Обратное условие фано. Условие фано
Демонстрационный вариант ЕГЭ 2019 г. – задание №5
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г, Д, Е, решили использовать неравномерный двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Для буквы А использовали кодовое слово 0; для буквы Б – кодовое слово 10. Какова наименьшая возможная сумма длин кодовых слов для букв В, Г, Д, Е?
Примечание. Условие Фано означает, что никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Это обеспечивает возможность однозначной расшифровки закодированных сообщений.
Решение:
Ответ:
Демонстрационный вариант ЕГЭ 2018 г. – задание №5
По каналу связи передаются шифрованные сообщения, содержащие только десять букв: А, Б, Е, И, К, Л, Р, С, Т, У. Для передачи используется неравномерный двоичный код. Для девяти букв используются кодовые слова.
Укажите кратчайшее кодовое слово для буквы Б, при котором код будет удовлетворять условию Фано. Если таких кодов несколько, укажите код с наименьшим числовым значением. Примечание. Условие Фано означает, что никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Это обеспечивает возможность однозначной расшифровки закодированных сообщений.
Решение:
Ответ: 1100
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г, Д, Е, решили использовать неравномерный двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Для буквы А использовали кодовое слово 0; для буквы Б – кодовое слово 10. Какова наименьшая возможная сумма длин всех шести кодовых слов?
Примечание. Условие Фано означает, что никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Это обеспечивает возможность однозначной расшифровки закодированных сообщений.
Демонстрационный вариант ЕГЭ 2017 г. – задание №5
Решение:
Для нахождения кодовых слов будем использовать данную таблицу.
Если коды остальных букв будет начинаться на 0, код буквы А=0 будет являться началом их кодов, поэтому этот вариант не подходит. Если код Б=10, коды букв В, Г, Д, Е начинаются на11. Чтобы получить 4 разных кода, нужно использовать коды, состоящие из 4-х символов (1111, 1110, 1101, 1100) .
| 0 | 1 | ||||
| 1 | |||||
| 1 | 0 | ||||
| 1 | 0 | 1 | 0 | ||
А - 0 (1 символ)
Б - 10 (2 символа)
В - 1100 (4 символа)
Г - 1101 (4 символа)
Д - 1110 (4 символа)
Е - 1111 (4 символа)
1+2+4+4+4+4 = 19
Ответ: 19
Демонстрационный вариант ЕГЭ 2016 г. – задание №5
По каналу связи передаются сообщения, содержащие только четыре буквы: П, О, С, Т; для передачи используется двоичный код, допускающий однозначное декодирование. Для букв Т, О, П используются такие кодовые слова: Т: 111, О: 0, П: 100.
Укажите кратчайшее кодовое слово для буквы С, при котором код будет допускать однозначное декодирование. Если таких кодов несколько, укажите код с наименьшим числовым значением.
Решение:
Для нахождения кодовых слов будем использовать данную схему.
Если коды остальных букв будет начинаться на 0 , код буквы О =0 будет являться началом их кодов, поэтому этот вариант не подходит. Так как код буквы П =100 , а код буквы Т =111 , то буква С не может начинаться и заканчиваться этими цифрами.
Ответ: 101
Для кодирования сообщения, состоящего только из букв А, Б, В и Г, используется неравномерный по длине двоичный код:
Если таким способом закодировать последовательность символов ГАВБГВ и записать результат в шестнадцатеричном коде, то получится:
1) DACBDC 1 6 2) AD26 16 3) 621310 16 4) 62DA 16
Решение:
ГАВБГВ = 0110001011011010
| 0110 | 0010 | 1101 | 1010 |
| 6 | 2 | D | A |
Ответ: 4
Черно-белое растровое изображение кодируется построчно, начиная с левого верхнего угла и заканчивая в правом нижнем углу. При кодировании 1 обозначает черный цвет, а 0 – белый.
Для компактности результат записали в восьмеричной системе счисления. Выберите правильную запись кода.
1) 57414 2) 53414 3) 53412 4) 53012
Решение:
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 101 | 011 | 100 | 001 | 010 |
| 5 | 3 | 4 | 1 | 2 |
Ответ: 3
Для передачи чисел по каналу с помехами используется код проверки четности. Каждая его цифра записывается в двоичном представлении, с добавлением ведущих нулей до длины 4, и к получившейся последовательности дописывается сумма её элементов по модулю 2 (например, если передаём 23, то получим последовательность 0010100110). Определите, какое число передавалось по каналу в виде 01100010100100100110?
