Систематизация законов физики
УДК 006.915:[005:681.3]
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ МЕТОДОМ ЧИСЛОВОГО КОДИРОВАНИЯ
THE SYSTEMATIZATION OF THE LAWS OF PHYSICS BY THE METHOD OF NUMERIC ENCODING
Е.А. Бессонов
Предложен метод систематизации законов физики с помощью, разработанной автором, универсальной матрицы числового кодирования, логически выстроенной базой кодов символов и специального системного каталога для сбора, хранения и извлечения научных знаний, представленных в виде формул. Показаны примеры числового кодирования различных формул, предложен проект формы их системного каталога. Метод позволяет обеспечить единство и достоверность накопленных научных знаний, а также автоматизировать их каталогизацию.
Ключевые слова: автоматизация поиска научных знаний; база символов; закономерности; индексы; каталог; каталогизация; кодирование; коды; метод кодирования; систематизация научных знаний; структурные позиции формулы; универсальная матрица числового кодирования; физические формулы.
The proposed method of systematization of the laws of physics with the help of the developed by the author of universal matrix of numeric coding, logical database character codes and the special system catalog for the collection, storage and retrieval of scientific knowledge, presented in the form of formulas. Shows examples of the numerical coding of different formulas, the proposed project forms the system catalog. The method allows to ensure the unity and reliability of the accumulated scientific knowledge, and to automate their cataloging.
Key words: automated search of scientific knowledge; base characters; patterns; indices; catalog; cataloging; coding; codes; coding method; systematization of scientific knowledge; the structural position of the formula of the universal matrix of numeric coding; physical formulas.
Растущий с каждым годом объем информации в естественных науках ставит перед современными учеными задачу систематизации и каталогизации этой области знаний. Многочисленные гипотезы, научные положения, законы и закономерности в настоящее время разобщены и разнесены по различным разделам знаний и разным источникам информации, а один и тот же научный результат может иметь различные формы толкования и описания. Поэтому, для обеспечения их единства и достоверности назрела насущная необходимость в систематизации такой информации и сведения ее в единую научную базу, что соответствует требованиям современной метрологии. Систематизация и каталогизация позволит ученым производить быстрый и качественный поиск требуемой научной информации и обеспечить достоверное сравнение своих научных результатов с аналогами, ранее занесенными в каталоги. Каталогизации, прежде всего, подлежат их основы – законы физики (закономерности) - собственно законы и закономерности, зависимости, значения, уравнения, принципы и теоремы, описанные формулами.
Работа в данном направлении началась учеными сравнительно недавно, в конце прошлого века, когда вышли в свет ряд работ отечественных и зарубежных авторов. К ним можно отнести работы А.И. Половинкина [1], который разработал инженерный подход к законам техники и Рене Дугаса [2], раскрывшего эволюцию принципов общей механики от ее истоков до конца прошлого века. Среди современных работ следует отметить авторов [3, 4], которые разработали соответственно информационную систему для решения задач сбора, обработки и анализа научной информации и системную базу, позволяющую более эффективно осуществлять поиск, формулирование и увязку найденных законов.
Вместе с тем все известные научные работы, главным образом, основаны на разработке фундаментальных принципов систематизации (классификации) законов техники и в них либо отсутствует прикладная составляющая – конкретные методы, с помощью которых обеспечивается требуемые систематизация и каталогизация научных знаний, либо разработанные методы имеют весьма ограниченное применение.
В данной работе предложен новый метод систематизации знаний, основанный на числовом кодировании символов и знаков, составляющих формулы, который не имеет перечисленных выше недостатков и который позволяет автоматизировать процесс каталогизации, поиска и идентификации научной информации, представленной в виде физических формул различной структуры [8]. Основные положения метода изложены автором в работе [10].
Статистические исследования – сбор, сводка и анализ данных, проведенные автором по ряду основополагающих источников по данной теме [5,6,7], позволили установить основные виды символов и индексов (таблиц 2 а, б, в), используемые в физике (в том числе, в физической химии) при написании различного вида формул и определить места (позиции) их структурного расположения в этих формулах.
Результатом таких исследований стала разработка автором универсальной матрицы числового кодирования и декодирования формул (рис. 1 а, б), с помощью которой стало возможным перевести практически любую физическую формулу в числовую форму и, наоборот, из числовой формы в традиционную формулу [8].
