Обратное условие фано дерево

6. Задание 4. Кодирование и декодирование информации

Кодирование – это перевод информации, представленной символами первичного алфавита, в последовательность кодов.
Декодирование (операция, обратная кодированию) – перевод кодов в набор символов первичного алфавита.
Кодирование может быть равномерное и неравномерное. При равномерном кодировании каждый символ исходного алфавита заменяется кодом одинаковой длины. При неравномерном кодировании разные символы исходного алфавита могут заменяться кодами разной длины.

Для кодирования букв О, В, Д, П, А решили использовать двоичное представление
чисел 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно (с сохранением одного незначащего нуля в случае одноразрядного представления). Если закодировать последовательность букв ВОДОПАД таким способом и результат записать восьмеричным кодом, то получится
1) 22162
2) 1020342
3) 2131453
4) 34017

Решение:
Представим коды указанных букв в дво­ич­ном коде, добавив незначащий нуль для одноразрядных чисел:

О	В	Д	П	А
0	1	2	3	4
00	01	10	11	100

Закодируем по­сле­до­ва­тель­ность букв: ВО­ДО­ПАД — 010010001110010.
Разобьём это пред­став­ле­ние на трой­ки спра­ва на­ле­во и пе­ре­ведём каждую тройку в восьмеричное число.
010 010 001 110 010 — 22162.
Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 1.
Ответ: 1

Для пе­ре­да­чи по ка­на­лу связи со­об­ще­ния, со­сто­я­ще­го толь­ко из сим­во­лов А, Б, В и Г, ис­поль­зу­ет­ся по­сим­воль­ное ко­ди­ро­ва­ние: А-10, Б-11, В-110, Г-0. Через канал связи пе­ре­даётся со­об­ще­ние: ВАГ­БА­А­ГВ. За­ко­ди­руй­те со­об­ще­ние дан­ным кодом. По­лу­чен­ное дво­ич­ное число пе­ре­ве­ди­те в шест­на­дца­те­рич­ный вид.
1) D3A6
2) 62032206
3) 6A3D
4) CADBAADC

Решение:
За­ко­ди­ру­ем по­сле­до­ва­тель­ность букв: ВАГ­БА­А­ГВ — 1101001110100110. Разобьем это пред­став­ле­ние на четвёрки спра­ва на­ле­во и пе­ре­ведём каждую четверку в шестнадцатеричное число:
1101 0011 1010 01102 = D3A6₁₆
Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 1.
Ответ: 1

Задача 3
Для 5 букв ла­тин­ско­го ал­фа­ви­та за­да­ны их дво­ич­ные коды (для не­ко­то­рых букв – из двух бит, для не­ко­то­рых – из трех). Эти коды пред­став­ле­ны в таб­ли­це:

a	b	c	d	e
100	110	011	01	10

Опре­де­ли­те, какой набор букв за­ко­ди­ро­ван дво­ич­ной стро­кой 1000110110110, если из­вест­но, что все буквы в по­сле­до­ва­тель­но­сти – раз­ные:
1) cbade
2) acdeb
3) acbed
4) bacde

Решение:
Мы видим, что усло­вия Фано и об­рат­ное усло­вие Фано не вы­пол­ня­ют­ся, зна­чит код можно рас­ко­ди­ро­вать не­од­но­знач­но.
Значит, будем перебирать варианты, пока не получим подходящее слово :
1) 100 011 01 10 110
Пер­вая буква опре­де­ля­ет­ся од­но­знач­но, её код 100: a.
Пусть вто­рая буква — с, тогда сле­ду­ю­щая буква — d, потом — e и b.
Такой ва­ри­ант удо­вле­тво­ряет усло­вию, зна­чит, окон­ча­тель­но по­лу­чи­ли ответ: acdeb.
Ответ: 2

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 01010100100111100011?
1) 59143 2) 5971 3) 102153 4) 10273

