Кто такой Клод Шеннон и чем он занимался, Вы узнаете из этой статьи.
(годы жизни: 20 апреля 1916 – 24 февраля 2001) – это выдающийся американский ученый, который является создателем теории информации . Будучи молодым, ученый увлеченно конструировал различные автоматические и механические устройства, собирал модели самолетов и радиотехнические цепи. Он имеет много научных ступеней: бакалавр математики и электротехники, доктор наук по математики, магистр в электротехнике.
Достижения Клода Шеннона определили будущее информационного пространства. Он разработал фундаментальные законы передачи информации и теорию информации, которая складывалась с 6 концептуальных теорем:
Кроме этого, ученый создал в 1950 году мышку робота с зачатками искусственного интеллекта . Она могла ходить в лабиринте и находить выход.
Именно Шеннон в 1948 году предложил использовать слово «бит» для обозначения наименьшей единицы информации.
Кроме того, понятие энтропии было важной особенностью теории Шеннона. Он продемонстрировал, что введённая им энтропия эквивалентна мере неопределённости информации в передаваемом сообщении. Статьи Шеннона «Математическая теория связи» и «Теория связи в секретных системах» считаются основополагающими для теории информации и криптографии.
Клод Шеннон был одним из первых, кто подошёл к криптографии с научной точки зрения , он первым сформулировал её теоретические основы и ввёл в рассмотрение многие основные понятия. Шеннон внёс ключевой вклад в теорию вероятностных схем, теорию игр, теорию автоматов и теорию систем управления - области наук, входящие в понятие «кибернетика».
Также он оставил по себе богатое философское и прикладное наследие. Клод Шеннон создал общую теорию устройств вычислительной техники и дискретной автоматики, технологию эффективного использования канальной среды. Все современные архиваторы, которые используются в мире компьютера, функционируют благодаря теореме ученого про эффективное кодирование.
Что касается философского наследия, то ему принадлежит две идеи:
Надеемся, прочтя эту статью, Вы узнали, что сделал Клод Шеннон для развития информационной науки.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Сыктывкарский Государственный Университет
Факультет управления
Теория информации Клода Шеннона
Руководитель: Болотов С.П
Исполнитель: Панева Я.В,
411 группа
Сыктывкар 2010
Введение
Теория информации
Заключение
Список литературы
Введение
Клод Элвуд Шеннон (Shannon) (1916 -- 2001) -- американский инженер и математик. Человек, которого называют отцом современных теорий информации и связи.
Осенним днем 1989 года корреспондент журнала "Scientific American" вошел в старинный дом с видом на озеро к северу от Бостона. Но встретивший его хозяин, 73-летний стройный старик с пышной седой гривой и озорной улыбкой, совсем не желал вспоминать "дела давно минувших дней" и обсуждать свои научные открытия 30-50-летней давности. Быть может, гость лучше посмотрит его игрушки?
Не дожидаясь ответа и не слушая увещеваний жены Бетти, хозяин увлек изумленного журналиста в соседнюю комнату, где с гордостью 10-летнего мальчишки продемонстрировал свои сокровища: семь шахматных машин, цирковой шест с пружиной и бензиновым двигателем, складной нож с сотней лезвий, двухместный одноколесный велосипед, жонглирующий манекен, а также компьютер, вычисляющий в римской системе счисления. И не беда, что многие из этих творений хозяина давно сломаны и порядком запылены, -- он счастлив. Кто этот старик? Неужели это он, будучи еще молодым инженером Bell Laboratories, написал в 1948 году "Великую хартию" информационной эры -- "Математическую теорию связи"? Его ли труд назвали "величайшей работой в анналах технической мысли"? Его ли интуицию первооткрывателя сравнивали с гением Эйнштейна? Да, это все о нем. И он же в тех же 40-х годах конструировал летающий диск на ракетном двигателе и катался, одновременно жонглируя, на одноколесном велосипеде по коридорам Bell Labs. Это Клод Элвуд Шеннон, отец кибернетики и теории информации, гордо заявивший: "Я всегда следовал своим интересам, не думая ни о том, во что они мне обойдутся, ни об их ценности для мира. Я потратил уйму времени на совершенно бесполезные вещи."
