Измерение информации: алфавитный подход и формула Хартли
Алфавитный подход к измерению информации, мощность алфавита, формула Хартли N = 2^i, бит, байт и производные единицы информации.
В информатике и вычислительной технике важнейшей задачей является точное измерение объема хранимых и передаваемых данных. Существуют два подхода к измерению информации: содержательный (основанный на уменьшении неопределенности знаний человека) и алфавитный (технический).
Алфавитный подход не учитывает смысловое содержание текста (является ли текст научной статьей или случайным набором букв). Он рассматривает сообщение как простую цепочку символов некоторого фиксированного алфавита.
Алфавит — это конечное упорядоченное множество всех символов (букв, цифр, знаков препинания, скобок и пробела), используемых для составления сообщений на данном языке.
Мощность алфавита (N) — это полное количество всех различных символов, входящих в данный алфавит. Например, в русском алфавите без буквы «ё» 32 буквы, а с учетом заглавных букв, знаков препинания, цифр и пробела мощность алфавита печатной машинки составляет или символов.
Алфавитный подход
Мощность алфавита (N)
В 1928 году американский инженер и ученый Ральф Хартли (Ralph Hartley) сформулировал фундаментальный закон: если все N символов алфавита встречаются в тексте равновероятно, то информационный вес одного символа (i) определяется соотношением:
Отсюда информационный вес одного символа равен двоичному логарифму мощности алфавита:
(бит).
Практические соответствия:
• При символа (двоичный алфавит {0, 1}): бит;
• При символа (нуклеотиды ДНК {А, Т, Г, Ц}): бита;
• При символов: бита;
• При символов (шестнадцатеричные цифры): бита;
• При символа: бит;
• При символа: бит;
• При символов (таблица ASCII): бит = 1 байт.
1 Бит
1 Байт = 8 бит
Степень двойки
Если мощность алфавита N не является точной степенью двойки (например, N = 33), информационный вес округляют в большую сторону: 2^5 = 32 < 33 <= 64 = 2^6, поэтому на 1 символ потребуется 6 бит.
Информационный объем текста (I) вычисляется как произведение общего количества символов в сообщении (K) на информационный вес одного символа (i):
Если в тексте K символов и алфавит имеет мощность N, то полный объем равен:
Пример: Слово «ИНФОРМАТИКА» содержит букв. Если оно составлено из алфавита мощностью символа ( бит), то его информационный объем равен:
бит.
I = K · i
Учет пробелов
Поскольку бит — очень малая величина, в компьютерных технологиях используют кратные единицы, основанные на степенях двойки ():
• 1 байт = 8 бит = бит;
• 1 Килобайт (Кбайт / KB) = 1024 байта = байт = 8192 бита;
• 1 Мегабайт (Мбайт / MB) = 1024 Кбайт = байт ≈ 1 миллион байт;
• 1 Гигабайт (Гбайт / GB) = 1024 Мбайт = байт ≈ 1 миллиард байт;
• 1 Терабайт (Тбайт / TB) = 1024 Гбайт = байт ≈ 1 триллион байт.
Правило перехода между единицами:
• Чтобы перевести из мелких единиц в крупные (биты → байты → Кбайты) — делим;
• Чтобы перевести из крупных единиц в мелкие (Кбайты → байты → биты) — умножаем.