1) 6543 2) 62926 3) 62612 4) 3456
Решение:
01100010100100100110
| 01100 | 01010 | 01001 | 00110 |
| 6 | 5 | 4 | 3 |
Ответ: 1
Для кодирования букв О, Л, А, З, К используются двоичные коды чисел 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно (с сохранением одного незначащего нуля в случае одноразрядного представления). Если таким способом закодировать последовательность символов ЗАКОЛКА и записать результат в шестнадцатеричном коде, то получится:
1) 4531253 2) 9876 3) E832 4) 238E
Решение:
| О | Л | А | З | К |
| 0=00 | 1=01 | 2=10 | 3=11 | 4=100 |
ЗАКОЛКА = 1110100000110010
| 1110 | 1000 | 0011 | 0010 |
| E | 8 | 3 | 2 |
Ответ: 3
Для передачи по каналу связи сообщения, состоящего только из букв А, Б, В, Г, решили использовать неравномерный по длине код: A=00, Б=11, В=100. Как нужно закодировать букву Г, чтобы длина кода была минимальной и допускалось однозначное разбиение кодированного сообщения на буквы?
1) 010 2) 0 3) 01 4) 011
Решение:
A=00, Б=11, В=100, Г=?
Ответ: 3
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г и Д, решили использовать неравномерный двоичный код, позволяющий однозначно декодировать двоичную последовательность, появляющуюся на приёмной стороне канала связи. Для букв А, Б, В и Г использовали такие кодовые слова: А — 111, Б — 110, В — 101, Г — 100.
Укажите, каким кодовым словом из перечисленных ниже может быть закодирована буква Д.
Код должен удовлетворять свойству однозначного декодирования. Если можно использовать более одного кодового слова, укажите кратчайшее из них.
1) 1 2) 0 3) 01 4) 10
Решение:
А — 111, Б — 110, В — 101, Г — 100, Д — ?
Ответ: 2
По каналу связи передаются сообщения, содержащие только 4 буквы: А, Б, В, Г. Для кодирования букв А, Б, В используются 5-битовые кодовые слова: А — 10110, Б — 11000, В — 00101. Для этого набора кодовых слов выполнено такое свойство: любые два слова из набора отличаются не менее чем в трёх позициях. Это свойство важно для расшифровки сообщений при наличии помех. Какое из перечисленных ниже кодовых слов можно использовать для буквы Г, чтобы указанное свойство выполнялось для всех четырёх кодовых слов?
1) 01110 2) 01011 3) 10001 4) не подходит ни одно из указанных выше слов
Решение:
1) 01 110: А — 10 110 — не отличаются не менее чем в трёх позициях
2) 01011: А — 101 10 , Б — 1 1000 , В — 0010 1 — отличаются не менее чем в трёх позициях
Ответ: 2
Для передачи данных по каналу связи используется 5-битовый код. Сообщение содержит только буквы А, Б и В, которые кодируются следующими кодовыми словами:
А — 10001, Б — 01101, В — 10110.
При передаче возможны помехи. Однако некоторые ошибки можно попытаться исправить. Любые два из этих трёх кодовых слов отличаются друг от друга не менее чем в трёх позициях. Поэтому если при передаче слова произошла ошибка не более чем в одной позиции, то можно сделать обоснованное предположение о том, какая буква передавалась. (Говорят, что «код исправляет одну ошибку».) Например, если получено кодовое слово 01111, считается, что передавалась буква Б. (Отличие от кодового слова для Б только в одной позиции, для остальных кодовых слов отличий больше.) Если принятое кодовое слово отличается от кодовых слов для букв А, Б, В более чем в одной позиции, то считается, что произошла ошибка (она обозначается ‘х’).
Получено сообщение 00110 11101 11000 11001. Декодируйте это сообщение – выберите правильный вариант.
1) ВБхх 2) ВБВА 3) хххх 4) ВБхА
Решение:
| 00110 | 11101 | 11000 | 11001 |
| В=1 0110 | Б=0 1101 | x | А=10 001 |
Ответ: 4
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г и Д, используется неравномерный двоичный код, позволяющий однозначно декодировать полученную двоичную последовательность. Вот этот код: А – 1; Б – 0100; В – 000; Г – 011; Д – 0101. Требуется сократить для одной из букв длину кодового слова так, чтобы код по-прежнему можно было декодировать однозначно. Коды остальных букв меняться не должны. Каким из указанных способов это можно сделать?
