Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
Основи кібернетики - Coggle Diagram
Основи кібернетики
Одновременно и взаимосвязано с появлением кибернетики в XX столетии создается теория информации.
Свойства информации
.
Сообщение о событии, вероятность которого Р<1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которое произошло.
Если событие достоверное (то есть его вероятность Р=1), то сообщение о том, что оно произошло, не несет никакой информации для потребителя. Так, если вы в настоящий момент читаете эту страницу учебника и вам кто-то об этом сообщает, то в этом сообщении для вас нет ничего нового, то есть не содержится абсолютно никакой информации.
Информация может передаваться не обязательно только через наше сознание. Она передается и на подсознательном уровне, и на уровне внутренних процессов в организме. Для мышц двигательного аппарата пришедшие к нему нервные импульсы несут информацию о необходимых действиях; для сердца объем крови в диастолу несет информацию о необходимой силе последующего сокращения, перестройка конформации фермента несет информацию для процессов переноса ионов и др.
Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что передается некоторая информация. Информативно только такое сообщение, которое несет в себе что-то неизвестное ранее, в чем нуждается объект, которому оно передается.
Информация имеет смысл только при наличии ее приемника (потребителя). Если принимающий объект отсутствует, то нельзя говорить о существовании информации. Так, если в комнате работает телевизор, но в ней нет человека, то все, что показывается и говорится, не является информацией.
Одновременно и взаимосвязано с появлением кибернетики в XX столетии создается теория информации - раздел кибернетики, посвященный математическому описанию процессов получения, хранения, переработки и передачи информации. Эта теория возникла в ходе решения задач передачи потоков сообщений по каналам связи в технических системах, и первый фундаментальный труд принадлежит К.Шеннону «Математическая теория связи» (1948 г.). Сегодня понятие «информация» является одной из основных философских категорий, заряду с такими категориями, как материя, энергия, без которых невозможно описание функционирования живых систем.
Количество информации I(хi), содержащееся в сообщении равно логарифму величины, обратной вероятности Р(хi) события:
В теории информации источник информации задается в виде множества сообщений X1, Х2,...,Хп с вероятностями соответственно Р1, Р2,...,Рп. В этом случае среднее количество информации, приходящееся на одно сообщение, определяется по формуле Шеннона:
Среднее колическтво информации на одно сообщение:
Величина Ī рассматривается как мера неопределенности сведений об источнике информации, которая имела место до приема сообщений и была устранена после их получения. Эту меру неопределенности называют энтропией (Н) источника информации, приходящейся на одно сообщение. Таким образом:
Енергоінформаційний обмін у Всесвіті.
Закономірно виникає питання про джерело енергії у Всесвіті. Можливо центром енергопостачання є Метагалактика, що живить галактики, а ті забезпечують енергією зірки та планети. Світність щільного ядра галактик з активними ядрами доходить до 10в ступеня39-10в ступеня40 Вт, що в десятки тисяч разів більше світності самих галактик, причому ця енергія виходить з областей з розміром 10в ступеня14-10в ступеня16 м, що в десятки і сотні тисяч галактик. Світимість всіх зірок нашої Галактики становить 3
10в ступеня37 Вт, що у 100 млрд. разів більше світності Сонця (4
10в ступеня26 Вт).
"Звідки береться енергія зірок? По-перше, в результаті реакцій ядерного синтезу. Але не тільки. Багато явищ лише з натяжкою пояснюються теорією термоядерного походження зіркової енергії, інші і зовсім не входять до її рамок. Але інші механізми походження енергії поки не дуже зрозумілі." (В.А.Амбурцамян).
Важливо, що кожен рівень може бути описаний і, відповідно, розглядатися і функціонувати самостійно, з іншого боку, це три аспекти, погляду, на розгляд єдиної цілісної системи.
Інформація може мати дискретну чи аналогову форму. При передачі або запам'ятовуванні сигналу в дискретній формі сигнал, що передається, повинен бути попередньо розбитий на рівні найпростіші частини, наприклад, одиниці вимірювання (грам, міліметр і т.д.) і сигнал передається або запам'ятовується у вигляді кількості цих елементарних сигналів. Процес розбивки сигналу елементарні сигнали називається квантуванням, а сам елементарний сигнал - кроком квантування. Що менше крок квантування, то з більшою точністю можна передати сигнал. Але при передачі дискретного сигналу він завжди передається з деякою помилкою, вона називається шумом квантування і зазвичай не перевищує половини кроку квантування.
