第一章信息与计算机

1.1信息

“信息”是一个很难描述清楚的抽象概念。关于它的定义就有100多种，它们都从不同的侧面、层次揭示了信息的某些特征和性质。
《现代汉语大词典》中就将信息定义为：“通信系统传输和处理的对象，一般指事件或资料数据。其量取决于事件的不确定性，若接收端无法预估时间所含内容和意义，信息量就越大。通常以事件发生概率的对数测度来度量。”
《牛津字典》中则将信息解释为：“信息是谈论的事情、新闻和知识。”
可见作为中外的权威词典对于信息的定义也不能达到一个统一的意见。

1.1.1信息的定义

创立者	信息的定义
朗高、阿希贝	反映事物的形式、关系和差别的东西；信息的本性在于事物本身具有变异度
钟义信	本体论：事物运动的状态及其变化方式的自我表述认识论：认识主体所感知或所表述的事物运动的状态和方式
香农	用来消除不确定性的东西，或事物运动状态或存在方式的不确定性来描述
维纳	人们在适应外部世界并使这种适应反作用于外部的过程中，同外部世界进行互相交换的内容和名称

注：（1）香农对信息的定义是以假定事物状态可以用一个以经典集合论为基础的概率模型来描述为前提的

属加种差定义：被定义概念（种概念）=邻近的属概念+种差
这种定义就行是生物分类学的界门纲目科属种的概念。每个物种都像是许多信息堆砌出来的一个集合，每个物种的集合就是其上一层属的集合的扩充，以此类推，最上层的界便是许多物种共有的特点。
例如：人、鸡、鸭、牛等都是“动物”这个“概念”，但人区别于其他动物的特征便是“能制造生产工具”，这边是人的定义：人是能制造生产工具的动物。

一切客观存在都有信息。信息一般是指事物释放出来的消息、情报、指令、数据或信号，它是人们仍是客观世界的媒介。

“信息”是一个很难描述清楚的抽象概念。关于它的定义就有100多种，它们都从不同的侧面、层次揭示了信息的某些特征和性质。且随着时代的进步，科学的不断深入，信息可能会拥有更多从不同侧面、不同层次的定义。

1.1.2 信息的种类

信息的分类方法有很多：

分类方式	类别
人类活动领域	科技信息、经济信息、政治信息、文化信息等
信息有依附的载体	文献信息、口头信息、电子信息等
信息所起的作用	无用信息、有用信息、干扰信息
……	……

1.1.3 信息的度量

由于不确定性的大小能够度量，因此，信息是可以度量的。
这里需要提到信息论的基本假设：
1.信息是一组符号。
2.信息的产生和传输是可以用概率论和随机过程来描述的。
3.从概率角度看，同样的信息包含同样的信息量。

自信息量是指一个事件本身所包含的信息量，它是由事件的不确定性所决定的。
假设离散随机变量X~p(x i)，则xi的自信息量定义为
I(x)=- ∑ i = 1 n log ⁡ 2 x i \displaystyle\sum_{i=1}^{n} \log_2x_i i=1∑nlog2xi （比特，即bit，常用单位）

而著名的美国数学家、信息论的奠基人克劳德·艾尔伍德·香农在《通信的数学理论》中提出了“信息熵”的概念——信息中排除了多余重复信息之后的平均信息量。
我们再次假设离散随机变量X~p(x i)：
则其的信息熵是从平均意义上对信息不确定性的度量，也称为平均自信息量，定义为：
H(x)=- ∑ i = 1 n x i log ⁡ 2 x i \displaystyle\sum_{i=1}^{n} x_i\log_2x_i i=1∑nxilog2xi

注：在计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一个比特。

1.2 计算机信息处理

1.2.1 位模式的信息表示

1.文本的表示：文本格式的信息常用编码的方法来表示，文本中每一个不同的符号（如字母表中的字母或标点符号）被指定为一个唯一的位模式。常见的如ASCII编码、Unicode编码、和中文采用的GB 2312-1980编码。
2.数值的表示：则以二进制的形式存储数值。对于二进制而言，数组分为无符号数和有符号数。
无符号数则全部二进制都表示这个数值。有符号数则约定二进制数的最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。常分为，原码、反码和补码。而计算机则使用补码。
3.音频的表示：音频一般用一种模拟的连续波形表示。
4.图像的表示：常分为位图和矢量图。在位图中，一个图像被看作是点的集合，每个点叫做像素。矢量图是计算机图形学中用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示的图像，它是根据客观事物而形成的。
5.视频的表示：它由一系列帧组成，每个帧是通过电信号方式对一个静态图像进行捕捉、记录、处理、存储、传输与重现而成的。

1.2.2 计算机信息处理过程

类似于人们对信息的处理，计算机也是通过各种方式收集信息，再对信息进行存储和处理，最后再处理后的信息输出。

而信息处理就是对信息进行接收、存储、转化、传输和发布等。

同时，通过计算机程序，我们能轻松的求解复杂方程、随机生成迷宫地图、解决逻辑问题。这都大量减少了人们的时间。可以看出计算机已经不再是以前那种只为了“计算”的计算工具，而是发展成了以信息处理为主，集计算和信息处理为一体，与人们的工作、学习和生活密不可分的工具。大大解放了生产力，提高了生产效率。

1.3 图灵机

1936年，英国数学家图灵发表了《论可计算数及其在判定问题中的应用》一文，提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置——图灵机。

图灵构造出的假象机器由以下几个部分组成：

（1）一条无限长的纸带TAPE
纸带被划分为一个接一个的小格子，每格上包含一个来自有限字母表的符号。
（2）一个读写头HEAD
可以在纸带上左右移动，它能读出、改变当前格子中的符号。
（3）一个控制器
用于控制读写头的工作，它包含一套控制规则集合和一个状态寄存器。
控制规则集合：根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子中的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的。
状态寄存器：用来保存图灵机当前所处的状态。

参考文献：
《计算机导论》高等教育出版社华珠钟珞主编
https://baike.baidu.com/item/%E7%95%8C%E9%97%A8%E7%BA%B2%E7%9B%AE%E7%A7%91%E5%B1%9E%E7%A7%8D/8738165?fr=aladdin
https://blog.csdn.net/ygdxt/article/details/82288735
https://blog.csdn.net/wait_for_eva/article/details/80031097
https://baike.baidu.com/item/%E4%BF%A1%E6%81%AF%E9%87%8F/420401?fr=aladdin
https://baike.baidu.com/item/%E5%9B%BE%E7%81%B5%E6%9C%BA/2112989?fr=aladdin

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