信息信息科学与信息技术

信息技术导论主讲教师:郑蔚2第一章信息、信息科学与信息技术2学时第二章计算与计算科学1.5学时第三章信息处理机器：计算机系统3学时第四章计算机软件系统3学时第五章信息媒体的表示及数字化1.5学时第六章数据的组织结构与算法3学时第七章数据库技术3学时第八章信息的传输——计算机通信与网络技术3学时第九章信息资源管理3学时第十章信息资源管理3学时第十一章信息系统安全与保护3学时《信息技术导论》共54学时，其中理论学时27，实验学时27，理论学时分配如下：课程学时分配纲要第1章

信息、信息科学与信息技术1.1探索信息的真谛1.2信息科学1.3信息技术1.4信息科学（技术）与相关学科的关系3一、教学目的1．了解信息的来源和发展历史；了解信息科学与信息技术的基本概念2．掌握信息的概念、数据、消息、信号与信息的区别。3．掌握信息技术的核心及支撑技术。二、教学重点及难点1．重点：数据、消息、信号与信息的区别；信息技术的核心及支撑技术。2．难点：信息的概念及度量。41.1探索信息的真谛什么是信息？就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知识、见闻、通知、报告、事实、数据等等。51.1探索信息的真谛

最早对信息进行科学定义的是哈特莱（RalphV.L.Hartley）。他在1928年发表的《信息传输》一文中，首先提出信息这一概念。他认为，信息就是他在通信符号表中选择符号的具体方式，并主张用所选择的自由度来度量信息。哈特莱首先提出消息是代码、符号而不是信息内容能够本身，使信息与消息区分开来。他的思想和研究结果，为信息论的创立奠定了基础。6香农（ClaudeElwoodShannon)1916年4月30日出生于美国密歇根州，2001年2月26日去世。美国数学家、信息论的创始人。信息就是不确定性的消除量。信息量即不确定性减少的程度。信息被看作是用以消除信宿(信息的接受者)对于信源(信息的发出者)发出消息的不确定性。香农还用概率统计的数学方法，来度量不确定性被消除的量的大小。1.1

探索信息的真谛71.1探索信息的真谛维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日去世。美国数学家，控制论的创始人。信息就是在人们在适应外部世界，并且使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称。8意大利学者朗格(G.Longe):信息是事物之间的差异，而不是事物本身。即信息是反映事物的形式、关系和差别的东西。包含在事物的差异之中。所谓信息量就是对事物差异度的量度。钟义信:信息是事物的运动状态和过程以及关于这种状态和过程的知识。1.1探索信息的真谛91.1探索信息的真谛

1.1.1什么是信息随着时间的推移，时代赋予了信息新的含义，信息是一个动态的概念。现代“信息”的概念，已经与半导体技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、信息产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息论等含义紧密地联系在一起。最典型的应用是广告。10香农的研究成成果标志着信信息论（InformationTheory）的诞生。香农提出的信信息论是关于于通讯技术的的理论，它是是以数学方法法研究通讯技技术中关于信信息的传输和和变换规律的的一门科学。。所以，人们们又将其称为为狭义信息论，或经典信息息论。信息论发展的的第二个阶段段是一般信息论。一般信息论论特别关心信信号被噪音干干扰时的处理理问题。信息论发展的的第三个阶段段是广义信息论。它以各种系统统、各门学科科中的信息为为对象，广泛泛地研究信息息的本质和特特点，以及信信息的获取、、计量、传输输、处理、控控制和利用的的一般规律。。