а
|
|
|
|
|
|
|
12 |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
2 |
3 |
5 |
6 |
9 |
|
14 |
19 |
|
|
|
1 |
|
|
8 |
10 |
|
18 |
r |
|
|
4 |
|
7 |
|
|
16 |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
б
Рис. 1. Универсальная матрица числового кодирования а и декодирования б физических формул
{G} – физическая группа, к которой относится формула (табл. 1) [9]; 1-20 позиции, на которых расположены символы (знаки) или коды, составляющие отдельный блок кодируемой (декодируемой) формулы; r – индекс (команда) повторения процесса кодирования (декодирования) для последующего блока формулы по позициям 1-20; z – индекс (команда) переноса кодирования формулы с новой строки (для записи систем уравнений или матриц); (D) – индекс - сноска на адрес размерности закономерности, которую можно определить по таблице автора [9], для безразмерных физико-химических формул устанавливают индекс (d); [I] – индекс информации - общие сведения о формуле, ее порядковый номер Ni (наименование формулы и источник информации) (таблица 3б).
Позиции 1-20 в универсальной матрице (рис. 1) имеют следующие предназначения: 1 – позиция начального индекса, на ней располагают математические функции, постоянные числа, знак минус, открывающиеся скобки и знаки; 2 – позиция верхнего индекса, на ней располагают символы математических функций, постоянных чисел, скобок или знаков; 3 – позиция над начальным индексом, на ней располагают различные знаки и символы; 4 – позиция под начальным индексом, на ней располагают различные знаки и символы; 5 – позиция, на которой располагают символ степени математической функции или постоянного числа; 6 – позиция, на которой располагают верхние индексы перед основным символом блока формулы (например, массовое число атомного ядра); 7 - позиция, на которой располагают нижние индексы перед основной символом (например, зарядовое число атомного ядра); 8 - позиция основного символа или предстоящего символа в матрице (например, в пероксиде рН предстоящим символом является р, а основным символом Н); 9 – позиция над основным символом; 10 – позиция, на которой располагают второй основной символ или строчные буквы основного символа (например, величина Re – число Рейнольдса, где е является строчной буквой основного символа R); 11 – позиция верхнего индекса основного символа, на которой располагают различные знаки (например, стрелки, обозначающие вектор, верхнее подчеркивание, обозначающее среднее значение и пр.); 12 – позиция над верхним индексом основного символа; 13 – позиция степенного значения верхнего индекса основного символа; 14 – позиция под верхним индексом основного символа; 15 – позиция нижнего индекса основного символа; 16 – позиция над нижним индексом основного символа; 17 – позиция под нижним индексом основного символа; 18 –позиция конечного индекса, на которой располагают: математические знаки, закрывающиеся скобки и ряд других знаков и символов; 19 – позиция над конечным индексом; 20 – позиция под конечным индексом.
Последовательность операций числового кодирования физических формул с помощью универсальной матрицы схематично показана на рисунке 2.
Рис. 2. Последовательность числового кодирования формулы
Как следует из представленного выше материала, ряд символов и знаков имеют определенную принадлежность к тем или иным позициям формулы. Так, на позиции 1 располагают преимущественно математические функции и первые части парных знаков (открывающиеся скобки различного типа), на позициях 8 и 10 основные буквенные символы формул, а на позиции 18 математические знаки и вторые части парных знаков (закрывающиеся скобки). Такая логика расположения повлияла на порядок расстановки символов и знаков в таблице 2 (а, б, в) и, соответственно, на присвоенные им числовые коды. Данный логический порядок расположения символов позволил оптимизировать процесс кодирования за счет минимизации операций кодирования формул и сокращения затрат времени на их кодирование.
Поскольку каждая физическая формула состоит из набора различных символов и знаков, то их кодирование производят поэтапно, по отдельным блокам. Причем кодируемая формула может состоять от 2÷3 до нескольких десятков блоков, а каждый блок из 20 позиций. Например, формула второго закона Ньютона (Пример 1) состоит из трех основных символов - физических величин F, a, m, поэтому в процессе кодирования ее условно «разбивают» на три отдельных блока, а формула постоянной Авогадро состоит из одного основного символа - величины NA и одного числового значения 6,022140857×1023, которое не является символом, но которое также требует «разбивки» по блокам, причем перед каждым нисходящим значением цифр в числе (Пример 2).
Примеры числового кодирования формул.
Пример 1. Второй закон Ньютона.
