления расширяет понятие натурального числа, вводит в рассмотрение дробные (рациональные) числа . То, что с помощью рационального числа можно записать результат измерения любого непрерывного отрезка представлялось очевидным до открытия Пифагором несоизмеримых отрезков в одной из простейших геометрических фигур – прямоугольном треугольнике, катеты которого равны единицам. По легенде, Пифагор принёс по этому поводу в жертву богам сто быков. Это было действительно серьезнейшее открытие. Пропасть между двумя идеями, идеей дискретного и идеей непрерывного заявила о себе в полный голос.

Что же это за пропасть? Имя ей бесконечность . Представление о бесконечности появляется уже при формировании идеи натурального числа. Любое последующее число в ряду натуральных чисел можно получить добавлением единицы к предыдущему. Причём делать это можно бесконечное число раз. Предела, по достижении которого придётся остановиться, нет. Эта бесконечность получила название потенциальной , именно в смысле потенциальной возможности беспредельного увеличения количества натуральных чисел. Поскольку непрерывность, например линию, тоже можно представить продолжающейся беспредельно, то такая бесконечность оказывается естественным образом присуща и идее непрерывного. На линии можно расставить через равные промежутки метки и приписать каждой целое число. Таким образом множество целых чисел естественным образом оказывается погружённым в непрерывность линии . Каждый такой отрезок, единицу измерения, можно снова и снова продолжать делить и так возникают рациональные числа. И создаётся впечатление, что таким образом можно пометить каждую точку непрерывной линии. Но впечатление это совершенно обманчиво. Потому что между любыми рациональными числами , как бы близки они не казались на непрерывной линии, всегда имеется бесконечно много не помеченных точек . И эта бесконечность другая, актуальная . Чтобы пронумеровать и эти точки непрерывной линии и были придуманы новые числа, отличные от рациональных — иррациональные. Их бесконечно много на любом, сколь угодно малом отрезке линии. Именно эта бесконечность и разделяет дискретное множество рациональных чисел и непрерывное множество точек линии, называемое также множеством действительных чисел. Это просто констатация факта различия дискретного и непрерывного, невозможности получить из первого последнее . Это две разные идеи . Для работы с этой актуальной бесконечностью с помощью более понятной и привычной потенциальной бесконечности были выработаны различные методы, в первую очередь, понятие предела. Но надо хорошо понимать, что эти методы не в состоянии убрать эту пропасть, принципиальное различие между двумя идеями.

С другой стороны, некоторое родство между двумя этими идеями имеется и оно довольно прозрачно. Речь идёт о соотношении вложенности. Дискретное очевидным образом является подмножеством непрерывного, вся его бесконечность содержится в непрерывности, вложена в неё. И непрерывное при этом является внешним организующим для дискретного в плане установления и сохранения в дискретном одного и того же порядка. По сути дела, соотношение здесь такое же, как между целостностью и её произвольными частями. Именно это соотношение и проявилось в конечном итоге в физике. Проявилось оно как наличие в физике двух описаний мира, двух , которые дополняют друг друга, и ни одно из которых не может претендовать на полное и исключительное описание реального мира. Речь идёт о классическом (условно говоря, непрерывном в своей основе) и квантовом описаниях мира. Первое базируется на представлении о мире, о вселенной как об едином, целостном объекте. Второе появилось позже, как результат осознания, что даже и при целостности мира, любые наши знания о нём являются знаниями только о его выделенных специфических частях, которые обычно называют событиями .

Здесь будет полезно вернуться к обсуждению понятия точки и иерархии понятий, связаных с идеей непрерывностей (целостностей) с возрастающим числом измерений. В своём развитии и поисках своего обоснования оказалось понятие множества, множества произвольных элементов, единственным свойством которых является свойство их существования. Вне связи с понятием времени! Просто понятие “имеется”, где бы то ни было и когда бы то ни было. И это понятие формализуется под названием “элемент” или “точка”. Понятие времени как раз формируется уже на его основе, добавлением новых свойств в множество таких элементов, организацией упорядоченности в нём. Время рассматривается как последовательность таких элементов (точек), в которой установлены попарные связи “раньше – позже”. Причинно-следственные связи. Именно наличие причинно-следственных связей между отдельными событиями заставляет нас объединять все эти события в целостность. Т.е. в непрерывность, континуум. В единую Вселенную .