Процеси зберігання, обробка та передача інформації
Процеси зберігання, обробки та передачі є основними інформаційними процесами. У різних поєднаннях вони є в отриманні, пошуку, захисті, кодуванні та інших інформаційних процесах. Розглянемо зберігання, обробку та передачу інформації на прикладі дій школяра, які він виконує з інформацією під час вирішення завдання.
Інформаційні процеси взаємопов'язані. Наприклад, обробка та передача інформації неможливі без її зберігання, а для збереження обробленої інформації її необхідно передати. Розглянемо кожен інформаційний процес докладніше.
Зберігання інформації є інформаційним процесом, під час якого інформація залишається незмінною у часі та просторі. Зберігання інформації може здійснюватися без фізичного носія. Носій інформації - фізичне середовище, що безпосередньо зберігає інформацію.
Носієм інформації, або інформаційним носієм, може бути:
речовина у різних станах (рідина, газ, тверде тіло);
хвиля різної природи (акустична, електромагнітна, гравітаційна).
матеріальний предмет (камінь, дошка, папір, магнітні та оптичні диски);
Виділяють два види інформаційних носіїв: внутрішні та зовнішні. Внутрішні носії (наприклад, біологічна пам'ять людини) мають швидкість і оперативність відтворення інформації, що зберігається. Зовнішні носії (наприклад, папір, магнітні та оптичні диски) більш надійні, можуть зберігати більші обсяги інформації. Їх використовують із довготривалого зберігання інформації.
Обробка інформації може здійснюватися шляхом:
виправлення або додавання інформації (наприклад, виправлення орфографічних помилок);
математичних обчислень, логічних міркувань (наприклад, розв'язання задачі);
впорядкування, структурування інформації (наприклад, сортування прізвищ за абеткою).
зміни форми подання інформації (наприклад, заміна тексту графічним зображенням);
кодування інформації (наприклад, переклад тексту з однієї мови на іншу);
Передача інформації є інформаційним процесом, під час якого інформація переноситься з одного інформаційного носія до іншого. Процес передачі інформації, як її зберігання та обробка, також неможливий без носія інформації.
Між джерелом та приймачем інформації може існувати зворотний зв'язок. У відповідь отриману інформацію приймач може передавати інформацію джерелу. Якщо джерело є одночасно і приймачем інформації, а приймач є джерелом, такий процес передачі називається обміном інформацією.
Швидкість передачі — кількість інформації, що передається за одиницю часу.
Пропускна здатність каналу зв'язку - максимально можлива швидкість передачі інформації даним каналом зв'язку.
Через канал зв'язку інформація передається за допомогою сигналів. Сигнал — це фізичний процес, який відповідає будь-якій події і служить передачі повідомлення про цю подію каналом зв'язку. Прикладами сигналів є помахи прапорцями, миготіння ламп, запуски сигнальних ракет, телефонні дзвінки. Сигнал може передаватися за допомогою хвиль.
Кодування та декодування може здійснюватись як живою істотою (наприклад, людиною, твариною), так і технічним пристроєм (наприклад, комп'ютером, електронним перекладачем). У процесі передачі можливі спотворення чи втрати інформації під впливом перешкод, які називаються шумом. Шум виникає через погану якість каналів зв'язку або їх незахищеність. Існують різні способи захисту від шуму, наприклад, технічний захист каналів зв'язку або багаторазова передача інформації.
Сигнал може бути безперервним чи дискретним. Безперервний сигнал плавно змінює параметри в часі. Прикладом безперервного сигналу зміни атмосферного тиску, температури повітря, висоти Сонця над горизонтом. Дискретний сигнал стрибкоподібно змінює свої параметри та приймає кінцеву кількість значень у кінцевому числі моментів часу. Сигнали, подані у вигляді окремих символів, є дискретними.