1) для буквы Г – 11 2) для буквы В – 00 3) для буквы Г – 01 4) это невозможно
Решение:
Ответ: 2
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г, решили использовать неравномерный двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Для буквы А использовали кодовое слово 1, для буквы Б – кодовое слово 011. Какова наименьшая возможная суммарная длина всех четырёх кодовых слов?
1) 7 2) 8 3) 9 4) 10
Решение:
А-1, Б-011, В-00, Г-010
Ответ: 9
По каналу связи передаются сообщения, каждое из которых содержит 15 букв А, 10 букв Б, 6 букв В и 4 буквы Г (других букв в сообщениях нет). Каждую букву кодируют двоичной последовательностью. При выборе кода учитывались два требования:
а) ни одно кодовое слово не является началом другого (это нужно, чтобы код допускал однозначное декодирование);
б) общая длина закодированного сообщения должна быть как можно меньше.
Какой код из приведённых ниже следует выбрать для кодирования букв А, Б, В и Г?
1) А:1, Б:01, В:001, Г:111
2) А:1, Б:01, В:10, Г:111
3) А:00, Б:01, В:10, Г:11
4) А:100, Б:101, В:11, Г:0
Решение:
Ни одно кодовое слово не является началом другого: А является началом Г в 1-й и 2-й вариантах.
Общая длина закодированного сообщения должна быть как можно меньше.
3) А:00 (15), Б:01 (10), В:10 (6), Г:11 (4)
2.15+2.10+2.6+2.4 = 70
4) А:100 (15), Б:101 (10), В:11 (6), Г:0 (4)
3.15+3.10+2.6_1.4 = 61
Ответ: 3
По каналу связи с помощью равномерного двоичного кода передаются сообщения, содержащие только 4 буквы П, Р, С, Т. Каждой букве соответствует своё кодовое слово, при этом для набора кодовых слов выполнено такое свойство: любые два слова из набора отличаются не менее чем в трёх позициях. Это свойство важно для расшифровки сообщений при наличии помех. Для кодирования букв П, Р, С используются 5-битовые кодовые слова: П: 01111, Р: 00001, С: 11000. 5-битовый код для буквы Т начинается с 1 и заканчивается на 0. Определите кодовое слово для буквы Т.
Решение:
С: 1 1000
Т: 1 0110 (Т начинается с 1 и заканчивается на 0)
С и Т: 2 буквы одинаковы, то это означает, что остальные 3 буквы должны быть разными.
Ответ: 1 0110
На тестах для подготовки к ЕГЭ по информатике встречаются задачи на применение условия Фано. Материала в учебниках не нашел. Заходим в Википедию.
Условие Фано (англ. Fano condition, в честь Роберта Фано) - в теории кодирования необходимое условие построения самотерминирующегося кода (в другой терминологии, префиксного кода). Обычная формулировка этого условия выглядит так:
Никакое кодовое слово не может быть началом другого кодового слова.
Более «математическая» формулировка:
Если в код входит слово a, то для любой непустой строки b слова ab в коде не существует.
Алгоритм Шеннона - Фано - один из первых алгоритмов сжатия, который впервые сформулировали американские учёные Шеннон и Роберт Фано. Данный метод сжатия имеет большое сходство с алгоритмом Хаффмана, который появился на несколько лет позже. Алгоритм использует коды переменной длины: часто встречающийся символ кодируется кодом меньшей длины, редко встречающийся - кодом большей длины. Коды Шеннона - Фано префиксные, то есть никакое кодовое слово не является префиксом любого другого. Это свойство позволяет однозначно декодировать любую последовательность кодовых слов.
Основные сведения
Кодирование Шеннона- Фано(англ. coding) - алгоритм префиксного неоднородного кодирования. Относится к вероятностным методам сжатия (точнее, методам контекстного моделирования нулевого порядка). Подобно алгоритму Хаффмана, алгоритм Шеннона - Фано использует избыточность сообщения, заключённую в неоднородном распределении частот символов его (первичного) алфавита, то есть заменяет коды более частых символов короткими двоичными последовательностями, а коды более редких символов - более длинными двоичными последовательностями.