При таком подходе множество событий необходимо отождествляется с дискретным множеством точек, вложенных в непрерывность, обеспечивающую нерушимость имеющихся между ними связей. Таким образом, представление о точке, с которого начинается также и геометрия, получает вполне ясный образ, ничем не связанный с понятиями размеров (их отсутствия). Понятие “точка” ассоциируется с понятием “событие”. Не требуется никаких иных дополнительных пояснений. То, что большинство событий, которыми мы оперируем при описании мира являются сложными, делимыми на другие события, не играет никакой роли. Естественным образом наши описания мира выстраиваются в череду приближений. В каждом таком приближении события, рассматриваемые как далее неделимые, ассоциируются с математическим понятием, чистой идеей, “точка” . Эти точки, и другие элементы континуума (тоже точки), призванные фиксировать связи между событиями, все вместе становятся образом мира на этом уровне, пространством-временем. Другой выбор “неделимых” событий — другой образ, другое пространство-время, приближённо описывающее мир.

Когда эксперимент дал нам понять, что мы столкнулись с событиями, которые дальше делить не получается, с элементарными событиями, нам пришлось осознать, что такой набор событий можно (и нужно!) описывать не единственным объединяющим их континуумом, а всем бесконечным множеством совместимых с данным набором событий непрерывностей. Так в физику и пришла квантовая механика.

Хочу подчеркнуть, что вопросы типа: “А каков же реальный мир на самом деле, какой из возможных континуумов?”, “Действительно этот континуум один, или мир это все континуумы?” и т.д. особого смысла не имеют. Мир, Вселенная, как совокупность элементарных событий имеется в единственном экземпляре. Всех событий! В нашем прошлом, настоящем и будущем. Никаких мультиверсумов. Наличие причинно-следственных связей между событиями требует от нас считать их вложенными в непрерывность. А то, что описание наше этой непрерывности возможно только бесконечным числом способов это уже свойство не мира как такового, а ограниченности наших возможностей, как частей этого мира.

© Гаврюсев В.Г.
Опубликованные на сайте материалы можно использовать при соблюдении правил цитирования .

«На научных семинарах, проходивших в Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, не раз обсуждались вопросы о дискретной формулировке законов природы.

В самом деле, обратим внимание на непоследовательность и парадоксальность нашего нынешнего описания физической реальности. На микроуровне мир дискретен. Но законы природы в современной физике сформулированы на языке дифференциальных уравнений, оперирующих с гладкими и непрерывными функциями. Но поскольку в большинстве интересных и важных случаев мы без компьютера решать их не умеем, то возникает проблема «обратного перевода» - от непрерывных уравнений к тем дискретным сущностям, с которыми оперирует компьютер. Этот «перевод» сам по себе сложен и неоднозначен. Он породил многие направления современной математики, некоторые из которых особенно близки сердцу Р. Пенроуза .

И, естественно, возникает соблазн обойтись без перевода, формулируя законы природы не на «непрерывном», а на «дискретном» языке. Работы в этом направлении активно ведутся (здесь и машины клеточных автоматов, и теория самоорганизованной критичности, и другие подходы, дающие дискретную картину реальности). Тем не менее, появление хотя бы одной «полезной» в смысле Пенроуза теории, сформулированной на дискретном языке могло бы в сущности повлиять на всё естествознание».

Малинецкий Г.Г., Синергетика, нелинейность и концепция Роджера Пенроуза – Введение в книгу: Роджер Пенроуз, Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики, «Едиториал УРСС», 2005 г., с.19.

Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] Турчин Валентин Фёдорович

1.4. Дискретные и непрерывные системы

Состояние системы определяется через совокупность состояний всех ее подсистем, т. е. в конечном счете элементарных подсистем. Элементарные подсистемы бывают двух типов: с конечным и бесконечным числом возможных состояний. Подсистемы первого типа называют также подсистемами с дискретными состояниями, второго типа - с непрерывными состояниями. Примером подсистемы с дискретными состояниями может служить колесико арифмометра или счетчика в такси. Нормально это колесико находится в одном из десяти положений, соответствующих десяти цифрам от 0 до 9. Время от времени оно поворачивается и переходит из одного состояния в другое. Этот процесс поворота нас мало интересует. Правильная работа системы (арифмометра, счетчика) зависит только от того, как связаны между собой «нормальные» положения колесиков, а как происходит переход из одного положения (состояния) в другое - несущественно. Поэтому мы и можем рассматривать арифмометр как систему, элементарные подсистемы которой могут находиться только в дискретных состояниях. Современная быстродействующая цифровая вычислительная машина также состоит из подсистем (триггерных схем) с дискретными состояниями. Все, что мы знаем в настоящее время о нервной системе животных и человека, указывает на то, что решающую роль в ее работе играет взаимодействие подсистем (нейронов) с дискретными состояниями.

С другой стороны, человек, катящийся на велосипеде, или аналогичная вычислительная машина дают нам примеры систем, которые описываются как состоящие из подсистем с непрерывными состояниями. В случае велосипедиста таковыми являются все движущиеся друг относительно друга части велосипеда и человеческого тела: колеса, педали, руль, ноги, руки и т. д. Их состояния - это их положения в пространстве, описывающиеся координатами (числами), которые могут принимать непрерывные множества значений.

Если система состоит исключительно из подсистем с дискретными состояниями, то и сама она может находиться лишь в конечном числе состояний, т. е. является системой с дискретными состояниями. Такие системы мы будем называть просто дискретными системами, а системы с непрерывным множеством состояний - непрерывными . Дискретные системы во многих отношениях проще для анализа, чем непрерывные. В частности, пересчет числа возможных состояний системы, который играет важную роль в кибернетике, требует в дискретном случае лишь знания элементарной арифметики. Пусть дискретная система A состоит из двух подсистем a 1 и a 2 , причем подсистема a 1 может иметь n 2 , а подсистема a 2 - n 2 возможных состояний. Допуская, что каждое состояние системы a 1 может сочетаться с каждым состоянием системы a 2 , мы находим, что число N возможных состояний системы A есть n 1 n 2 . Если система A состоит из m подсистем a i , где i = 1, 2, ..., m , то

N = n 1 n 2 ...n m .

В дальнейшем мы будем рассматривать только дискретные системы. Кроме того прагматического соображения, что они принципиально проще, чем непрерывные системы, существует еще два довода в пользу целесообразности такого ограничения.

Во-первых, все непрерывные системы можно, в принципе, рассматривать как дискретные системы с чрезвычайно большим числом состояний. В свете тех знаний, которые дала нам квантовая физика, такой подход даже следует рассматривать как теоретически более правильный. Причина, по которой непрерывные системы все же не исчезают из кибернетики, - это наличие весьма совершенного аппарата - математического анализа и, в первую очередь, дифференциальных уравнений для рассмотрения таких систем.

Во-вторых, самые сложные кибернетические системы, как возникшие естественным путем, так и созданные руками человека, неизменно оказываются дискретными. Особенно наглядно это видно на примере животных. Относительно простые биохимические механизмы, регулирующие температуру тела, содержание в крови различных веществ и т.п., являются непрерывными, но нервная система устроена по дискретному принципу.

