EnTrope (Энтропия. Теория информации), страница 6

В качестве примера подсчитаем с помощью формулы (3.22), как будут возрастать размеры витков спирали по мере увеличения номера ступени п .

Приняв условно диаметр витка при n = 0 за 1 см., получим размеры вышележащих витков, сведенные в таблицу 2.

Таблица 2

п	1	2	3	4	5	6
Диаметры витков в см.	1	6	36	216	1296	7776

Таблица 2 дает наглядное представление о степени прогрес­сивности роста информационной емкости по мере перехода на вышележащие витки. Нетрудно заметить, что при n = 3 , размеры витка (36 см.) близки к размерам раскрытой книжки, при n = 5 – к размерам довольно просторной залы (с диаметром 12,96 м ) , а при п = 6 – к размерам городской площади (с диаметром 77,76 м ).

Вследствие роста информационной емкости система, подни­маясь в процессе развития на все более высокие уровни иерархической спирали и постоянно стремясь к состоянию жесткой детерминации, оказывается тем дальше от этого состояния (в смысле потенциальной возможности накопления информации), чем больше витков в этой спирали ей удается пройти.

Как уже отмечалось, системы в своем развитии, как правило, не достигают состояния жесткой детерминации. Условием их динамичного равновесия оказывается сочетание частично детерминированных , а частично вариабельных (вероятностых) внутренних связей. Соотношение степени детерминации и вариабельности внутренних связей может быть выражено количес­твенно как отношение величины остаточной энтропии Н_r к количес­тву накопленной и сохраняемой структурной информации  I_S:

G =	Hr		(3.23)
	 IS

где G – коэффициент стохастичности (вариабельности, гибкости) внутренних связей.

Оптимальным соотношением жесткости и гибкости внутренних связей G_opt оказывается такое соотношение, которое соответствует степени вариабельности условий внешней среды.

Результаты исследований статистических свойств письменных текстов дали близкие результаты для всех европейских языков:

G  ¼

Очевидно, эта величина G является для языка оптимальной, так как она характеризует соотношение, возникшее в результате эволюционного развития языка. Будучи величиной статистической, она может варьироваться в зависимости от характера текста: для служебных бумаг и инструкций G < G_opt, для поэтических текстов G > G_opt.

Чем больше величина G, тем менее избыточным будет текст. Избыточность текста характеризуется коэффициентом избыточности R, определяемым как:

R =	Hmax - Hr	=	 IS		(3.24)
	Hmax		Hmax

Сопоставляя (3.23) и (3.24). можно выразить величину G через R как:

G =	1 – R			(3.25)
	R

ИНФОРМАЦИЯ И ЭНЕРГИЯ

Для выявления взаимосвязи структурной информации с внут­ренней энергией систем воспользуемся уравнением Гельмгольца:

U=F+ST (4.1)

где: U - внутренняя энергия ;

F - свободная часть внутренней энергии ;

ST - связанная (энтропийная ) часть внутренней энергии ;

S - физическая энтропия ;

Т - абсолютная температура.

В состоянии термодинамического равновесия вся внутренняя энергия становится «энтропийной», а сама энтропия достигает мак­симальной величины⁰.

Таким образом , при достижении равновесия достигается условие:

F=0 (4.2)

из которого, согласно (4.1) следует:

U = S_max T (4.3)

или:

Smax =	U			(4.4)
	T

Преобразуем выражение (4.1), поделив левую и правую части уравнения на Т:

U	=	F	+ S	(4.5)
T		T

Подставляя (4.4) в (4.5) и перенося член S в левую часть с противоположным знаком, получаем :

Smax – S=	F			(4.6)
	T

Для дальнейшего рассмотрения к входящему в выражение члену S добавим индекс r, имея в виду, что S_r – это та реальная энтропия, внутренняя энергия которой определяется выражением (4.1).

Учитывая, что в соответствии с соотношением (1.4)

S = K H (4.7)

приведем выражение (4.6) к виду:

F	=	K ( Hmax – Hr )	(4.8)
T

где К – постоянная Больцмана;

Н_тах – максимальная информационная энтропия ;

Н_r – реальная информационная энтропия .