Алгоритм был независимо друг от друга разработан Шенноном (публикация «Математическая теория связи», 1948 год) и, позже, Фано (опубликовано как технический отчёт).
1. Основные понятия
Закодировать текст – значит сопоставить ему другой текст. Кодирование применяется при передаче данных – для того, чтобы зашифровать текст от посторонних, чтобы сделать передачу данных более надежной, потому что канал передачи данных может передавать только ограниченный набор символов (например, - только два символа, 0 и 1) и по другим причинам.
При кодировании заранее определяют алфавит, в котором записаны исходные тексты (исходный алфавит) и алфавит, в котором записаны закодированные тексты (коды), этот алфавит называется кодовым алфавитом. В качестве кодового алфавита часто используют двоичный алфавит, состоящий из двух символов (битов) 0 и 1. Слова в двоичном алфавите иногда называют битовыми последовательностями.
2. Побуквенное кодирование
Наиболее простой способ кодирования – побуквенный. При побуквенном кодировании каждому символу из исходного алфавита сопоставляется кодовое слово – слово в кодовом алфавите. Иногда вместо «кодовое слово буквы» говорят просто «код буквы». При побуквенном кодировании текста коды всех символов записываются подряд, без разделителей.
Пример 1. Исходный алфавит – алфавит русских букв, строчные и прописные буквы не различаются. Размер алфавита – 33 символа.
Кодовый алфавит – алфавит десятичных цифр. Размер алфавита - 10 символов.
Применяется побуквенное кодирование по следующему правилу: буква кодируется ее номером в алфавите: код буквы А – 1; буквы Я – 33 и т.д.
Тогда код слова АББА – это 1221.
Внимание: Последовательность 1221 может означать не только АББА, но и КУ (К – 12-я буква в алфавите, а У – 21-я буква). Про такой код говорят, что он НЕ допускает однозначного декодирования
Пример 2. Исходный и кодовый алфавиты – те же, что в примере 1. Каждая буква также кодируется своим номером в алфавите, НО номер всегда записывается двумя цифрами: к записи однозначных чисел слева добавляется 0. Например, код А – 01, код Б – 02 и т.д.
В этом случае кодом текста АББА будет 01020201. И расшифровать этот код можно только одним способом. Для расшифровки достаточно разбить кодовый текст 01020201 на двойки: 01 02 02 01 и для каждой двойки определить соответствующую ей букву.
Такой способ кодирования называется равномерным. Равномерное кодирование всегда допускает однозначное декодирование.
Далее рассматривается только побуквенное кодирование
3. Неравномерное кодирование
Равномерное кодирование удобно для декодирования. Однако часто применяют и неравномерные коды, т.е. коды с различной длиной кодовых слов. Это полезно, когда в исходном тексте разные буквы встречаются с разной частотой. Тогда часто встречающиеся символы стоит кодировать более короткими словами, а редкие – более длинными. Из примера 1 видно, что (в отличие от равномерных кодов!) не все неравномерные коды допускают однозначное декодирование.
Есть простое условие, при выполнении которого неравномерный код допускает однозначное декодирование.
Код называется префиксным, если в нем нет ни одного кодового слова, которое было бы началом (по-научному, - префиксом) другого кодового слова.
Но я хочу продемонстрировать как можно автоматизировать данный процесс.
Видеоролик выложу в интернет
Приведу пример из подготовки к ЕГЭ по информатике (фирма 1С - материалы Центра Сертифицированного Обучения):
Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв С, Т, Р, О, К и А, используется неравномерный двоичный код, удовлетворяющий условию Фано, и следовательно, позволяющий однозначно декодировать полученную двоичную последовательность. Вот этот код: С - 000, Т - 001, Р - 010, О - 100, К - 011, А - 11. Можно ли сократить для одной из букв длину кодового слова так, чтобы код по прежнему удовлетворял условию Фано? Коды остальных букв меняться не должны.
Выберите правильный вариант ответа.
Варианты ответов:
1) для буквы Р - 01
2) для буквы О - 10
3) для буквы А - 1
4) это невозможно
Правильный вариант - 2
Решение:
Вариант 1) не подходит - условие Фано будет нарушено для букв Р и К
Вариант 2) подходит - слово 10 не является началом кодовых слов для других букв
Вариант 3) не подходит - условие Фано будет нарушено для букв А и О
Вариант 4) не подходит - см. вариант 2)
Теперь посмотрим, что выдаст программа для автоматизированного решения подобных задач и контроля знаний.