Из книги Пилотируемые полеты на Луну автора Шунейко Иван Иванович

ЭВМ системы связи В части секундных интервалов процесса связи с Центром пилотируемых полетов NASA ведется «разговор» с одним или двумя космическими кораблями одновременно. Скоростные ЭВМ на базах связи передают команды или принимают данные о давлении в кабине, команды

Из книги ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ. Общие требования к разработке и документированию автора Госстандарт России

5.4 Проектирование системы Разработчик должен принимать участие в проектировании системы. Если систему разрабатывают для нескольких различных построений, то ее проект не может быть полностью определен до завершения всех построений. Разработчик должен идентифицировать

Из книги Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок в вопросах и ответах. Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний автора

9.3. Системы отопления Технические требования Вопрос 336. Какие устройства должны иметь отопительные приборы?Ответ. Должны иметь устройства для регулирования теплоотдачи. В жилых и общественных зданиях отопительные приборы, как правило, оборудуются автоматическими

Из книги Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах [Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний] автора Красник Валентин Викторович

Системы возбуждения Вопрос. Что называется системой возбуждения?Ответ. Называется совокупность оборудования, аппаратов и устройств, объединенных соответствующими цепями, которая обеспечивает необходимое возбуждение автоматически регулируемым постоянным током

Из книги Работы по металлу автора Коршевер Наталья Гавриловна

Трубопроводные системы Кран на кухне вышел из строя, лопнула труба центрального отопления, на дачном участке возникла необходимость проложить водопроводную систему орошения… Ремонт и замена элементов различных действующих трубопроводных систем, а тем более

Из книги Создаем робота-андроида своими руками автора Ловин Джон

Подструктура системы Мы будем конструировать нашего робота на основе модели радиоуправляемого автомобиля. В идеальном случае модель должна иметь систему пропорционального управления ходом и поворотами автомобиля. В нашем прототипе используется именно такая модель

Из книги Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] автора Турчин Валентин Фёдорович

Из книги Сертификация сложных технических систем автора Смирнов Владимир

7.8. Две системы Мы имеем перед собой две кибернетические системы. Первая система - человеческий мозг. Ее функционирование - индивидуальное человеческое мышление. Ее задача - координация действий отдельных частей организма в целях сохранения его существования. Эта

Из книги Мир Авиации 1993 04 автора Автор неизвестен

4.3.2. Системы сертификации В соответствии с действующими положениями в промышленности и в Авиарегистре (последние обязательны для промышленности и гражданской авиации) система сертификации предусматривает постоянный (непрерывный) и поэтапный контроль соответствия

Из книги Мир Авиации 1994 02 автора Автор неизвестен

Рабы системы Максимилиан САУККЕМоскваПамяти заключенных спецтюрьмы ЦКБ-29 НКВДЖурнальный вариант главы из рукописи "Неизвестный Туполев"Шла вторая половина 1937 г. Главный инженер ГУАП и руководитель ведущего ОКБ по самолетостроению Андрей Николаевич Туполев был полон

Из книги История электротехники автора Коллектив авторов

Рабы Системы Продолжение. Начало см. «Мир Авиации» № 4,1993 г., № 1, 1994 г.Памяти заключенных спецтюрьмы ЦКБ-29 НКВДМаксимилиан САУККЕ МоскваВетер перемен 1985 г. позволил слегка приоткрыть завесу секретности над истиной. Центральный архив КГБ разрешил знакомиться с делами

Из книги Материаловедение. Шпаргалка автора Буслаева Елена Михайловна

8.2.1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Электроэнергетические системы (ЭЭС) современных гражданских судов и военных кораблей являются сложными комплексными системами, в которых нашли применение новейшие достижения практически во всех областях науки и техники

Из книги автора

8.3.1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ Низковольтная магнитоэлектрическая машина, названная впоследствии «магнето низкого напряжения», была впервые применена для зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в 1875 г. От магнето осуществлялось зажигание на отрыв - внутри цилиндра ДВС

Из книги автора

8.3.2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Тип системы электроснабжения в значительной мере зависит от наличия на подвижном объекте аккумуляторной батареи, т.е. в конечном итоге от наличия электростартерного пуска.Если электропуск отсутствует, то используется система

Из книги автора

8.3.3. СИСТЕМЫ ПУСКА В систему пуска традиционно включают аккумуляторную батарею, электростартер, аппаратуру управления пуском и устройства, облегчающие пуск ДВС.Применение аккумуляторной батареи на автомобиле в широких масштабах началось после 1911 г. с введением

Из книги автора

22. Система с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях; системы эвтектического, перитектического и монотектического типа. Системы с полиморфизмом компонентов и эвтектоидным превращением Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна

Выделение – достаточно простое понятие, однако стоит обсудить два его основных варианта. Поскольку обычно, говоря о выделении, под" разумевают выделение объектов, эти варианты возникают на основе двух обширных категорий выделяемых данных.