Теория информации
В 1941 году 25-летний Клод Шеннон поступил на работу в Bell Laboratories. В годы войны он занимался разработкой криптографических систем, и позже это помогло ему открыть методы кодирования с коррекцией ошибок. А в свободное время он начал развивать идеи, которые потом вылились в теорию информации. Исходная цель Шеннона заключалась в улучшении передачи информации по телеграфному или телефонному каналу, находящемуся под воздействием электрических шумов. Он быстро пришел к выводу, что наилучшее решение проблемы заключается в более эффективной упаковке информации.
Но что же такое информация? Чем измерять ее количество? Шеннону пришлось ответить на эти вопросы еще до того, как он приступил к исследованиям пропускной способности каналов связи. В своих работах 1948-49 годов он определил количество информации через энтропию -- величину, известную в термодинамике и статистической физике как мера разупорядоченности системы, а за единицу информации принял то, что впоследствии окрестили "битом", то есть выбор одного из двух равновероятных вариантов. Позже Шеннон любил рассказывать, что использовать энтропию ему посоветовал знаменитый математик Джон фон Нейман, который мотивировал свой совет тем, что мало кто из математиков и инженеров знает об энтропии, и это обеспечит Шеннону большое преимущество в неизбежных спорах. Шутка это или нет, но как трудно нам теперь представить, что всего полвека назад понятие "количество информации" еще нуждалось в строгом определении и что это определение могло вызвать какие-то споры.
На прочном фундаменте своего определения количества информации Клод Шеннон доказал удивительную теорему о пропускной способности зашумленных каналов связи. Во всей полноте эта теорема была опубликована в его работах 1957-61 годов и теперь носит его имя. В чем суть теоремы Шеннона? Всякий зашумленный канал связи характеризуется своей предельной скоростью передачи информации, называемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Зато снизу к этому пределу можно подойти сколь угодно близко, обеспечивая соответствующим кодированием информации сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала.
Эти идеи Шеннона оказались слишком провидческими и не смогли найти себе применения в годы медленной ламповой электроники. Но в наше время высокоскоростных микросхем они работают повсюду, где хранится, обрабатывается и передается информация: в компьютере и лазерном диске, в факсимильном аппарате и межпланетной станции. Мы не замечаем теорему Шеннона, как не замечаем воздух.
В основу теории информации положен предложенный К.Шенноном метод исчислений количества новой (непредсказуемой) и избыточной (предсказуемой) информации, содержащейся в сообщениях, передаваемых по каналам технической связи.
Предложенный Шенноном метод измерения количества информации оказался настолько универсальным, что его применение не ограничивается теперь узкими рамками чисто технических приложений.
Вопреки мнению самого К.Шеннона, предостерегавшего ученых против поспешного распространения предложенного им метода за пределы прикладных задач техники связи, этот метод стал находить все более широкое примение в исследованиях и физических, и биологических, и социальных систем.
Ключом к новому пониманию сущности феномена информации и механизма информационных процессов послужила установленная Л.Бриллюэном взаимосвязь информации и физической энтропии. Эта взаимосвязь была первоначально заложена в самый фундамент теории информации, поскольку для исчисления количества информации Шеннон предложил использовать заимствованную из статистической термодинамики вероятную функцию энтропии.
Многие ученые (начиная с самого К.Шеннона) склонны были рассматривать такое заимствование как чисто формальный прием. Л.Бриллюэн показал, что между вычисленным согласно Шеннону количеством информации и физической энтропии существует не формальная, а содержательная связь.
В статистической физике с помощью вероятностной функции энтропии исследуются процессы, приводящие к термодинамическому равновесию, при котором все состояния молекул (их энергии, скорости) приближаются к равновероятным, а энтропия при этом стремится к максимальной величине.
Благодаря теории информации стало очевидно, что с помощью той же самой функции можно исследовать и такие далекие от состояния максимальной энтропии системы, как, например, письменный текст.
