В чем измеряется мощность в информатике. Задачи на мощность алфавита (Алфавитный подход)

1. Информационное сообщение объёмом 375 байтов состоит из 500 символов. Каков информационный вес каждого символа этого сообщения? Какова мощность алфавита, с помощью которого было записано это сообщение?
2. Для записи текста использовался 64-символьный алфавит. Какое количество информации в байтах содержат 3 страницы текста, если на каждой странице расположено 40 строк по 60 символов в строке?
3. Сообщение занимает 6 страниц по 40 строк, в каждой строке записано по 60 символов. Информационный объём всего сообщения равен 9000 байтам. Каков информационный вес одного символа? Сколько символов в алфавите языка, на котором записано это сообщение?
4. Племя пользуется 32-символьным алфавитом. Свод основных законов племени хранится на 512 глиняных табличках, на каждую из которых нанесено ровно 256 символов. Какое количество информации содержится на каждой носителе? Какое количество информации заключено во всём своде законов?
5. Сообщение, записанное буквами 8 символьного алфавита, содержит 30 символов. Какой объем информации оно несет?
6. Сообщение, записанное буквами 128 символьного алфавита, содержит 20 символов. Какой объем информации оно несет?
7. Информационное сообщение объемом 1,5 килобайта содержит 3072 символа. Сколько символов содержит алфавит, с помощью которого было записано это сообщение?
8. Информационное сообщение объёмом 4 Кбайта состоит из 4096 символов. Каков информационный вес символа используемого алфавита? Сколько символов содержит алфавит, с помощью которого записано это сообщение?
9. Определите количество информации в сообщении из К символов алфавита мощностью N, заполняя таблицу:

Самостоятельная работа

Вариант 1

1. Объем сообщения – 7 Кбайт. Известно, что данное сообщение содержит 7168 символов. Какова мощность алфавита?
2. Дан текст из 500 символов. Известно, что символы берутся из таблицы размером 32 на 32. Определите информационный объем текста в битах.
3. Мощность алфавита равна 256. Сколько Кбайт памяти потребуется для сохранения 160 страниц текста, содержащего в среднем 192 символа на каждой странице?
4. Объем сообщения равен 3 Кбайт. Сообщение содержит 3072 символа. Какова мощность алфавита?
5. Для кодирования секретного сообщения используются 12 специальных значков-символов. При этом символы кодируются одним и тем же минимально возможным количеством бит. Чему равен информационный объем сообщения длиной в 256 символов?
6. Мощность алфавита равна 32. Сколько Кбайт памяти потребуется, чтобы сохранить 256 страниц текста, содержащего в среднем 128 символов на каждой странице?

Вариант 2

1. Объем сообщения – 7,5 Кбайт. Известно, что данное сообщение содержит 7680 символов. Какова мощность алфавита?
2. Дан текст из 600 символов. Известно, что символы берутся из таблицы размером 16 на 32. Определите информационный объем текста в битах.
3. Мощность алфавита равна 128. Сколько байт памяти потребуется для сохранения 8 страниц текста, содержащего в среднем 4 символа на каждой странице?
4. Объем сообщения равен 11 Кбайт. Сообщение содержит 11264 символа. Какова мощность алфавита?
5. Для кодирования секретного сообщения используются 18 специальных значков-символов. При этом символы кодируются одним и тем же минимально возможным количеством бит. Чему равен информационный объем сообщения длиной в 256 символов?
6. Мощность алфавита равна 64. Сколько Кбайт памяти потребуется, чтобы сохранить 128 страниц текста, содержащего в среднем 256 символов на каждой странице?

ЛЕКЦИЯ № 3

Темы занятия:

1. Мощность алфавита.

2. Таблицы кодирования символов.

3. Кодирование изображений.

4. Кодирование звука.

5. Сжатие информации

6. Примеры решения типовых задач.

7. Цифровая электронная подпись.

Мощность алфавита

Алфавит – набор символов, используемых для создания информационных сообщений. Например, алфавит русского языка включает 32 буквы (символа), однако следует учитывать, что в информационном сообщении могут присутствовать кроме букв специальные символы: запятая, точка, восклицательный знак, скобки и др.

Мощность алфавита (математ. - мощность множества) – количество (набор) символов, используемых для передачи сообщения.