Сопоставляя (4.8) с ранее полученным выражением (2.7) получаем :

F	=	K IS	(4.8)
T

Полученное соотношение свидетельствует о том, что при неиз­менном значении температуры Т свободная часть внутренней энергии F зависит только от количества сохраняемой системой структурной информации  I_S.

Другими словами, свободная энтропия F – это часть энергии, которая расходуется на определяющие структурную организацию системы межэлементной связи.

Г.Гельмгольц назвал эту часть внутренней энергии «свободной энергией» имея в виду, что эту энергию, в отличие от составляющей внутренней энергии ST , можно «освободить» для той или иной полезной работы. Такое «освобождение» осуществляется путем разрушения внутренних связей, определяющих структуру исполь­зуемых для этой цели систем: сжигания органических веществ (нефти, угля), разрушения атомов или атомных ядер и т.п.

Введем понятие потенциального коэффициента полезного дей­ствия η, показывающего, какая часть внутренней энергии может быть, в принципе, использована для полезной работы:

η =	F		(4.10)
	U

С учетом (4.4) и (4.9) выражение (4.10) приводится к виду :

η =	IS		(4.10)
	Hmax

Сопоставляя (4.11) с выражением (3.24), приходим к выводу, что потенциальный КПД η равен коэффици­енту избыточности R.

Рассмотрим два крайних состояния систем, одному из которых соответствуют условия  I_S = 0 (состояние равновесия), а другому –  I_S = Н_max (жесткая детерминация) .

В соответствии с выражением (4.11) в состоянии равновесия η = 0 (поскольку вся внутренняя энергия в этом случае оказыва­ется не «свободной», а «связанной», т.к. F = 0, a U = S_max T).

При жесткой детерминации ( I_S = Н_max) в соответствии с (4.11), η = 1.

Это условие означает, что вся внутренняя энергия расходуется только на сохранение межэлементных структурных связей, поэтому структура такой системы останется неизменной (жестко детермини­рованной ) до тех пор, пока система не разрушится под влиянием изменившихся условий внешней среды.

При неизменных внешних условиях и при η = 1 осуществляется «вечное движение», примером которого может служить жестко детерминированное движение небесных светил и планет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Подводя итог всему, что было сказано выше, отметим, что по мере того, как рациональная наука все глубже и глубже постигает сложность организации существующих в мире систем она все в большей мере осознает недостаточность ранее признанных редукционистских концепций. Поиски источников информации определяющей структуры и функции сложных систем, приводят науку к необходимости создания телеологических концепций, то есть, в конечном счете, к признанию некого организующего начала, которое и есть не что иное, как проявление воли Творца.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Седов Е., Кузнецов Д. В начале было Слово… – СПб., 1994.

2. Шеннон К.Е. Математическая теория связи. Работы по теории инфор -мации и кибернетике., М, 1963.

3. Шеннон К. Е. Бандвагон. /Работы по теории информации и кибернети­ке/, М., 1963.

4. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация, М.,1966.

5. Винер Н. Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине. М,1968.

6. Аптер М. Кибернетика и развитие М. 1970.

7. Седов Е.А. Взаимосвязь информации, энергии и физической энтропии в процессах управления и самоорганизации. Информация и управ­ление. М., Наука, 1986.

8. Седов Е.А. Эволюция и информация. М., Наука, 1976.

9. Шеннон К. Е. Предсказание и энтропия английского печатного текста.

10. Пригожий И., Ствнгврс И. Порядок из хаоса. М.. Прогресс, 1986.

11. Тейяр де Шарден Феномен человека. М., Наука, 1987.

0 Зависимость вероятностей последующих событий от предыдущих определяется в теории вероятностей термином «корреляция».

0 Близкое к указанному сочетание избыточной и непредсказуемой информации было затем получено в результате анализа тестов на русском и ряде европейских языков.

0 Данное состояние относится к категории теоретических абстракция, поскольку при достижении термодинамического равновесия не разрешается структура элементарных частиц.