В некоторых случаях данные представлены в виде отдельных визуаль" ных объектов, каждым из которых можно манипулировать независи" мо от остальных. Пиктограммы на рабочем столе и векторные объекты в графических приложениях представляют собой как раз такие дан" ные. Выделяются эти объекты обычно независимо от того, как они со" относятся друг с другом в пространстве. Они представляют собой дис- кретные данные , и их выделение также дискретно . Дискретные дан" ные не обязательно однородны, и дискретное выделение не обязатель" но является непрерывным.

С другой стороны, некоторые приложения представляют свои данные в виде матрицы, состоящей из большого количества непрерывных фрагментов данных. Текст в текстовом редакторе или ячейки элек" тронной таблицы состоят из сотен и тысяч схожих небольших объек" тов, образующих единое целое. Эти объекты часто выделяются смеж" ными группами, и мы называем их непрерывными данными , а соот" ветствующее выделение – непрерывным .

Как непрерывное, так и дискретное выделение поддерживают выделе" ние в один щелчок и выделение перетаскиванием. При одиночном щелчке обычно выделяется минимально возможный дискретный эле" мент, а щелчок с перетаскиванием позволяет выделить большее коли" чество элементов, однако есть и другие существенные различия.

Смежные (непрерывные) элементы данных, из которых состоит текст в документе текстового редактора, обладают естественным порядком. Нарушение порядка следования букв уничтожает смысл документа. Символы следуют один за другим, образуя осмысленный континуум, и выделение слова или абзаца имеет смысл в контексте данных, тогда

как случайное, несвязное выделение в общем случае лишено смысла. Хотя теоретически возможно разрешить дискретное выделение, на" пример выделение нескольких абзацев, разбросанных по тексту, их визуализация и необходимость защититься от непреднамеренных не" желательных операций над ними породят проблем больше, чем прине" сут пользы.

С другой стороны, у дискретных данных нет присущего им порядка. И хотя дискретные объекты можно упорядочить многими различны" ми осмысленными способами (скажем, файлы можно отсортировать по дате их изменения), отсутствие сквозного внутреннего связующего признака означает, что пользователи, вероятно, захотят выполнять дискретное выделение (например, удерживая клавишу , вразно" бой выбирать файлы из списка). Разумеется, пользователям может по" надобиться и непрерывное выделение по тому или иному организую" щему признаку (например, выбор старых файлов из конца списка, упорядоченного по времени). Полезность обоих подходов особенно оче" видна в приложениях для работы с векторной графикой (Illustrator или PowerPoint). В одних случаях пользователю требуется выполнить непрерывное выделение объектов, расположенных рядом, в других нужно выделить лишь один объект.

Взаимное исключение

Обычно при выделении предыдущее выделение снимается. Такое по" ведение называется взаимным исключением , поскольку одно выделе" ние исключает другое. Как правило, пользователь щелкает по объек" ту, тот становится выделенным и остается таковым, пока пользова" тель не выделит что"нибудь еще. Взаимное исключение – правило как для дискретного, так и для непрерывного выделения.

Некоторые приложения позволяют снять выделение с объекта повтор" ным щелчком по нему. Это может привести к курьезной ситуации, ко" гда ничего не выделено и при этом отсутствует точка ввода. Вы сами должны решить, приемлема ли подобная ситуация в вашем продукте.