从信息论到信信息科学11香农认为：信息是有秩序序的量度，是是人们对事物物了解的不确确定性的消除除或减少。信息是对组织织程度的一种种测度，信息息能使物质系系统有序性增增强，减少破破坏、混乱和和噪音。香农引入：“熵”表示一一个系统的无无组织程度。而一个系统中中的信息量是是它的组织化化程度的度量量，这说明信息与熵恰好好是一个相反反的量，信息息是负熵，所以信息量的的公式中有负负号，它表示示系统获得信信息后无序状状态的减少或或消除。香农对信息的的定义12由于信息源发发出的消息是是随机的，可可以用随机变变量来表示。。如果用符号号表示信息息源发出的信信息，假设事事件的基本空空间Ω包含m个元素，即Ω={x1,x2,…,xm},且每一个等可可能值的概率率为：P（X=xi）=pi=1,2,……,m那么定义一个个随机事件所所含的信息息量称为x的自信息量，，即：（公式1-1）信息的度量13只能表示信息息源发出的某某一特定消息息x的自信息量，，而对于不同同的消息则有有不同的自信信息量，所以以不不足足以作为整个个信息源的总总体信息测度度，那么可以以定义平均信信息量来作为为信息总体的的测度，即信信息熵。设X为一离散随机机变量，在集集合中中取值，其其概率分布为为：信息的度量14信息熵：是从整个信息息源的统计特特性来考虑的的，它从平均均的意义上来来表示信息源源的总体信息息测度，它表表示信息源X在没有发出消消息以前，信信宿对信息源源X存在着平均不不确定性。香香农的信息度度量公式排除除了对信息主主观上的含意意。根据上述述公式，同样样一个消息对对任何一个收收信者来说，，所得到的信信息量都是一一样的。信息的度量15以上就是香农农关于信息的的度量。通常常也称为概率率信息。它是是一个科学的的定义，有明明确的数学模模型和定量计计算。在公式式中，对数的的底数从理论论上而言可以以取任何数。。当底数为2时，信息的计计量单位为比比特（bit），即二进制制单位。信息的的度量量16首先，，香农农对信信息的的定义义的出出发点点是假假定事事物状状态可可以用用一个个以经经典集集合论论为基基础的的概率率模型型来描描述。。然而而实际际存在在的某某些事事物运运动状状态要要寻找一一个合合适的的概率率模型型往往往是非非常困困难的的。其次，，这个个定义义和度度量考考虑收收信者者的主主观特特性和和主观观意义义，也也撇开开了信信息的的具体体含义义、具具体用用途、、重要要程度度和引引起后后果等等因素素。香农信信息论论的局局限性性17以上问问题的的出现现，主主要是是由于于狭义义信息息论没没有解解决信信息的的语义义问题题和有有效性性问题题。语语义信信息是是指当当认知知主体体在获获得信信息时时，不不仅要要知道道“是是什么么形式式”，，而且且还要要理解解“是是什么么意思思”。。也就就是说说，信信息的的具体体含义义是什什么。。香农农定义义并没没有解解决语语义信信息的的度量量问题题。这这样，，它的的适用用范围围就受受到严严重的的限制制。香农信信息论论的局局限性性181.数据数据是是对客客观实实体的的一种种描述述形式式，是是信息息的载载体。。数据（（原材材料木木头））与信信息（（加工工以形形成的的结构构）的的关系系数据是是未加加工的的信息息，信信息是是数据据的内内容或或诠释释。将数据据加工工为信信息的的过程程即信信息加加工或或处理理。数据、、消息息、信信号与与信息息的区区别192.消息在通信信过程程中，，信息息总是是经过过编码码(符号化化)成为消消息以以后，，才能能经由由媒介介传播播的，，而信息息的接接收者者收到到信息息后，，总是是要经经过译译码(解读)才获取取其中中的信信息。。信息是是包含含在消消息中中的抽抽象量量，消消息是是具体体的，，其中中蕴涵涵着信信息。。数据、、消息息、信信号与与信息息的区区别203.信号号消息息须变变换换成成适适合合信信道道传传输输的的物物理理量量，，这这种种物物理理量量即即信号号。。