本ユニットでは、情報を数える最小単位であるビットと、それを束ねたバイトを学び、情報量を定量化する考え方を身につける。さらに、音や画像などアナログ情報をコンピュータが扱える数値へ変える標本化・量子化・A/D変換の工程を理解する。情報量の計算とデジタル化の流れは試験で頻出のため、土台として確実に押さえたい。
0か1の2通りを表す、情報量の最小単位。1ビットで2状態を区別できる。
ビット(bit)はコンピュータが扱う情報の最も小さい単位で、0か1のどちらか一方を表します。1ビットで2通り、2ビットで4通り、nビットで2のn乗通りの状態を区別できる、という関係が試験で頻出です。 たとえば3ビットあれば2の3乗=8通りを表せます。バイトとの違いを問う問題も多く、ビットは最小単位、バイトはその上位単位、と整理して覚えておくと混同しません。
たとえビットは電気スイッチ1個のようなもの。オン(1)かオフ(0)かの2択しか持てませんが、スイッチを増やせば表せる組み合わせがどんどん増えていきます。
記憶フックビットといえば0か1の最小単位
8ビットをまとめた情報量の単位。1バイトで256通りを表せる。
バイト(byte)は8ビットを1組にした単位で、1バイト=8ビットという関係は必ず覚えるべき基本です。8ビットなので2の8乗=256通りの状態を表せ、半角文字1文字をおよそ1バイトで扱えます。 ファイルサイズやメモリ容量はキロバイト(KB)・メガバイト(MB)・ギガバイト(GB)とバイトの上位単位で表されます。ビット(b、小文字)とバイト(B、大文字)は記号も意味も異なるため、通信速度のbpsはビット単位である点など、単位の取り違えに注意しましょう。
たとえビットが1文字ずつのアルファベットなら、バイトはそれを8個束ねた「1単語」のようなもの。束ねることで意味のあるひとまとまりとして扱えます。
記憶フックバイトといえば8ビットで1組
ある事象がもつ情報の多さを、ビットなどの単位で定量化した量。
情報量とは、データや事象がどれだけの情報を含むかをビット・バイトといった単位で数値化したものです。表したい状態の数が多いほど、必要な情報量(ビット数)も増えます。 試験では「n通りの状態を区別するには何ビット必要か」という形で問われます。2のn乗が状態数以上になる最小のnが必要ビット数で、たとえば10通りなら2の4乗=16≧10より4ビットが必要です。単位を学んだうえで、情報を量として測る考え方を結びつけて理解しましょう。
たとえ情報量は「何通りの中から1つを選んだか」を測るものさし。選択肢が多い質問ほど答えに必要な情報が多い、というのと同じ感覚です。
記憶フック情報量といえばビットで測る情報の多さ
連続的なアナログ情報を、離散的な数値(デジタルデータ)へ変換すること。
デジタル化とは、音や光、温度のように連続的に変化するアナログ情報を、コンピュータが扱える0と1の離散的な数値へ変換することです。アナログは滑らかに連続し、デジタルは段階的なとびとびの値である点が両者の本質的な違いです。 音声や画像のデジタル化は、標本化→量子化→符号化という工程で行われます。デジタル化すると、複製しても劣化しにくい、編集や圧縮がしやすい、といった利点が生まれます。この工程全体の総称がデジタル化であると押さえましょう。
たとえなだらかな坂道(アナログ)を階段(デジタル)に置き換えるイメージ。連続した傾斜を一段ずつの高さに区切ることで、数値として記録・複製できるようになります。
記憶フックデジタル化といえばアナログを離散の数値へ
連続するアナログ信号を一定間隔で区切り、値を取り出す工程。
標本化(サンプリング)は、デジタル化の最初の工程で、時間とともに連続するアナログ信号を一定の時間間隔ごとに区切り、その時点の値を取り出す処理です。時間軸を離散化する段階だと覚えましょう。 1秒間に取り出す回数を標本化周波数といい、回数が多いほど元の波形を細かく再現でき、音質や画質が向上します。次の工程である量子化(振幅の離散化)との違いがよく問われます。標本化=時間の刻み、量子化=値の刻み、と対で整理すると混同しません。
たとえ動く対象を一定間隔でパシャパシャ撮るパラパラ漫画のようなもの。撮る間隔が短いほど、元の連続した動きをなめらかに再現できます。
記憶フック標本化といえば時間を一定間隔で区切る
標本化で取り出した値を、決められた段階の数値に近似する工程。
量子化は、標本化で取り出した各時点の値を、あらかじめ決められた段階(レベル)のいずれかに割り当てて数値化する工程です。標本化が時間軸の離散化なのに対し、量子化は振幅(値の大きさ)の離散化である点が重要な違いです。 段階の細かさを量子化ビット数で表し、ビット数が多いほど元の値に近く再現でき、誤差(量子化誤差)が小さくなります。標本化と量子化はどちらもデジタル化の必須工程で、順序(標本化が先、量子化が後)を問う問題も出ます。
たとえ身長を測るとき、ものさしの目盛りで一番近い数値に読み取るのと同じ。目盛りが細かいほど実際の値に近づき、粗いと丸めによる誤差が出ます。
記憶フック量子化といえば値を段階(レベル)に丸める
アナログ信号をデジタル信号へ変換する処理の総称。
A/D変換(アナログ-デジタル変換)は、アナログ信号をデジタル信号へ変える処理の総称で、標本化と量子化(そして符号化)を統合した工程全体を指します。これを行う装置をA/Dコンバータといいます。 逆にデジタル信号をアナログへ戻す処理はD/A変換と呼ばれ、向きが反対である点を問う問題が頻出です。マイクで拾った音をコンピュータに取り込む際はA/D変換、スピーカーで音を鳴らす際はD/A変換、と具体例で対にして覚えると区別しやすくなります。
たとえ外国語(アナログ)を日本語(デジタル)へ訳す通訳のようなもの。逆向きに訳し返すのがD/A変換で、変換の方向が逆になっているだけ、と捉えると整理できます。
記憶フックA/D変換といえばアナログをデジタルへ(逆はD/A)
関連の過去問演習は今後のアップデートで追加予定です。