Кумулятивное выделение

Взаимное исключение часто уместно в операциях непрерывного выде" ления, потому что в противном случае пользователь рискует не уви" деть результат своих действий, если выделение окажется прокручено за пределы экрана. Представьте себе, что можно выделить несколько независимых абзацев текста в разных местах большого документа. Та" кая возможность может быть полезной, но окажется практически не" контролируемой: пользователям будет легко попасть в ситуацию, ко" гда они изменяют данные непреднамеренно, поскольку не видят всего набора данных, участвующих в операции. Проблему создает прокрут" ка, а не непрерывное выделение, однако большинство программ, обра" батывающих недискретные данные, позволяет их прокручивать.

А вот в дискретном выделении от взаимного исключения можно отка" заться. Пользователь может выделить несколько независимых объек" тов, последовательно щелкая по ним. Это называется кумулятивным выделением . Например, список позволяет пользователю выделить столько элементов, сколько потребуется. Чтобы снять выделение с объ" екта, следует щелкнуть по нему еще раз. После того как все нужные объекты выделены, по завершающему глаголу выполняется действие над ними.

В большинстве систем с дискретным выделением по умолчанию реали" зовано взаимное исключение, а кумулятивное выделение можно вы" полнить только с помощью служебной клавиши. В Windows для не" прерывного выделения применяется в основном клавиша , тогда как применяется для дискретного выделения. Например, в гра" фических редакторах, щелкнув по объекту и выделив его, можно доба" вить к выделению еще один объект. Для этого необходимо щелкнуть по нему, удерживая нажатой клавишу .

Интерфейсы, поддерживающие непрерывное выделение, в общем слу" чае не должны допускать кумулятивное выделение (либо обязаны пре" доставлять средство обзора, делающее кумулятивное выделение управляемым), однако должны позволять расширять существующее выделение. Для этих целей, опять же, применяются служебные кла" виши. В редакторе Word можно выделить фрагмент текста, если уста" новить курсор в начальную точку, а затем, удерживая клавишу , щелкнуть в конечной точке.

В некоторых списках, а также в Проводнике системы Windows (в обо" их примерах данные дискретны) кумулятивное выделение выглядит несколько странно. Для выполнения «нормального» дискретного вы" деления задействуется клавиша , но затем для расширения выде" ления используется , словно это не дискретные, а непрерывные данные. В большинстве случаев такой выбор сбивает пользователя с толку, поскольку конфликтует с общепринятой идиомой дискретно" го кумулятивного выделения.

Групповое выделение

Операция щелчок"перетаскивание также является основой для груп" пового выделения. В случае непрерывных данных она приводит к рас" ширению выделения от точки, где пользователь нажал кнопку мыши, до точки, где он ее отпустил. Эта операция тоже может быть модифи" цирована служебными клавишами. Например, в редакторе Word щел" чок при нажатой клавише выделяет целое предложение, так что перетаскивание при нажатой клавише расширяет выделение предложениями. Монопольные приложения должны обогащать взаи" модействие такими вариантами выделения, когда это уместно. Опыт" ные пользователи в конце концов запоминают и применяют такие приемы, если они достаточно просты в исполнении.

В случае набора дискретных объектов щелчок и перетаскивание обыч" но означают перемещение объекта. Однако если щелкнуть в области между объектами, а не по какому"то конкретному объекту, такой щел" чок будет иметь специальный смысл – он создаст рамку выделения , изображенную на рис. 19.5.

Рис. 19.5. Если в момент нажатия на кнопку мыши указатель мыши не был расположен на конкретном объекте, щелчок и перетаскивание обычно порождают рамку выделения: все захваченные этой рамкой объекты выделяются, когда пользователь отпускает кнопку мыши.

Эта идиома знакома пользователям всех графических и многих текстовых редакторов. Пример на этом рисунке взят из Проводника. Рамка была протянута из левого верхнего угла вправо вниз

Рамка выделения динамически изменяет свой размер; ее верхний ле" вый угол находится в точке, где пользователь нажал на кнопку мыши, а правый нижний – в точке, где он отпустил кнопку. Когда пользова" тель отпускает кнопку мыши, все объекты, захваченные рамкой, вы" деляются как единая группа.