В задании не задана частотность или вероятность появления букв, поэтому в программе примем ее равной 0,01 для всех букв.
Вероятности:
0.01, 0.01, 0.01, 0.01, 0.01, 0.01
Значения:
C, T, P, O, K, A
Результат:
C 000
T 001
P 01
O 100
K 101
A 11
Из решения видно, вариантов решения может быть несколько, но все они отвечают условию Фано.
Полагаю, что подобные программы будут полезны для контроля знаний, а включение подобной функции в язык программирования усилит возможности языка, поэтому включаю данную функцию в язык SmartMath. Программа сама определяет количество символов для анализа, сортирует их в зависимости от частотности и присваивает коды согласно условия Фано. Преимущество автоматизации в создании кода при выполнении условия Фано в том, что можно быстро создавать решения для любой последовательности.
Смотрите ссылку.
3. Коды без разделителя. Условие Фано
Рассмотрев один из вариантов двоичного неравномерного кодирования, попробуем найти ответ на следующий вопрос: возможно ли такое кодирование без использования разделительных знаков?
Суть этой проблемы состоит в нахождении такого варианта кодирования сообщения, при котором последующее выделение из сообщения каждого отдельного знака (то есть декодирование) оказывается однозначным без специальных указателей разделения знаков.
Наиболее простыми и употребимыми кодами без разделителя являются так называемые префиксные коды , которые удовлетворяют следующему условию –условию Фано :Сообщение, закодированное с использованием неравномерного кода может быть однозначно декодировано, если никакой из кодов в данном сообщении не совпадает с префиксом * (началом) какого-либо иного более длинного кода.
Например, если имеется код 110, то уже не могут использоваться коды 1, 11, 1101, 110101 и пр.
Если условие Фано выполняется, то при прочтении (декодировании, расшифровке) закодированного сообщения путем сопоставления с таблицей кодов всегда можно точно указать, где заканчивается один код и начинается другой.
Пример 1 . Являются ли коды, представленные втабл. 4,префиксными? Коды, представленные в табл. 4, не являются префиксными. См., например, коды букв «О» и «Е», «А» и «Н», «С» и «М», «Д» и «Ч».
Пример 2 . Имеется таблица префиксных кодов (табл. 6). Требуется декодировать следующее сообщение, закодированное с использованием этой приведенной кодовой таблицы:
00100010000111010101110000110
Табл. 6. Таблица префиксных кодов
Декодирование производится циклическим повторением следующих действий:
«Отрезать» от текущего сообщения крайний слева символ, присоединить его справа к рабочему (текущему) кодовому слову;
сравнить текущее кодовое слово с кодовой таблицей; если совпадения нет, вернуться к пункту 1.
С помощью кодовой таблицы текущему кодовому слову поставить в соответствие символ первичного алфавита;
Проверить, имеются ли еще знаки в закодированном сообщении; если да, то перейти к пункту 1.
Применение данного алгоритма к предложенному выше закодированному сообщению дает:
00100010000111010101110000110
Таким образом, доведя процедуру декодирования до конца, можно получить сообщение: «мама мыла раму».
Таким образом, использование префиксного кодирования позволяет делать сообщение более коротким, поскольку нет необходимости передавать разделители знаков.
Однако условие Фано не устанавливает конкретного способа формирования префиксного кода, оставляя поле для деятельности по разработке наилучшего из возможных префиксных кодов.
4. Префиксный код Шеннона–Фано
Рассмотрим вариант кодирования, который был предложен в 1948 – 1949 гг. независимо К. Шенноном и Р. Фано.
Рассмотрим схему кодирования (как она строится) Шеннона–Фано на следующем примере .
Пусть
имеется первичный алфавит
,
состоящий из шести знаков:
,
где
.
Пусть вероятности появления этих знаков
в сообщениях таковы:
,
,
,
,
и
.
Расположим эти знаки в таблице в порядке
убывания вероятностей.
Разделим
знаки на две группы так, чтобы суммы
вероятностей в каждой из этих двух групп
были бы приблизительно равными. При
этом в 1-ю группу попадут
и
,
а остальные – во 2-ю группу. Знакам
первой группы присвоим первый слева
разряд их кодов «0», а первым слева
разрядом кодов символов второй группы
пусть будет «1».
