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通信祖师爷——香农和他的《信息论
发表时间: 2024-10-05
,顾名思义是研究“信息”的理论。那么信息到底是什么?信息到底有多重要?让我们听听“
投身信息产业的怀抱快三十年了,我有时也在想:信息何以会具备如此强大的力量?它的力量来自什么地方?我们又该如何驾驭这一力量?在这三十年间,信息极大地释放了人类的能量,它所创造的价值超过了之前五千年的财富总和,但“信息”依然是个大家耳熟能详却又含义模糊的词。
信息是人的镜子,它在技术更新与模式兴替中展现出变化万端的色彩。但我们回视人的心灵,却发现它在千百年来并没有太多的变化。“科技的互联网”不能描述信息的全部,信息只有作用于思维,才能显示出强大的力量。
虽然信息这个词汇在日常生活中无处不在,但要说清楚信息是什么,却并不容易。
我们会发现,信息似乎是我们司空见惯的概念,好像直观理解起来并没什么障碍,但要准确描述信息是什么却非常困难。
而香农信息论的伟大贡献就在于,可以用数学公式严格定义信息的量,反映了信息表达形式在统计方面的性质。
1924年 Nyquist:给出了给定带宽的电报信道上间串扰的最大可用信号速率;
1928年 Hartley:在带限信道中当最大信号幅度Amax,幅度失真为Ad的条件下存在一个可靠通信的最大数据速率;
这一年,贝尔实验室对外宣布,他们研发出来了一种全新的小型电子半导体器件。据说,这是一种“出奇简单的设备”,能够实现任何真空管能完成的工作,而且效率更加高,体积更小,更容易集成,小到巴掌大面积的设备里也能容纳数百个。
transistor,由transconductance(跨导)和varistor(压敏电阻)两个单词合并而成)脱颖而出,成为了这个新型半导体器件的正式名称,沿用至今。
而晶体管的发明者,肖克利,巴丁和布拉顿三人也荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。可以说,半导体技术是贝尔实验室的最重要的一项发现。
但是,如何我们再看看1948年还出现了什么重要进展,就会发现晶体管或许只能屈居次席,因为它只是这场电子行业革命的硬件部分。
《通信的数学理论》(A mathematical theoryof communication),这篇半个多世纪前的文章于2001年再次发表,今天还能在谷歌学术里找到,引用次数高达81685次。
信息熵 [shāng]来定量衡量信息的大小。我们先设随机事件发生的不确定性为发生概率pi的函数f(pi),该函数具有如下三条性质:
3)可加性:多随机事件同时发生存在的总不确定性的度量,可以表示为各时间不确定性度量的和。例:
密码系统中对消息的加密变换的作用类似于向信息中存在的噪声。密文就等于经过有扰信道得到的接收消息,密码分析员相当于有扰信道下原接收者。
密钥,其目的是己方可方便地除去发端所加的强干扰,从密文中恢复出原来的信息,而使敌方难于从截获的密报中提取出有用信息。
Intelligence一词,这个单词有着悠久的历史,语义丰富。托马斯·艾利奥特爵士在16世纪写道:“现在intelligence作为一个文雅的说法,用来表示通过相互交换信件或者口信达成协议或者约定”。
information一词。他们用这个词来表达一些技术性的概念,如信息的数量、信息的测量等。而香农作为贝尔实验室的一员,在信息论中也采用了information这个词。自此,information渐渐成为了主流。
这两个貌似毫不相干的东西,结合成了一对不同寻常的组合,擦出了巧妙的火花。这篇文章也被誉为上个世纪最重要的硕士论文。
在香农对信息的概念加以简化,并用bit作为量纲衡量后,人们发现信息几乎无处不在。
今天看来,马歇尔的这一预言毫无疑问的走在了时代的前面。现如今,我们已可以清晰地认识到,信息是我们这样一个世界运行所必须的血液和生命力。信息的概念已经远不止局限在通信行业,早已渗透到了各个科学领域,改变着每个学科的面貌。
因为香农信息论最初解决的两个问题都属于通信学科,而且加上信息论的奠基论文——《通信的数学理论》中又重点强调了通信,所以会产生一些误解,那就是有人会认为信息论仅仅是通信学科的一个组成部分,但是信息论涵盖的领域远不止于此。如上图所示,信息论在统计物理(热力学)、计算机科学(科尔莫戈罗夫复杂度)、推断统计(奥卡姆剃刀)以及概率和统计等学科方向中都有奠基性的贡献。
香农虽已于2001年辞世,但正如信息论学科的著名学者,Richard Blahut教授在香农的儿童时代的老家,密歇根州的Gaylord镇举行香农塑像的落成典礼上所说的,香农所留给人类的思想会永远留在人们的脑海中,激励我们的子孙们。
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