Еще один важный вывод заключается в том, что с помощью вероятностной функции энтропии можно анализировать все стадии перехода системы от состояния полного хаоса, которому соответствуют равные значения вероятностей и максимальное значение энтропии, к состоянию предельной упорядоченности (жесткой детерминации), которому соответствует единственно возможное состояние ее элементов.
Данный вывод оказывается в равной мере справедливым для таких несходных по своей природе систем, как газы, кристаллы, письменные тексты, биологические организмы или сообщества и др.
При этом, если для газа или кристалла при вычислении энтропии сравнивается только микросостояние (т.е. состояние атомов и молекул) и макросостояние этих систем (т.е. газа или кристалла как целого), то для систем иной природы (биологических, интеллектуальных, социальных) вычисление энтропии может производится на том или ином произвольно выбранном уровне. При этом вычисляемое значение энтропии рассматриваемой системы и количество информации, характеризующей степень упорядоченности данной системы и равное разности между максимальным и реальным значением энтропии, будет зависеть от распределения вероятности состояний элементов нижележащего уровня, т.е. тех элементов, которые в своей совокупности образуют эти системы.
Количество сохраняемой в структуре системы информации пропорционально степени отклонения системы от состояния равновесия, обусловленного сохраняемым в структуре системы порядком.
Сам того не подозревая, Шеннон вооружил науку универсальной мерой, пригодной в принципе (при условии выявления значенй всех вероятностей) для оценки степени упорядоченности всех существующих в мире систем.
Определив введенную Шеноном информационную меру как меру упорядоченности движения, можно установить взаимосвязь информации и энергии, считая энергию мерой интенсивности движения. При этом количество сохраняемой в структуре систем информации пропорционально суммарной энергии внутренних связей этих систем.
Одновременно с выявлением общих свойств информации как феномена обнаруживаются и принципиальные различия относящихся к различным уровням сложности информационных систем.
Так, например, все физические объекты, в отличие от биологических, не обладают специальными органами памяти, перекодировки поступающих из внешнего мира сигналов, информационными каналами связи. Хранимая в них информация как бы "размазана" по всей их структуре. Вместе с тем, если бы кристаллы не способны были сохранять информацию в определяющих их упорядоченность внутренних связях, не было бы возможности создавать искусственную память и предназначенные для обработки информации технические устройства на основе кристаллических структур.
Вместе с тем необходимо учитывать, что создание подобных устройств стало возможным лишь благодаря разуму человека, сумевшего использовать элементарные информационные свойства кристаллов для построения сложных информационных систем.
Простейшая биологическая система превосходит по своей сложности самую совершенную из созданных человеком информационных систем. Уже на уровне простейших одноклеточных организмов задействован необходимый для их размножения сложнейший информационный генетический механизм. В многоклеточных организмах помимо информационной системы наследственности действуют специализированные органы хранения информации и ее обработки (например, системы, осуществляющие перекодирование поступающих из внешнего мира зрительных и слуховых сигналов перед отправкой их в головной мозг, системы обработки этих сигналов в головном мозге). Сложнейшая сеть информационных коммуникаций (нервная система) пронизывает и превращает в целое весь многоклеточный организм.
Уже на уровне биологических систем возникают проблемы учета ценности и смысла используемой этими системами информации. Еще в большей мере такой учет необходим для анализа функционирования интеллектуальных информационных систем.
Глубокое осознание специфики биологических и интеллектуальных систем позволяет выявить те границы, за пределами которых утрачивает свою компетентность разработанный современной наукой информационно-энтропийный подход.
Определить эти границы Шеннону пришлось на самом начальном этапе создания теории информации, поскольку без этого нельзя было использовать количественную меру информации для оценки письменных текстов и других созданных разумом человека информационных систем. Именно с этой целью Шеннон делает оговорку о том, что предложенный им метод исчисления информации письменных текстов игнорирует такие же их неотъемлемые свойства, как смысл и ценность содержащихся в них сообщений.