信号号携携带带消消息息，，是是消消息息的的运运载载工工具具。。信号号是是数数据据的的电电磁磁或或光光脉脉冲冲编编码码。。信号号可可以以分分为为模模拟拟信信号号和和数数字字信信号号。。模拟拟信信号号是是一一种种随随时时间间而而连连续续变变化化的的信信号号。。数字字信信号号则则是是在在时时间间上上的的一一种种离离散散信信号号。。数据据、、消消息息、、信信号号与与信信息息的的区区别别211.2信息科学学科学的定定义达尔文对对科学的的定义：：“就是整整理事实实，从中中发现规规律，做做出结论论。”规律则是指客客观科学事物之间间内在的的本质的的必然联联系。一般地说说：是人人类认识识客观世世界的知知识，但但并不是是任何关关于客观观世界的的知识都都是科学学。科学学包括自自然科学学、社会会科学。。22科学：是指探知知事物的的本质、、特征、、内在规规律以及及与其他他事物的的联系。。是关关于自然然、社会会和思维维的发展展与变化化规律的的知识体体系。技术：则是运用用科学规规律解决决实现某某一目的的的手段段和方法法。泛指指根据生生产实践践经验和和科学原原理而发发展形成成的各种种工艺操操作方法法、技能能和技巧巧。工程：是指将科科学原理理应用到到工农业业等生产产部门中中去而形形成的各各门学科科的总称称。科学、技技术与工工程的界界定23信息和控控制是信信息科学学的基础础和核心心。关于什什么是是信息息科学学（Informationscience），有有着不不同的的定义义：定义1：信息科科学是是研究究信息息的产产生、、获取取、变变换、、传输输、存存储、、处理理、显显示、、识别别和利利用的的科学学，是是一门门结合合了数数学、、物理理、天天文、、生物物和人人文等等基础础学科科的新新兴与与综合合性学学科””。定义2：以信息息为主主要研研究对对象，，以信信息的的运动规规律和应用方方法为主要要研究究内容容，以以计算机机等技技术为主要要研究究工具具，以以扩展展人类类的信信息功功能为为主要要目标标的一一门新新兴的的综合合性学学科。。信息科科学24可将信信息科科学研研究的的基本本内容容归纳纳为五五个方方面：：(1)探讨信信息的的基本本概念念和本本质。。（物质质或精精神范范畴的的问题题）(2)研究信信息的的数值值度量量方法法。（信息息的度度量方方法））(3)阐明信信息感感知、、识别别、变变换、、传递递、存存储、、检索索、处处理、、再生生、表表示、、施效效(控制)等过程程的一一般规规律。。（信息息的运运动规规律））(4)揭示利利用信信息来来描述述系统统和优优化系系统的的方法法和原原理（控制制论：：包括括信息息仿生生学和和人工工智能能）(5)寻求通通过加加工信信息来来生成成智能能的机机制和和途径径。（系统统论：：包括括运筹筹学、、系统统工程程、耗耗散结结构和和协同同学））信息科科学的的研究究内容容与体体系25从信息息科学学的研研究内内容来来划分分，我我们可可以将将信息息科学学的基基本科科学体体系分分为三三个层层次（（图1-6）：信息科科学的的哲学学层次次，其其中包包括信信息的的哲学学本质质、智智能的的哲学学本质质、信信息与与反映映的关关系、、信息息与认认识的的关系系、人人工智智能与与人类类智能能的关关系等等等。。信息科科学的的基础础理论论层次次，它它的主主要任任务是是研究究信息息的一一般理理论。。信息科科学的的技术术应用用层次次，主主要研研究如如何应应用信信息科科学理理论在在技术术上拓拓展人人类的的信息息功能能（特特别是是其中中的智智力功功能））的问问题。。信息科科学的的研究究内容容与体体系26图1-6信息科科学体体系的的三个个层次次这样，，信息哲哲学、、基础础理论论和技技术应应用三三者就就构成成了—个和谐谐的学学科体体系。。27信息科科学的的研究究内容容与体体系1.3信息技技术信息技技术的的定义义人们对对信息息技术术的定定义，，因其其使用用的目目的、、范围围、层层次不不同而而有不不同的的表述述：定义1：信息技技术是是指有有关信信息的的收集集、识识别、、提取取、变变换、、存贮贮、传传递、、处理理、检检索、、检测测、分分析和和利用用等的的技术术。