Решение:
При кодировании под саму цифру отводится 4 разряда, и еще один под код проверки четности (т.е. всего под цифру отводится 5 разрядов).
Разобьем заданную последовательность на группы по 5 бит в каждой:
01010, 10010, 01111, 00011.
отбросим пятый (последний) бит в каждой группе:
0101, 1001, 0111, 0001.
это и есть двоичные коды передаваемых чисел:
01012 = 5, 10012 = 9, 01112 = 7, 00012 = 1.
таким образом, были переданы числа 5, 9, 7, 1 или число 5971.
Ответ: 2

По ка­на­лу связи пе­ре­да­ют­ся со­об­ще­ния, со­дер­жа­щие толь­ко 4 буквы — П, О, Р, Т. Для ко­ди­ро­ва­ния букв ис­поль­зу­ют­ся 5-би­то­вые ко­до­вые слова:
П — 11111, О — 11000, Р — 00100, Т — 00011.
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 (в пред­по­ло­же­нии, что пе­ре­да­ва­е­мые биты могут ис­ка­жать­ся, но не про­па­да­ют). За­ко­ди­ро­ван­ное со­об­ще­ние счи­та­ет­ся при­ня­тым кор­рект­но, если его длина крат­на 5 и каж­дая пятёрка от­ли­ча­ет­ся от не­ко­то­ро­го ко­до­во­го слова не более чем в одной по­зи­ции; при этом счи­та­ет­ся, что пятёрка ко­ди­ру­ет со­от­вет­ству­ю­щую букву. На­при­мер, если при­ня­та пя­тер­ка 00000, то счи­та­ет­ся, что пе­ре­да­ва­лась буква Р.

Среди при­ведённых ниже со­об­ще­ний най­ди­те то, ко­то­рое при­ня­то кор­рект­но, и ука­жи­те его рас­шиф­ров­ку (про­бе­лы не­су­ще­ствен­ны).
11011 11100 00011 11000 01110
00111 11100 11110 11000 00000

1) ПОТОП
2) РОТОР
3) ТОПОР
4) ни одно из со­об­ще­ний не при­ня­то кор­рект­но

Решение:
Длина обоих со­об­ще­ний крат­на пяти.
Ана­ли­зи­руя пер­вое со­об­ще­ние «11011 11100 00011 11000 01110», при­хо­дим к вы­во­ду, что оно при­ня­то не­кор­рект­но, по­сколь­ку нет та­ко­го слова, ко­то­рое бы от­ли­ча­лось от слова «01110» толь­ко в одной по­зи­ции.
Рас­смот­рим вто­рое со­об­ще­ние. Учи­ты­вая, что каж­дая пятёрка от­ли­ча­ет­ся от не­ко­то­ро­го ко­до­во­го слова не более чем в одной по­зи­ции, его воз­мож­но рас­шиф­ро­вать толь­ко как «ТОПОР».
Ответ: 3

Для пе­ре­да­чи дан­ных по ка­на­лу связи ис­поль­зу­ет­ся 5-би­то­вый код. Со­об­ще­ние со­дер­жит толь­ко буквы А, Б и В, ко­то­рые ко­ди­ру­ют­ся сле­ду­ю­щи­ми ко­до­вы­ми сло­ва­ми: А — 11010, Б — 10111, В — 01101.
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 10110, 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 11000 11101 10001 11111. Де­ко­ди­руй­те это со­об­ще­ние — вы­бе­ри­те пра­виль­ный ва­ри­ант.

1) АххБ
2) АВхБ
3) хххх
4) АВББ

Решение:
Де­ко­ди­ру­ем каж­дое слово со­об­ще­ния. Пер­вое слово: 11000 от­ли­ча­ет­ся от буквы А толь­ко одной по­зи­ци­ей. Вто­рое слово: 11101 от­ли­ча­ет­ся от буквы В толь­ко одной по­зи­ци­ей. Тре­тье слово: 10001 от­ли­ча­ет­ся от любой буквы более чем одной по­зи­ци­ей. Четвёртое слово: 11111 от­ли­ча­ет­ся от буквы Б толь­ко одной по­зи­ци­ей.
Таким об­ра­зом, ответ: АВхБ.
Ответ: 2