В вычислительной технике используют алфавит из двух символов: 0 и 1

Примечание:

*Максимальное количество N вариантов (наборов) для бинарного n-разрядного слова составляет

Например, количество возможных вариантов восьмиразрядного слова (1 байт), составленного из 0 и 1, составляет 2 8 =256.

Задача № 1.1.:

Скорость чтения учащегося составляет приблизительно 250 символов в минуту. Приняв мощность используемого алфавита за 64, определите, какой объем информации в килобайтах получит учащийся, если он будет непрерывно читать в течение 40 минут?

Решение:

1) Количество информации, которое несет один знак алфавита (из 64 знаков) равен:

2) Количество символов, которые читает учащийся за 40 минут равно: 250 x 40 = 10 000.

3) Количество информации, которое получает учащийся за 40 минут равно: 10 000 ⋅ 6 = 60 000 бит = 7,3 Кбайт.

Измерение информации.

Алфавитный подход к измерению информации.

Одно и то же сообщение может нести много информации для одного человека и не нести её совсем для другого человека. При таком подходе количество информации определить однозначно затруднительно.

Алфавитный подход позволяет измерить информационный объём сообщения, представленного на некотором языке (естественном или формальном), независимо от его содержания.

Для количественного выражения любой величины необходима, прежде всего, единица измерения. Измерение осуществляется путём сопоставления измеряемой величины с единицей измерения. Сколько раз единица измерения «укладывается» в измеряемой величине, таков и результат измерения.

При алфавитном подходе считается, что каждый символ некоторого сообщения имеет определённый информационный вес - несёт фиксированное количество информации . Все символы одного алфавита имеют один и тот же вес, зависящий от мощности алфавита. Информационный вес символа двоичного алфавита принят за минимальную единицу измерения информации и называется 1 бит.

Обратите внимание, что название единицы измерения информации «бит» (bit) происходит от английского словосочетания binary digit - «двоичная цифра».

За минимальную единицу измерения информации принят 1 бит. Считается, что таков информационный вес символа двоичного алфавита.

1.6.2. Информационный вес символа произвольного алфавита

Ранее мы выяснили, что алфавит любого естественного или формального языка можно заменить двоичным алфавитом. При этом мощность исходного алфавита N связана с разрядностью двоичного кода i, требуемой для кодирования всех символов исходного алфавита, соотношением: N = 2 i.

Информационный вес символа алфавита i и мощность алфавита N связаны между собой соотношением: N = 2 i.

Задача 1. Алфавит племени Пульти содержит 8 символов. Каков информационный вес символа этого алфавита?

Решение. Составим краткую запись условия задачи.

Известно соотношение, связывающее величины i и N: N = 2 i.

С учётом исходных данных: 8 = 2 i. Отсюда: i = 3.

Полная запись решения в тетради может выглядеть так:

Ответ: 3 бита.

1.6.3. Информационный объём сообщения

Информационный объём сообщения (количество информации в сообщении), представленного символами естественного или формального языка, складывается из информационных весов составляющих его символов.

Информационный объём сообщения I равен произведению количества символов в сообщении К на информационный вес символа алфавита i: I = K * i.

Задача 2 . Сообщение, записанное буквами 32-символьного алфавита, содержит 140 символов. Какое количество информации оно несёт?

Задача 3. Информационное сообщение объёмом 720 битов состоит из 180 символов. Какова мощность алфавита, с помощью которого записано это сообщение?

1.6.4. Единицы измерения информации

В наше время подготовка текстов в основном осуществляется с помощью компьютеров. Можно говорить о «компьютерном алфавите», включающем следующие символы: строчные и прописные русские и латинские буквы, цифры, знаки препинания, знаки арифметических операций, скобки и др. Такой алфавит содержит 256 символов. Поскольку 256 = 28, информационный вес каждого символа этого алфавита равен 8 битам. Величина, равная восьми битам, называется байтом. 1 байт - информационный вес символа алфавита мощностью 256.

1 байт = 8 битов

Бит и байт - «мелкие» единицы измерения. На практике для измерения информационных объёмов используются более крупные единицы:

1 килобайт = 1 Кб = 1024 байта = 210 байтов

1 мегабайт = 1 Мб = 1024 Кб = 210 Кб = 220 байтов

1 гигабайт = 1 Гб = 1024 Мб = 210 Мб = 220 Кб = 230 байтов

1 терабайт = 1 Тб = 1024 Гб = 210 Гб = 220 Мб = 230 Кб = 240 байтов

Задача 4. Информационное сообщение объёмом 4 Кбайта состоит из 4096 символов. Каков информационный вес символа используемого алфавита? Сколько символов содержит алфавит, с помощью которого записано это сообщение?