Вставка и замещение

Как мы установили, выделение показывает, какими объектами будет оперировать выполняемая далее функция. Если выполнение этой функции приводит к созданию или вставке новых объектов или данных (посредством клавиатурных сокращений или команды Вставить), эти но" вые объекты или данные каким"то образом добавляются к выделен" ным. При дискретном выделении, когда выделен один или несколько объектов, поступающие данные передаются выделенным объектам, ко" торые обрабатывают их соответствующим образом. Это может привести к замещению , при котором новые данные заменяют собой выделенный объект. В других случаях выделенный объект может воспринимать по" ступающие данные как входную информацию для некоторой заданной функции. Например, в PowerPoint, если выделена фигура, ввод с кла" виатуры означает создание текстовой аннотации к этой фигуре.

В то же время в непрерывном выделении поступающие данные всегда замещают выделенные. Когда вы набираете текст в редакторе или в поле ввода, вводимый текст заменяет выделенный. Непрерывное вы" деление обладает уникальной особенностью: оно может просто указы"

вать на место между двумя элементами непрерывных данных, а не на какой"то конкретный элемент. Это место называется точкой вставки .

В текстовом редакторе знак вставки (как правило, вертикальный ми" гающий отрезок, обозначающий, куда будет введен следующий сим" вол) отмечает позицию между двумя символами в тексте, но не выде" ляет ни один из них. Поместив курсор мыши в другую точку текста и щелкнув, можно перенести знак вставки в эту точку, но если перета" щить указатель мыши, расширяя выделение, то знак вставки исчез" нет и заменится непрерывным выделением текста.

В электронных таблицах также применяется непрерывное выделение, но реализовано оно немного иначе, чем в текстовых редакторах. Выде" ление является непрерывным, поскольку ячейки таблицы образуют матрицу данных, однако понятие места между двумя ячейками отсутст" вует. Один щелчок выделяет одну ячейку целиком. В настоящее время понятие точки вставки для электронной таблицы отсутствует, однако открывающиеся здесь для проектировщика интерфейса возможности весьма интересны (например, выделив горизонтальную линию между ячейками, пользователь мог бы начать ввод с клавиатуры, что приводи" ло бы к созданию новой строки и заполнению ячейки за одну операцию).

Вполне возможна комбинация этих двух идиом. Так, сортировщик слайдов1 в PowerPoint позволяет выделять как точку вставки, так и от" дельный слайд. Щелчок по слайду выделяет его, а щелчок между слай" дами приводит к появлению между ними мигающего знака вставки.

Если программа поддерживает точку вставки, объекты должны выде" ляться щелчком с перетаскиванием. Чтобы выделить хотя бы один символ в текстовом редакторе, пользователь должен протащить указа" тель мыши по этому символу. В результате пользователь выполняет много щелчков и операций перетаскивания в процессе нормальной ра" боты с программой. Побочный эффект этого – затрудняется передача любой идиомы перетаскивания. Это легко увидеть на примере редак" тора Word, где перетаскивание текста включает в себя первоначаль" ный щелчок и перетаскивание указателя мыши для выделения фраг" мента, перемещение указателя мыши внутрь выделенного фрагмента и последующий щелчок с перетаскиванием фрагмента на новое место. Чтобы выполнить аналогичную операцию в Excel, вам предстоит сна" чала найти специальную активную область (один"два пиксела шири" ной) на границе выделенной ячейки. Для перемещения дискретного выделения пользователь щелкает по объекту и перетаскивает его еди" ным движением. Чтобы облегчить бремя перетаскивания при выделе" нии, в текстовых редакторах часто предусмотрены альтернативные пути непосредственного манипулирования, например двойной щел" чок, выделяющий целое слово.

1 Представление документа, вызываемое в PowerPoint командой Сортировщик слайдов меню Вид.– Примеч. ред.