1.1. Традиционная форма записи закона:
1.2. Кодированная запись закона:
где, {I} – номер группы физической величины (механические и пространственно-временные величины) (таблица 1); верхние значения обозначают числа кодов 79, 247, 230, 70, 247, 231, 94, которые соответствуют символам: F, ®, =, a, ®, ×, m (таблица 2), а нижние значения номера позиций, на которых они расположены (рис. 1); r – индекс (команда) повторения кодирования для последующих блоков по позициям 8, 9 и 18. Числовое значение в скобках (9-6) указывает на размерность величины F, которую находят в специализированной таблице автора [9] по координатам, где первая цифра 9 обозначает номер строки, а вторая цифра 6 (через дефис) номер столбца таблицы; Ni – порядковый номер записи сведений о формуле (порядковый номер принимают по первым 4 значениям кодов формулы, таблица 3 б).
Пример 2. Постоянная Авогадро.
2.1. Традиционная форма записи значения:
2.2. Кодированная запись значения:
где, {II} – номер группы физической величины (физико-химические, теплофизические и температурные величины) (таблица 1); верхние значения обозначают числа кодов 95, 69 и 230 и др., которые соответствуют символам: N, A, =, и др. (таблица 2), а нижние номера позиций, на которых они расположены (рис. 1). Числовое значение в скобках (17-25) указывает на координаты ячейки таблицы автора [9], в которой расположена величина NA и где указана ее размерность, где цифра 17 обозначает номер строки, а цифра 25 номер столбца таблицы.
Пример 3. Образование полипептидной цепи с заданной последовательностью аминокислотных остатков.
3.1. Традиционная форма записи формулы:
3.2. Кодированная запись формулы:
где, {II} – номер группы физической величины (физико-химические, теплофизические и температурные величины) (таблица 1); верхние значения обозначают числа кодов 95, 83, 270 и др., которые соответствуют символам: N, Н, + и др. (таблица 2), а нижние номера позиций, на которых они расположены (рис. 1). Буквенный индекс, заключенный в скобках (d), указывает на отсутствие размерности данной формулы.
С целью упрощения процесса кодирования некоторые математические функции и значения формул требуют записи в преобразованном виде. Так, значение под знаком радикала mÖnk записывают в виде nk/m, а показательную функцию е как exp.
Пример 4. Структурный фактор рассеяния с индексами h, k, l.
4.1. Традиционная и преобразованная формы записи формулы:
4.2. Кодированная запись формулы:
где, {III} – номер группы физической величины (световые, акустические, ионизирующие и ядерные величины) (таблица 1); верхние значения обозначают числа кодов 79, 15, 84 и др., которые соответствуют символам: F, (, h и др. (таблица 2), а нижние номера позиций, на которых они расположены (рис. 1). Числовое значение в скобках (32-25) указывает на координаты ячейки таблицы автора [9], в которой расположена величина F и где указана ее размерность, где цифра 32 обозначает номер строки, а цифра 25 номер столбца таблицы.
Представленные примеры 1-4 показывают, что кодирование формул выполняют последовательно по позициям, соблюдая правило возрастания числовых значений кодов. То есть, на одной и той же позиции последующие коды должны иметь большее числовое значение, чем предыдущие. Однако, из-за большого количества символов и знаков в формулах, такая последовательность может соблюдаться только при кодировании их некоторой части. Поэтому в матрицу был введен символ – команда r, которая делит формулы на последовательные блоки и возвращает процесс кодирования на исходную позицию 1 (рис. 2), что позволяет соблюдать это правило при дальнейшем кодировании. Придерживаться данного правила необходимо также для обеспечения систематизации формул в каталогах, основанной на иерархии цифр кодов, а также для автоматизации процесса каталогизации, которая станет возможным после перевода числовых кодов в двоичную систему счисления и написания соответствующей программы для их кодирования (декодирования).
По окончании кодирования формулу заносят в единый системный каталог кодированных физических закономерностей (на специально созданный сервер), проект которого показан в таблице 3а. Причем место в каталоге для той или иной кодированной формулы определяют простым порядком цифр в ее числе кодов и в номерах уровней. Таким образом, систематизация закономерностей будет носить числовой характер, основанный на иерархической последовательности цифр в их кодах, а их достоверность будет обосновываться общепризнанными источниками информации о них, занесенными в алфавитный каталог (таблица 3 б).
Декодирование формул, содержащихся в каталоге (таблица 3 а, б), выполняют в обратном порядке с использованием матрицы декодирования (рис. 1 б). Где по кодам и номерам позиций, содержащихся в базе (таблица 2 а, б, в), распознают символы и знаки, и места их структурного расположения, и также поэтапно, по блокам, в ячейки позиций 1-20 заносят все необходимые символы и знаки, и получают традиционную форму записи формулы.