Задача 5 . В велокроссе участвуют 128 спортсменов. Специальное устройство регистрирует прохождение каждым из участников промежуточного финиша, записывая его номер цепочкой из нулей и единиц минимальной длины, одинаковой для каждого спортсмена. Каков будет информационный объём сообщения, записанного устройством после того, как промежуточный финиш пройдут 80 велосипедистов?

Решение. Номера 128 участников кодируются с помощью двоичного алфавита. Требуемая разрядность двоичного кода (длина цепочки) равна 7, так как 128 = 27. Иначе говоря, зафиксированное устройством сообщение о том, что промежуточный финиш прошёл один велосипедист, несёт 7 битов информации. Когда промежуточный финиш пройдут 80 спортсменов, устройство запишет 80 7 = 560 битов, или 70 байтов информации.

Развитие высоких технологий привело к появлению большого количества терминов и понятий, с которыми сталкиваются все пользователи в процессе работы с компьютерами. Продвинутые юзеры имеют представление о большинстве из них, однако, для новичков разобраться со всеми терминами очень сложно. Одним из таковых терминов, о которых имеют представление не все даже опытные пользователи, является мощность алфавита. Что подразумевается под этим понятием и как она рассчитывается?

Методы измерения информации в электронном виде

Мощность алфавита может пригодиться очень многим пользователям в процессе работы. Однако перед тем как дать определение этому термину и разобраться в методах его расчета необходимо немного поговорить о том, как измеряется электронная информация, поскольку это является материальной базой, на основании которой базируется дальнейшая теория.

Каждый человек знает о том, что любая величина имеет свою систему измерений. Например, температура измеряется в градусах, расстояние выражается в метрах, временные интервалы строятся из секунд и так далее. Однако немногие пользователи знают о том, в каких величинах измеряется текстовая информация в электронном виде. Для этих целей в информатике и было создано определение мощность алфавита.

Определение термина

Исходя из того, что значение абсолютно любой величины, известной в наши дни человечеству, является неким параметром, состоящим из набора измерительных единиц, то определение понятию мощности алфавита проще всего сделать следующим образом: мощность алфавита - это количество символов, которое входит в состав любого языка.
Однако это всего-лишь общее определение, которое отражает только поверхностное значение мощности алфавита, поскольку само определение носит более глубокий характер. Чтобы понять всю его суть необходимо разобраться с тем, что представляют собой символы, с точки зрения высоких технологий. Все символы, используемые в компьютере, включают в себя буквы, цифры, знаки препинания и набор специальных символов. Однако это еще не все, поскольку для определения мощности алфавита необходимо еще учитывать и пробел, который предназначен для разделения слов между собой.

Давайте в качестве примера рассмотрим русскую раскладку клавиатуры, которая используется для печати русскоязычного текста и состоит из 34 букв, 10 цифр и 11 дополнительных символов, суммарное количество которых составляет 54, что, в свою очередь, классифицируется как мощность алфавита русской раскладки клавиатуры..

Информационный вес символов

Давайте постепенно продвигаться далее. Мощность алфавита не заключается в одном лишь числе букв и цифр, которые используются в напечатанном тексте. Для определения этого параметра необходим более глубокий подход.
Давайте на секунду задумаемся о том, какой минимальный объем символов входит в состав одной буквы, цифры или специального знака? Правильный ответ - два. Каждый символ в компьютере обладает своим информационным весом, благодаря которому машина способна распознавать какую информацию ввел пользователь. Все дело в том, что машина не способна распознавать информацию в том виде, в котором ее представляют люди. Вместо этого, он использует специальный машинный язык, состоящий из нулей и единиц, при помощи которых происходит преобразование текстовой информации в двоичный код, понятный компьютерной системе.
Что касается информационного веса, то он выражается в битах и является стандартной единицей для измерения информации в электронном виде.

Немного о двоичном коде

Теперь мы имеем более-менее доступным для понимания определением мощности алфавита. Однако для понимания всей глубины теории представления электронной информации машинами необходимо иметь представление о двоичном коде. Давайте рассмотрим этот вопрос на примере мощности алфавита, состоящей из четырех любых символов, каждый из которых имеет вес два бита.