Продолжим
деление каждой из получающихся групп
на подгруппы по той же схеме, то есть
так, чтобы суммы вероятностей на каждом
шаге в обеих подгруппах делимой группы
были бы возможно более близкими. Таким
образом будем получать по одному
следующие разряды кодов символов
.
Эти следующие разряды будем приписывать
справа к уже имеющимся.
Вся эта процедура может быть схематически изображена в табл 7.
Табл. 7. Построение кода Шеннона-Фано
|
Знак |
|
Разряды кода | ||||
|
| ||||||
|
| ||||||
|
| ||||||
|
| ||||||
|
| ||||||
|
| ||||||
Видно, что построенные коды знаков
удовлетворяют условию Фано, следовательно,
такое кодирование является префиксным.
Найдем среднюю длину полученного кода по формуле
,
где
– число разрядов (символов) в коде,
соответсвующем символу
.
Из таблицы видно, что
,
,
.
Таким образом, получаем:
Таким образом, для кодирования одного
символа
первичного алфавита
потребовалось в среднем 2.45 символов
вторичного (двоичного) алфавита.
Определим среднее количество информации, приходящееся на знак первичного алфавита в первом приближении (с учетом различной вероятности появления этих знаков в сообщениях). Применим формулу Шеннона:
.
Найдем избыточность полученного двоичного кода:
,
то есть избыточность – около 2.5.
Выясним, является ли полученный код оптимальным. Нулей в полученных кодах – 6 штук, а единиц – 11 штук. Таким образом, вероятности появления 0 и 1 далеко не одинаковы. Следовательно, полученный код нельзя считать оптимальным.
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Однозначное декодирование Прямое и обратное условие Фано Учитель информатики и ИКТ МБОУ СОШ № 7 г. Оха Сахалинской области Сергиенко Татьяна Геннадьевна
Задача 1 Пусть для кодирования фразы «Доброе утро» выбран такой код: Д О Б Р Е У Т Пробел 111 000 00 1 01 0 10 11
Коды букв «сцепляются» в единую битовую строку и передаются, например, по сети: Доброе утро→ 11100000100001110101000 В пункте назначения возникает проблема – как восстановить исходное сообщение, и возможно ли это.
11100000100001110101000 Раскодировать данное сообщение можно разными способами. В том числе предположим, что оно состоит только из букв Р – 1 и У – 0. Тогда получим РРРУУУУУРУУУУРРРУРУРУУУ, т.е. бессмысленный набор букв.
Код называется однозначно декодируемым, если любое кодовое сообщение можно расшифровать единственным способом (однозначно).
Значит, код не является однозначно декодируемым.
Задача 2 Равномерные коды. Для той же фразы используем равномерный код: Д О Б Р Е У Т Пробел 111 000 001 101 011 010 100 110
Равномерные коды неэкономичны – гораздо длиннее неравномерных. Это приводит к усложнению кодирования, но при этом они раскодируются однозначно, что, естественно, облегчает задачу.
Задача 3 Чтобы сократить длину сообщения, можно попробовать применить неравномерный код, т.е. код, в котором кодовые слова, соответствующие разным символам исходного алфавита, могут иметь разную длину, от одного до нескольких символов.
Используем следующий код: 01Эта битовая цепочка декодируется однозначно. Д О Б Р Е У Т Пробел 01 00 1011 100 1010 1101 1110 1111
Первая буква - Д (код 01), т.к. ни одно другое кодовое слово не начинается с 01. Вторая буква – О (код 00). Никакое другое слово не начинается с 00. Это же свойство, которое называется условием Фано, выполняется и для кодовых слов других букв.
УСЛОВИЕ ФАНО Никакое кодовое слово не совпадает с началом другого кодового слова. Такие коды называются префиксными (раскодируются с начала сообщения) и декодируются однозначно.
Задача 4 Рассмотрим ещё один код: Он не является префиксным, т.к. код буквы Д (10) совпадает с началом кода буквы Б (1011), У(1000) и код буквы О(00) совпадает с началом кода буквы Р (001). Д О Б Р Е У Т Пробел 10 00 1011 001 0101 1000 0111 1111
Закодируем наше сообщение: ДОБРОЕ УТРО→ 10 00 1011 001 00 0101 1111 1000 0111 001 00 Начнём раскодировать с начала. Первая – Д, или У, а дальше идут вообще разные варианты: Р или Б… Т.е. надо «заглядывать» вперёд, что очень неудобно.