Так, например, при подсчете количества информации, содержащейся в таких двух сообщениях, как "очередную партию Каспаров играет белыми" и "у гражданина Белова родился сын" получится одна и та же величина - 1 бит. Нет сомнения, что два этих сообщения несут разный смысл и имеют далеко не равнозначную ценность для гражданина Белова. Однако, как было отмечено выше, оценка смысла и ценности информации находится за пределами компетенции теории информации и поэтому не влияет на подсчитываемое с помощью формулы Шеннона количество бит.
Игнорирование смысла и ценности информации не помешало Шеннону решать прикладные задачи, для которых предназначалась первоначально его теория: инженеру по технике связи вовсе не обязательно вникать в суть сообщений, передаваемых по линии связи. Его задача заключается в том, чтобы любое подобное сообщение передавать как можно скорее, с наименьшими затратами средств (энергии, диапазона используемых частот) и, по возможности, безо всяких потерь. И пусть тот, кому предназначена данная информация (получатель сообщений), вникает в смысл, определяет ценность, решает, как использовать ту информацию, которую он получил.
Такой сугубо прагматичный подход позволил Шеннону ввести единую, не зависящую от смысла и ценности, меру количества информации, которая оказалась пригодной для анализа всех обладающих той или иной степенью упорядоченности систем.
После основополагающих работ Шеннона начали разрабатываться основы смысловой (семантической) и ценностной (прагматической, аксиологической) информационных теорий.
Однако ни одной из этих теорий и предлагаемых их авторами единиц измерения ценности или смысла не суждено было приобрести такую же степень универсальности, какой обладает мера, которую ввел в науку Шеннон.
Дело в том, что количественные оценки смысла и ценности информации могут производится только после предварительного соглашения о том, что же именно в каждом конкретном случае имеет для рассматриваемых явлений ценность и смысл. Нельзя одними и теми же единицами измерить ценность информации, содержащейся, скажем, в законе Ома и в признании любви. Иными словами, критерии смысла и ценности всегда субъективны, а потому применимость их ограничена, в то время как мера, предложенная Шенноном, полностью исключает субъективизм при оценке степени упорядоченности структуры исследуемых систем.
Так что же характеризует подсчитанная по формуле Шеннона величина энтропии текста, выражаемая количеством бит? Только лишь одно свойство этого текста - степень его упорядоченности или, иными словами, степень его отклонения от состояния полного хаоса, при котором все буквы имели бы равную вероятность, а текст превратился бы в бессмысленный набор букв.
Упорядоченность текста (или любой другой исследуемой системы) будет тем больше, чем больше различие вероятностей и чем больше вероятность последующего события будет зависеть от вероятностей предыдущих событий.
Согласно негэнтропийному принципу информации количество информации, выражающее этот порядок, будет равно уменьшению энтропии системы по сравнению с максимально возможной величиной энтропии, соответствующей отсутствию упорядоченности и наиболее хаотичному состоянию систем.
Методы исчисления информации, предложенные Шенноном, позволяют выявить соотношение количества предсказуемой (то есть формируемой по определенным правилам) информации и количества той неожиданной информации, которую нельзя заранее предсказать.
Таким способом удается в той или иной степени "разгрузить" предназначенный для передачи сообщений канал. Проведенный Шенноном анализ английских текстов показал, что содержащаяся в них избыточная информация составляет около 80% от общего количества информации, которое заключает в себе письменный текст. Остальные 20% - это та самая энтропия, благодаря которой текст может служить источником непредсказуемой энергии .
Если бы текстовые, устные или зрительные (в частности телевизионные) сообщения были полностью лишены энтропии, они не приносили бы получателям сообщений никаких новостей.
Если бы письменный текст строился только на основании заранее сформулированных правил, то, установив эти правила по тексту первой страницы, можно было бы заранее предсказать, что будет написано на страницах 50, 265, 521 и т.д.