Следуя из всего вышесказанного, четыре символа будут иметь весь четыре бита, восемь - три и так далее. На основании этого принципа и происходит расчет веса текстовой информации, выраженной в электронном виде, компьютерными системами.

Вычисления мощности алфавита и ее практическое использование

С терминологией и основными теоретическими терминами мы разобрались, поэтому теперь давайте рассмотрим какая существует взаимосвязь между мощностью алфавита и его весом. Чтобы более наглядно провести взаимосвязь между ними давайте рассмотрим одну формулу: N=2b, в которой первая переменная соответствует количеству символов, а вторая - количеству знаков, используемых компьютерами в машинном языке.
Из этого математического выражения следует, что 21=2, 22=4, 23=8, 24=16 и так далее. На основании этого можно сделать весьма разумный и обоснованный вывод: число символов, используемых в машинном языке, представляет собой вес символа.

Как измеряется объем информации?

Рассмотренные выше примеры являются очень простыми, на примере которых можно дать общее представление мощности алфавита. Однако на деле все выглядит намного сложнее, поскольку каждый пользователь в процессе набора текста использует не только строчные, но и заглавные буквы, а также различные шрифты, языковую раскладку, знаки препинания, специальные символы, цвета и многое другое. Исходя из этого можно предположить, что общее число всех суммарных символов равняется 256. Поскольку 256 равняется 28 в двоичном коде, то в этом случае вес каждого символа составляет 8 битам или одному байту.

Таким образом, обладая всеми необходимыми параметрами, мы можем рассчитать объем электронной информации. Например, мы напечатали 30 страниц печатной информации, на каждой из которых содержится 50 строк по 60 различных символов. Используя известную нам формулу, производим необходимые вычисления:

— информационный вес одной строки будет равен: 50 х 60 = 3000 байт;
— а весь текст будет весить: 3000 х 50 = 150 000 байт.

Стоит отметить, что конечный результат можно выражать не только в байтах, а переводить стандартную единицу измерения в килобайты, мегабайты и другие. Для этого необходимо величину более младшего порядка разделить на 1024, поскольку именно столько единиц младшей величины образуют старшую единицу измерения.

Заключение

Прочитав эту статью, вы получили общее представление о том, что представляет собой мощность алфавита, а также о методах ее расчета. Однако был рассмотрен исключительно математический подход, в котором не учитываются некоторые другие параметры, основным из которых является смысловая нагрузка. Этот аспект является одним из наиболее важных для понимания, поскольку независимо от объема символов, если они не несут никакой информационной ценности, то его ценность равна нулю. Однако рассчитать вес бессмысленного набора символов все равно можно.

Если говорить в общем, то мощность алфавита, как один из терминов информатики, не представляет собой ничего сложного для понимания. Но многие пользователи пренебрегают этим терминов, поскольку считают его бесполезным, однако, на практике все обстоит совершенно иначе. В наши дни пользователи работают преимущественно с электронной информацией, которая со временем может полностью вытеснить печатную, поэтому необходимо иметь представление о том, как эта информация выражается в машинном виде и каким образом она рассчитывается.

Существует несколько способов измерения количества информации. Один из них называется алфавитный .

Алфавитный подход позволяет измерять количество информации в тексте (символьном сообщении), составленном из символов некоторого алфавита.

Алфавит – это набор букв, знаков, цифр, скобок и т.д.
Количество символов в алфавите называется его мощностью .

При алфавитном подходе считается, что каждый символ текста имеет определенный информационный вес . Информационный вес символа зависит от мощности алфавита.

Какова минимальная мощность алфавита, с помощью которого можно записывать (кодировать) информацию?

Назовем комбинацию из 2-х, 3-х и т.д. бит двоичным кодом .

Сколько символов можно закодировать двумя битами?

4 символа 2 бита .

Сколько символов можно закодировать тремя битами?

Отсюда следует, что в алфавите мощностью 8 символов информационный вес каждого символа - 3 бита .

Можно сделать вывод, что в алфавите мощностью 16 символов информационный вес каждого символа будет 4 бита .

Обозначим мощность алфавита буквой N , а информационный вес символа буквой b .

Зависимость между мощностью алфавита N и информационным весом символа b .