Попробуем раскодировать сообщение с конца – оно однозначно декодируется! Выполняется обратное условие Фано: никакое кодовое слово не совпадает с окончанием другого кодового слова.
Коды, для которых выполняется обратное условие Фано, называются постфиксными.
Сделаем вывод: Сообщение декодируется однозначно, если для используемого кода выполняется прямое или обратное условие Фано.
Условие Фано - это достаточное, но не необходимое условие однозначной декодируемости Это значит, что: - для однозначной декодируемости достаточно выполнения хотя бы одного из двух условий - прямого или обратного. - могут существовать коды, для которых не выполняется ни прямое, ни обратное условие Фано, но тем не менее обеспечивается однозначное декодирование, т.к. иначе теряется смысл выражения.
Задача 5 Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г и Д используется неравномерный двоичный код, позволяющий однозначно декодировать полученную двоичную последовательность. Вот этот код: А – 00, Б – 01, В – 100, Г – 101, Д – 110.
Можно ли сократить для одной из букв длину кодового слова так, чтобы код по-прежнему можно было декодировать однозначно? Коды остальных букв меняться не должны. Выберите правильный вариант ответа: 1) для буквы Д -11 2) это невозможно 3) для буквы Г - 10 4) для буквы Д -10
РЕШЕНИЕ: Исходный код – префиксный. Для него выполняется условие Фано – ни один из трёхбитных кодов не начинается ни с 00 (А), ни с 01 (Б). (При этом обратное условие Фано не выполняется – код А (00) совпадает с окончанием В (100), а код Б (01) совпадает с окончанием Г (101).)
Теперь проверим ответы. Сократим Д до 11. Если полученный код нарушит прямое условие Фано, то свойство однозначного декодирования будет нарушено. Но этого не произошло, нет других кодов, начинающихся с 11. Это и есть верное решение. Проверим остальные варианты.
Вариант 2 сразу не рассматриваем – ответ у нас найден. Вариант 3 нарушает прямое условие Фано – с 10 начинается код буквы В (101). Вариант 4 – так же нарушает прямое условие Фано. Т.е. ответ однозначный, других вариантов нет.
Спасибо за внимание!
Задание 31. Неравномерные коды. Условие Фано
5-54.Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г и Д, решили использовать неравномерный двоичный код, позволяющий однозначно декодировать двоичную последовательность, появляющуюся на приёмной стороне канала связи. Для букв А, Б, В и Г использовали такие кодовые слова: А - 001, Б - 010, В - 000, Г - 011.
Укажите, каким кодовым словом из перечисленных ниже может быть закодирована буква Д.
Код должен удовлетворять свойству однозначного декодирования. Если можно использовать более одного кодового слова, укажите кратчайшее из них.
1) 00 2) 01 3) 0000 4) 101
5-85. Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв У, Ч, Е, Н, И и К, используется неравномерный двоичный префиксный код. Вот этот код: У – 000, Ч – 001, Е – 010, Н – 100, И – 011, К – 11. Можно ли сократить для одной из букв длину кодового слова так, чтобы код по-прежнему остался префиксным? Коды остальных букв меняться не должны. Выберите правильный вариант ответа.
Примечание. Префиксный код – это код, в котором ни одно кодовое слово не является началом другого; такие коды позволяют однозначно декодировать полученную двоичную последовательность.
1) кодовое слово для буквы Е можно сократить до 01
2) кодовое слово для буквы К можно сократить до 1
3) кодовое слово для буквы Н можно сократить до 10
4) это невозможно
5-94. Для кодирования некоторой последовательности, состоящей из букв А, Б, В, Г, решили использовать неравномерный двоичный код, удовлетворяющий условию Фано. Для буквы А использовали кодовое слово 1, для буквы Б – кодовое слово 011. Какова наименьшая возможная суммарная длина всех четырёх кодовых слов?
5-74. По каналу связи передаются сообщения, содержащие только 4 буквы: E, Н, О, Т. В любом сообщении больше всего букв О, следующая по частоте буква – Е, затем – Н. Буква Т встречается реже, чем любая другая. Для передачи сообщений нужно использовать неравномерный двоичный код, допускающий однозначное декодирование; при этом сообщения должны быть как можно короче. Шифровальщик может использовать один из перечисленных ниже кодов. Какой код ему следует выбрать?