Заключение
шеннон информация канал связь
Но с начала 60-х годов Шеннон не сделал в теории информации практически больше ничего. Это выглядело так, как будто ему всего за 20 лет надоела созданная им же теория. В 1985 году Клод Шеннон и его жена Бетти неожиданно посетили Международный симпозиум по теории информации в английском городе Брайтоне. Почти целое поколение Шеннон не появлялся на конференциях, и поначалу его никто не узнал. Затем участники симпозиума начали перешептываться: вон тот скромный седой джентльмен -- это Клод Элвуд Шеннон, тот самый! На банкете Шеннон сказал несколько слов, немного пожонглировал тремя (увы, только тремя) мячиками, а затем подписал сотни автографов ошеломленным инженерам и ученым, выстроившимся в длиннейшую очередь. Стоящие в очереди говорили, что испытывают такие же чувства, какие испытали бы физики, явись на их конференцию сам сэр Исаак Ньютон.
Клод Шеннон скончался в 2001 году в массачусетском доме для престарелых от болезни Альцгеймера на 84 году жизни.
Список литературы
1. Интернет
2. Шеннон К.Е. Математическая теория связи. Работы по теории информации и кибернетике., М, 1963.
3. Шеннон К. Е. Бандвагон. /Работы по теории информации и кибернетике/М.1963.
Размещено на Allbest.ru
Общее число неповторяющихся сообщений. Вычисление скорости передачи информации и пропускной способности каналов связи. Определение избыточности сообщений и оптимальное кодирование. Процедура построения оптимального кода по методике Шеннона-Фано.
курсовая работа , добавлен 17.04.2009
Общая схема действия каналов связи, их классификация и характеристика. Дискретный, бинарный канал связи и определение их пропускной способности, особенности действия с помехами и без них по теореме Шеннона. Пропускная способность непрерывного канала.
реферат , добавлен 14.07.2009
Предмет и задачи теории информации, ее функции при создании АСУ. Определение пропускной способности дискретных (цифровых) каналов при отсутствии шумов. Расчет скорости передачи информации. Вычисление значения энтропии - среднего количества информации.
контрольная работа , добавлен 18.01.2015
Вычисление количества информации, приходящейся на один символ по формуле Шеннона. Изменения информационной энтропии в текстах экономического, естественнонаучного и литературного содержания. Максимальное количество информации на знак по формуле Хартли.
лабораторная работа , добавлен 06.12.2013
презентация , добавлен 19.10.2014
Обработка информации, анализ каналов ее возможной утечки. Построение системы технической защиты информации: блокирование каналов несанкционированного доступа, нормативное регулирование. Защита конфиденциальной информации на АРМ на базе автономных ПЭВМ.
дипломная работа , добавлен 05.06.2011
Изучение алгоритмов допускового контроля достоверности исходной информации, с помощью которых выявляются полные и частичные отказы информационно-измерительных каналов. Определение погрешности выполнения уравнения связи между количествами информации.
лабораторная работа , добавлен 14.04.2012
Определение среднего количества информации. Зависимость между символами матрицы условных вероятностей. Кодирование методом Шеннона–Фано. Пропускная способность канала связи. Эффективность кодирования сообщений методом Д. Хаффмана, характеристика кода.
контрольная работа , добавлен 04.05.2015
Анализ источников опасных сигналов и определение потенциальных технических каналов утечки информации и несанкционированного доступа. Организационные и технические методы защиты информации в выделенном помещении, применяемое инженерное оборудование.
курсовая работа , добавлен 18.11.2015
Количество информации и ее мера. Определение количества информации, содержащегося в сообщении из ансамбля сообщений источника. Свойства количества информации и энтропии сообщений. Избыточность, информационная характеристика источника дискретных сообщений.
Клод Элвуд Шеннон (30 апреля 1916 — 24 февраля 2001) — американский математик, инженер-электрик, и криптограф, известный как «отец теории информации».
Шеннон известен, за написание основ теории информации, Математической Теории связи, которые он опубликовал в 1948 году. В 21 год будучи магистром в Массачусетском технологическом институте (МТИ) , он писал диссертацию, доказывая, что электрическим применением Булевой алгебры можно строить любые логические, числовые отношения. Клод Элвуд Шеннон внес большой вклад в область криптоанализа для национальной обороны во время Второй Мировой Войны, включая его основные работы по codebreaking и надежности телекоммуникаций.