Информация и принципы регуляции в биологических системах
Биологическая кибернетика является составной частью биофизики сложных систем. Биологическая кибернетика имеет большое значение для развития современной биологии, медицины и экологии. Кибернетический подход к изучению функционирования органов, физиологических систем, организма в целом и сообществ организмов позволяет изучить особенности управления и саморегуляции биологических объектов в норме и патологии.
Кибернетика - наука об общих законах процессов организации, управления и переработки информации в сложных системах различной физической природы: машинах, технических устройствах, живых организмах.
Предмет кибернетики - кибернетическая система — упорядоченная совокупность взаимодействующих объектов (элементов систем), объединенных выполнением определенной функции и способных обмениваться информацией.
Характеристики системы, рассматриваемые кибернетикой, ее параметры, делятся на входные параметры: Х1 Х2, , Хп, учитывающие воздействие внешней среды на систему, и выходные параметры Y1, Y2, Yn, характеризующие воздействие системы на внешнюю среду
Кибернетика изучает динамические системы, в которых протекают сложные процессы, состояние которых непрерывно меняется под влиянием внешних воздействий или в зависимости от фазы функционирования. Состояние динамической системы характеризуется значениями ее параметров не только в данный момент времени, но и в предыдущие моменты времени. Так, человек, как кибернетическая система, - это совокупность протекающих в нем, меняющихся во времени процессов, для характеристики состояния организма человека необходимо знание анамнеза и надо учитывать его связи с окружающей средой (условия жизни, работы и т.д.)
Специально для биологических систем следует отметить их выраженную вариабельность. Нет одинаковых пациентов, так же как нет одинаковых клеток. Каждый человек требует особого внимания, особого подхода.
Следует также учитывать то обстоятельство, что в кибернетических системах могут действовать не только динамические законы (законы однозначного соответствия следствия и причин), но и статистические, вероятностные законы, когда можно говорить о большей или меньшей вероятности того или иного следствия данной причины.
Управление (регулирование) - процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей. Всякая система содержит управляющую часть и исполнительную часть
По линии прямой связи управляющая часть посылает в соответствии с заданием в исполнительную часть команды. По линии обратной связи в управляющую часть поступают сведения из исполнительной части о выполнении команд.
Биологические объекты относятся к саморегулируемым системам. Саморегулируемые системы такие, которые обладают способностью поддерживать свое состояние или режим функционирования на определенном заданном уровне при непредвиденных внешних воздействиях.
Теория автоматического регулирования выделяет два ocновных способа регулирования: регулирование по возмущению и регулирование по отклонению.
Система регулирования по возмущению позволяет устранить результаты непредвиденного внешнего воздействия на систему с целью coxранить заданный режим функционирования. Для этого система должна содержать в своей памяти информацию о возможных последствиях возмущения.
В случае регулирования по отклонению управляющая часть вырабатывает команды, вызывающие изменения в системе, компенсирующие отклонения от заданного функционирования в системе. Датчик передает по каналу обратной связи сведения о режиме функционирования системы в аппарат сравнения, в котором они сравниваются с заданными параметрами, в случае отклонения от задания (рассогласования) управляющая часть вырабатывает команды, устраняющие отклонения.
Обратные связя - необходимое условие процессов саморегуляции. Обратная связь передает информацию о результате функционирования системы в управляющую часть. Различают положительные и отрицательные обратные связи.
Положительные :check: обратные связи приводят к выработке команд, ведущих к увеличению отклонения системы от первоначального состояния.
Отрицательные :red_cross: обратные связи вызывают команды, стремящиеся уменьшить отклонения в системе. Регулирование по отклонению осуществляется с использованием отрицательных обратных связей.
Известны две физические формы существования материи — вещество и поле.
Вещество — материальное образование, состоящее из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя), т. е. это материя на разных стадиях ее организации элементарные частицы — ядра атомов — атомы — молекулы — атомные, ионные или молекулярные агрегации (твердые тела, жидкости, газы) и т. д.
Поле — материальная среда, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или отдельными телами. Основной характеристикой этой формы материи является энергия. Гравитационное, электромагнитное поля, поле ядерныхсил — примеры различных видов полей.