1) Е – 0, Н – 1, О – 00, Т – 11 2) О – 1, Н – 0, Е – 01, Т – 10
3) Е – 1, Н – 01, О – 001, Т – 000 4) О – 0, Н – 10, Е – 111, Т – 110
5-105. По каналу связи передаются сообщения, каждое из которых содержит 15 букв А, 10 букв Б, 6 букв В и 4 буквы Г (других букв в сообщениях нет). Каждую букву кодируют двоичной последовательностью. При выборе кода учитывались два требования:
а) ни одно кодовое слово не является началом другого (это нужно, чтобы код допускал однозначное декодирование);
б) общая длина закодированного сообщения должна быть как можно меньше.
Какой код из приведённых ниже следует выбрать для кодирования букв А, Б, В и Г?
1) А:1, Б:01, В:001, Г:111
2) А:1, Б:01, В:10, Г:111
3) А:00, Б:01, В:10, Г:11
4) А:100, Б:101, В:11, Г:0
5-102. В сообщении встречается 10 разных букв. При его передаче использован неравномерный двоичный префиксный код. Известны коды трех букв: 11, 100, 101. Коды остальных семи букв имеют одинаковую длину. Какова минимальная суммарная длина всех 10-ти кодовых слов?
5-104. В сообщении встречается 50 букв А, 30 букв Б, 20 букв В и 5 букв Г. При его передаче использован неравномерный двоичный префиксный код, который позволил получить минимальную длину закодированного сообщения. Какова она в битах?
По каналу связи передаются сообщения, содержащие только пять букв: A, B, С, D, E. Для передачи используется двоичный код, допускающий однозначное декодирование. Для буквA, B, C используются такие кодовые слова: A – 111, B – 0, C – 100.
Укажите кратчайшее кодовое слово для буквыD, при котором код будет допускать однозначное декодирование. Если таких кодов несколько, укажите код с наименьшим числовым значением.
9-1-23. После преобразования растрового 256-цветного графического файла в 16-цветный формат его размер уменьшился на 15 Кбайт. Каков был размер исходного файла в Кбайтах?
9-1-25. После преобразования растрового графического файла его объем уменьшился в 1,5 раза. Сколько цветов было в палитре первоначально, если после преобразования было получено растровое изображение того же разрешения в 16-цветной палитре?
13-37. При регистрации в компьютерной системе каждому пользователю выдаётся идентификатор, состоящий из 8 символов, первый и последний из которых – одна из 18 букв, а остальные – цифры (допускается использование 10 десятичных цифр). Каждый такой идентификатор в компьютерной программе записывается минимально возможным и одинаковым целым количеством байт (при этом используют посимвольное кодирование; все цифры кодируются одинаковым и минимально возможным количеством бит, все буквы также кодируются одинаковым и минимально возможным количеством бит). Определите объём памяти в байтах, отводимый этой программой для записи 500 паролей.
13-38. При регистрации в компьютерной системе, используемой при проведении командной олимпиады, каждому ученику выдается уникальный идентификатор – целое число от 1 до 1000. Для хранения каждого идентификатора используется одинаковое и минимально возможное количество бит. Идентификатор команды состоит из последовательно записанных идентификаторов учеников и 8 дополнительных бит. Для записи каждого идентификатора команды система использует одинаковое и минимально возможное количество байт. Во всех командах равное количество участников. Сколько участников в каждой команде, если для хранения идентификаторов 20 команд-участниц потребовалось 180 байт?
13-50. При регистрации в компьютерной системе каждому пользователю выдаётся пароль, состоящий из 15 символов и содержащий только символы из 12-символьного набора: А, В, C, D, Е, F, G, H, K, L, M, N. В базе данных для хранения сведений о каждом пользователе отведено одинаковое и минимально возможное целое число байт. При этом используют посимвольное кодирование паролей, все символы кодируют одинаковым и минимально возможным количеством бит. Кроме собственно пароля, для каждого пользователя в системе хранятся дополнительные сведения, для чего выделено целое число байт; это число одно и то же для всех пользователей. Для хранения сведений о 20 пользователях потребовалось 300 байт. Сколько байт выделено для хранения дополнительных сведений об одном пользователе? В ответе запишите только целое число – количество байт.
16-165. Значение арифметического выражения: 9 22 + 3 66 – 18 записали в системе счисления с основанием 3. Сколько цифр «2» содержится в этой записи?
Загрузка...