В 1950 году Шеннон опубликовал статью о компьютерных шахматах под названием «Программирование компьютера для игры в шахматы». Он описывает, как машина или компьютер могут быть запрограммированы, чтобы играть в логические игры, в шахматы. За процессом хода компьютера отвечают так называемые минимаксные процедуры, на основе оценки функции заданной шахматной позиции. Шеннон привел грубый пример оценки функции, в котором значение черной позиции была вычтена из белой позиции. Значения были посчитаны по оценке обычной шахматной фигуры (1 балл за пешку, 3 очка за рыцаря или епископа, 5 баллов за ладью, и 9 баллов за королеву). Он рассмотрел некоторые позиционные факторы, вычитая 0,5 балла за каждую сдвоенную пешку, отсталые и изолированные пешки и добавляя 0,1 балл за каждый хороший ход. Цитата из документа:
«Коэффициенты 0.5 и 0.1 это лишь грубая оценка писателя. Кроме того, существует много других условий, которые должны быть включены. Формула дана только для наглядности.»
В 1932 году Шеннон был зачислен в Мичиганский университет, где на одном из курсов познакомился с работами Джорджа Буля. В 1936 году Клод окончил Мичиганский университет, получив степень бакалавра по двум специальностям (математик и электротехник), и устроился в Массачусетский технологический институт (MIT), где работал ассистентом-исследователем. Он выполнял обязанности оператора на механическом вычислительном устройстве, аналоговом компьютере, называемом «дифференциальный анализатор», разработанным его научным руководителем Вэниваром Бушем. Изучая сложные, узкоспециализированные электросхемы дифференциального анализатора, Шеннон увидел, что концепции Буля могут получить достойное применение. После того, как он проработал лето 1937 года в Bell Telephone Laboratories, он написал основанную на своей магистерской работе того же года статью «Символический анализ релейных и переключательных схем». Необходимо отметить, что Фрэнк Лорен Хичкок контролировал магистерскую диссертацию, давал полезную критику и советы. Сама статья была опубликована в 1938 году в издании Американского института инженеров-электриков (AIEE). В этой работе он показал, что переключающиеся схемы могут быть использованы для замены схем с электромеханическими реле, которые использовались тогда для маршрутизации телефонных вызовов. Затем он расширил эту концепцию, показав, что эти схемы могут решить все проблемы, которые позволяет решить Булева алгебра. Также, в последней главе он представляет заготовки нескольких схем, например, 4-разрядного сумматора. За эту статью Шеннон был награждён Премией имени Альфреда Нобеля Американского института инженеров-электриков в 1940 году. Доказанная возможность реализовывать любые логические вычисления в электрических цепях легла в основу проектирования цифровых схем. А цифровые цепи - это, как известно, основа современной вычислительной техники, таким образом, результаты его работ являются одними из наиболее важных научных результатов ХХ столетия. Говард Гарднер из Гарвардского университета отозвался о работе Шеннона, как о «возможно, самой важной, а также самой известной магистерской работе столетия».
По совету Буша Шеннон решил работать над докторской диссертацией по математике в MIT. Буш был назначен президентом Института Карнеги в Вашингтоне и предложил Шеннону принять участие в работе по генетике, которую вела Барбара Беркс. Именно генетика, по мнению Буша, могла послужить предметом приложения усилий Шеннона. Сам Шеннон, проведя лето в Вудс Хоул, Массачусетс, заинтересовался нахождением математического фундамента для законов наследования Менделя. Докторская диссертация Шеннона, получившая название «Алгебра теоретической генетики», была завершена весной 1940 года. Однако эта работа не была выпущена в свет вплоть до 1993 года, пока она не появилась в сборнике Шеннона «Collected Papers». Его исследования могли стать весьма важными в противном случае, но бо́льшая часть этих результатов была получена независимо от него. Шеннон получает докторскую степень по математике и степень магистра по электротехнике. После этого он не возвращался к исследованиям в биологии.