定义2：现代信信息技技术““以计计算机机技术术、微微电子子技术术和通通信技技术为为特征征”。。28定义3：信息技技术是是指在在计算算机和和通信信技术术支持持下用用以获获取、、加工工、存存储、、变换换、显显示和和传输输文字字、数数值、、图像像以及及声音音信息息，包包括提提供设设备和和提供供信息息服务务两大大方面面的方方法与与设备备的总总称。。定义4：信息技技术指指“应应用在在信息息加工工和处处理中中的科科学，，技术术与工工程的的训练练方法法和管管理技技巧；；上述述方法法和技技巧的的应用用；计计算机机及其其与人人、机机的相相互作作用，，与人人相应应的社社会、、经济济和文文化等等诸种种事物物。””信息技技术的的定义义29定义5：信息技技术包包括信信息传传递过过程中中的各各个方方面，，即信信息的的产生生、收收集、、交换换、存存储、、传输输、显显示、、识别别、提提取、、控制制、加加工和和利用用等技技术。。定义6：从技技术的的本质质意义义上讲讲，信信息技技术就就是能能够扩扩展人人的信信息器器官功功能的的一类类技术术。信息技技术的的定义义30人类的的信息息器官官与功功能人的信信息器器官主主要包包括以以下四四类：：（如如图1-7所示））感觉器器官：：包括视视觉器器官、、听觉觉器官官、嗅嗅觉器器官、、味觉觉器官官、触触觉器器官和和平衡衡感觉觉器官官等；；传导神神经网网络：：它又可可以分分为导导入神神经网网络利利导出出神经经网络络等；；思维器器官：：包括记记忆系系统、、联想想系统统、分分析推推理和和决策策系统统等；；效应器器官：：包括操操作器器官(手)、行走器官官(脚)和语言器官官(口)等。扩展人类的的信息器官官功能的信信息技术31扩展人类的的信息器官官功能的信信息技术322.信息技术的的“四基元元”根据上面给给出的信息息技术的定定义和相应应的分析，，我们可以以明确信息息技术的四四项基本内内容，这就就是“信息息技术四基基元”，即即：(1)感测技术——感觉器官(视、听、嗅嗅、味、触触、平衡)功能的延长长。(2)通信技术——传导神经网网络(导入、导出出)功能的延长长。(3)计算机和智智能技术——思维器官(记忆、联想想、分析、、推理、决决策)功能的延长长。(4)控制技术——效应器官(手、脚、口口)功能的延长长。扩展人类的的信息器官官功能的信信息技术33既然信息技技术是人的的信息器官官功能的延延长，信息息技术四基基元的关系系也应当视视作一个有有机的整体体，它们和和谐有机地地合作，共共同完成扩扩展人的智智力功能的的任务。图图1-8示出了它们们之间的这这种联系。。扩展人类的的信息器官官功能的信信息技术34于是，由上上面给出的的信息技术术的定义6还可以引出出两个比较较具体的定定义，即：：信息技术是是指能够完完成信息的的获取、传传递、加工工、再生和和施用等功功能的—类技术；信息技术是是指感测、、通信、计计算机和智智能以及控控制等技术术的整体。。35扩展人类的的信息器官官功能的信信息技术迄今为止，，人类社会会已经发生生过四次信信息技术革革命。第一次革命命是人类创造造了语言和文字，接着出现现了文献。第二次革命命是造纸和印刷术的出现。第三次革命命是电报、电电话、电视视及其他通讯技术的发明和应应用。第四次革命命是电子计算机机和现代通讯讯技术在信信息工作中中的应用。。信息技术的的发展36信息技术的的核心技术术就是它的的“四基元元”：计算算机与智能能技术、通通信技术、、感测技术术及控制技技术。1.计算机与智智能技术信息技术的的核心及支支撑技术372.通信技术现代通信技技术主要包包括数字通通信、卫星星通信、微微波通信、、光纤通信信等。图1-11卫星通信信息技术的的核心及支支撑技术383.传感技术是测量技术术、半导体体技术、计计算机技术术、信