Однозначное декодирование. Условие Фано

Код называется однозначно декодируемым, если любое сообщение, составленное из кодовых слов, можно декодировать единственным способом.
Равномерное кодирование всегда однозначно декодируемо.
Для неравномерных кодов существует следующее достаточное (но не необходимое) условие однозначного декодирования:
Сообщение однозначно декодируемо с начала, если выполняется условие Фано: никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова.
Сообщение однозначно декодируемо с конца, если выполняется обратное условие Фано: никакое кодовое слово не является окончанием другого кодового слова.

Для пе­ре­да­чи по ка­на­лу связи со­об­ще­ния, со­сто­я­ще­го толь­ко из букв А, Б, В, Г, ре­ши­ли ис­поль­зо­вать не­рав­но­мер­ный по длине код: A=1, Б=01, В=001. Как нужно за­ко­ди­ро­вать букву Г, чтобы длина кода была ми­ни­маль­ной и до­пус­ка­лось од­но­знач­ное раз­би­е­ние ко­ди­ро­ван­но­го со­об­ще­ния на буквы?
1) 0001
2) 000
3) 11
4) 101

Решение:
Для анализа соблюдения условия однозначного декодирования (условия Фано) изобразим коды в виде дерева. Тогда однозначность выполняется, если каждая буква является листом дерева:

Видим, что ближайший от корня дерева свободный лист (т.е. код с минимальной длиной) имеет код 000.
Ответ: 2

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

Решение:
Для анализа соблюдения условия однозначного декодирования (условия Фано) изобразим коды в виде дерева. Тогда однозначность выполняется, если каждая буква является листом дерева:

Легко заметить, что если букву Н перенести в вершину 10, она останется листом. Т.е. ко­до­вое слово для буквы Н можно со­кра­тить до 10.
Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 3.
Ответ: 3

Для ко­ди­ро­ва­ния не­ко­то­рой по­сле­до­ва­тель­но­сти, со­сто­я­щей из букв К, Л, М, Н, ре­ши­ли ис­поль­зо­вать не­рав­но­мер­ный дво­ич­ный код, удо­вле­тво­ря­ю­щий усло­вию Фано. Для буквы Н ис­поль­зо­ва­ли ко­до­вое слово 0, для буквы К — ко­до­вое слово 110. Ка­ко­ва наи­мень­шая воз­мож­ная сум­мар­ная длина всех четырёх ко­до­вых слов?
1) 7
2) 8
3) 9
4) 10
При­ме­ча­ние. Усло­вие Фано озна­ча­ет, что ни­ка­кое ко­до­вое слово не яв­ля­ет­ся на­ча­лом дру­го­го ко­до­во­го слова. Это обес­пе­чи­ва­ет воз­мож­ность од­но­знач­ной рас­шиф­ров­ки за­ко­ди­ро­ван­ных со­об­ще­ний.

Решение:
Для анализа соблюдения условия однозначного декодирования (условия Фано) изобразим коды в виде дерева. Тогда однозначность выполняется, если каждая буква является листом дерева:

Легко заметить, что ближайшие от корня свободные листы (т.е. свободные коды с наименьшей длиной) – это 10 и 111. Таким об­ра­зом, наи­мень­шая воз­мож­ная сум­мар­ная длина всех четырёх ко­до­вых слов будет 1 + 3 + 2 + 3 = 9.
Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 3.
Ответ: 3

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 анализа соблюдения условия однозначного декодирования (условия Фано) изобразим коды в виде дерева. Тогда однозначность выполняется, если каждая буква является листом дерева:

Легко заметить, что ближайшие от корня свободные листы (т.е. свободные коды с наименьшей длиной) – это 101 и 110. Наименьшее числовое значение имеет код 101.
Ответ: 101

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «6. Задание 4. Кодирование и декодирование информации» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам. Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена: 05.08.2023

Источник