Декодирование кодированной формулы второго закона Ньютона (пример 1.2) показано на рисунке 3.
|
|
|
|
|
|
|
12 |
13 |
r |
|
|
|
|
|
|
12 |
13 |
r |
|
|
|
|
|
|
12 |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
||
|
2 |
3 |
5 |
6 |
® |
|
14 |
19 |
2 |
3 |
5 |
6 |
® |
|
14 |
19 |
2 |
3 |
5 |
6 |
9 |
|
14 |
19 |
||
|
|
1 |
|
|
F |
10 |
|
= |
|
1 |
|
|
a |
10 |
|
· |
|
1 |
|
|
m |
10 |
|
18 |
||
|
|
4 |
|
7 |
|
|
16 |
20 |
|
4 |
|
7 |
|
|
16 |
20 |
|
4 |
|
7 |
|
|
16 |
20 |
||
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
Рис. 3. Декодирование формулы второго закона Ньютона
1-20 номера позиций матрицы; индекс r - делитель формулы на блоки; символы и знаки F, ®, =, a, ®, ×, m, установленные соответственно на позициях 8, 9, 18 в первом блоке, на позициях 8, 9 во втором блоке и на позиции 8 в третьем блоке.
Метод числового кодирования формул по своим свойствам является некоторым аналогом известных компьютерных программ кодирования OЕM, ANSI и Unicode, однако он призван решать иную научно-техническую задачу – систематизацию и каталогизацию научных знаний и поэтому, в отличие от них, оснащен физико-математическими символами и знаками со специальным логическим их расположением в базе (таблица 2 а, б, в), снабжен функциями кодирования многоуровневых формул (систем уравнений, матриц) и систематическим каталогом, что позволяет кодировать и хранить формулы практически любой сложности, а также декодировать их и придавать им прежнюю традиционную форму записи.
Выводы
1. Систематизация законов физики методом числового кодирования обеспечит их единство и достоверность в этой области научных знаний.
2. Метод отличается прикладной направленностью и обладает необходимыми свойствами для их автоматизации.
3. Матрица кодирования является универсальной, с ее помощью становится возможным кодирование и декодирование разнообразных физических формул, имеющих структуру различной сложности.
4. Процесс кодирования не сложен в применении, он не требует специальных знаний и вникания в физический смысл кодируемых формул.
5. Метод позволит облегчить поиск и идентификацию научных знаний и исключить повторения (дублирование) одних и тех же закономерностей или их написания различными формулами.
6. Принцип построения физической матрицы, особенности ее пространственной конструкции и специальное логическое формирование базы кодов символов и знаков, позволяют их использовать для создания подобных матриц для кодирования и систематизации химических и математических формул практически любой структурной сложности.
.
Группы физических величин [9]
Таблица 1
|
Группы (индекс G) |
Наименование группы физических величин |
|
I |
Механические и пространственно-временные |
|
II |
Физико-химические, теплофизические и температурные |
|
III |
Световые, акустические ионизирующие и ядерные |
|
IV |
Электрические и магнитные |
Коды обозначений знаков и символов
Таблица 2а
ЛИТЕРАТУРА
.
1. Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и их применения. ВАТТ «Эвристика». –М.: Ин-т «Информэлектро», 1991. - 104 с.
2. Rene Dugas. A History of Mechanics. Dover Publications in New-York, 1988. p. 662.
3. Олейник П.П., Игумнов Е.А., Свечкарёв Е.А. Критерий оптимальности информационной системы каталогизирования научных работ. Ж. «Объектные системы», №1(1). 2010. С.25-29.
4. Дятчин Н.И. Классификация и систематизация законов техники. Ж. «Ползуновский Альманах», №2. 2011. С. 22-27.
5. Физическая энциклопедия. Гл. редактор акад. А.М. Прохоров. Изд. «Российская энциклопедия». 1988-1999, том 1-5. Электронная версия «Физической энциклопедии». http://femto.com.ua/index1.html
6. I.Mills, T.Cvitas, K.Homann, N.Kallay, K.Kuchitsu. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry.// Second edition. - (IUPAC).- Blackwell science. 1993.
7. В.Э. Фигурнов. IBM PC для пользователя. М.: ИНФРА-М, 1999.—480 с.
8. Бессонов Е.А. Матрица числового кодирования физических закономерностей. Электронный периодический научный журнал “SCI-ARTICLE.RU”./ Физика / 05 августа 2016. http://sci-article.ru
9. Е.А. Бессонов. Специализированная таблица физических величин СИ. https://cloud.mail.ru/public/ETNB/kvwdqnSxk
10. Бессонов Е.А. MATRIX NUMERIC ENCODING OF PHYSICAL REGULARITIES. Авторская интернет-страница: http://system-units-si.ru.gg/