Шеннон также был заинтересован в применении математики в информационных системах, таких как системы связи. После очередного лета, проведенного в Bell Labs, в 1940 году Шеннон на один академический год стал научным сотрудником в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, США. Там он работал под руководством известного математика Германа Вейля, а также имел возможность обсудить свои идеи с влиятельными учеными и математиками, среди которых был Джон фон Нейман. Он также имел случайные встречи с Альбертом Эйнштейном и Куртом Гёделем. Шеннон свободно работал в различных дисциплинах, и эта способность, возможно, способствовала дальнейшему развитию его математической теории информации.
Клод Элвуд Шеннон — известный американский инженер и математик. Его работы совмещают связь математических идей с анализом весьма сложного процесса их технической реализации. Клод Шеннон знаменит в первую очередь благодаря разработке теории информации, которая служит основой современных высокотехнологических систем связи. Шеннон внес огромный вклад в ряд наук, которые входят в понятие «кибернетики» — он создал теорию вероятности схем, теорию автоматов и систем управления.
Клод Шеннон родился в 1916 году в городе Гейлорд, штат Мичиган, США. Технические конструкции, как и общность математических процессов, интересовали его с ранних лет. Все свое свободное время он решал математические задачи и возился с радиоконструкторами и детекторными приемниками.
Неудивительно, что будучи студентом Мичиганского университета, Шеннон одновременно специализировался в математике и электротехнике. Благодаря высокой образованности и разнообразию интересов, первый огромный успех к Шеннону пришел уже во время учебы в аспирантуре Массачусетского технологического университета. Тогда ему удалось доказать, что работу электрических схем реле и переключателей можно представить посредством алгебры. За это величайшее открытие Клод Шеннон был удостоен Нобелевской премии. Причину своего ошеломляющего успеха он объяснил достаточно скромно: «Просто до меня никто не изучал математику и электротехнику одновременно.»
В 1941 году Шеннон стал сотрудником Bell Laboratories, где его основной задачей была разработка сложных криптографических систем. Эта работа позволила ему создать методы кодирования с возможностью коррекции ошибок.
Клод Шеннон стал первым, кто подошел к изучению криптографии с научной точки зрения, опубликовав в 1949 году статью под названием «Теория связи в секретных системах». Эта статья состояла из трех разделов. Первый раздел содержал основные математические структуры секретных систем, второй — раскрывал проблемы «теоретической секретности», третий — освещал понятие «практической секретности». Так, главной заслугой Шеннона в криптографии стало подробное исследование понятия абсолютной секретности систем, в котором он доказал факт существования и необходимые условия для существования абсолютно стойких не раскрываемых шифров.
Клод Шеннон стал первым, кто сформулировал теоретические основы криптографии и раскрыл суть многих понятий, без которых криптография, как наука не существовала бы.
В какой-то момент своей деятельности, Клод Шеннон поставил перед собой задачу улучшить передачу информации по телефонным и телеграфным каналам, которые находятся под воздействием электрических шумов. Тогда ученый выяснил, что наилучшим решением данной проблемы станет более эффективная «упаковка» информации. Однако прежде, чем приступить к исследованиям ему пришлось ответить на вопрос, что же такое информация и чем измерить ее количество. В 1948 году в статье «Математическая теория связи» он описал определение количества информации через энтропию, величину, которая известна в термодинамике как мера разупорядоченности системы, а наименьшую единицу информации назвал «битом».
Позже, основываясь на своих определениях количества информации, Шеннону удалось доказать гениальную теорему о пропускной способности зашумленных каналов связи. В годы ее разработки, теорема не нашла практического применения, зато в современном мире высокоскоростных микросхем она находит применение везде, где хранится, обрабатывается или передается информация.
Вклад Клода Шеннона в науку и его результаты трудно переоценить, ведь без его открытий стало бы невозможным существование компьютерной техники, Интернета и всего цифрового пространства. Кроме теорий, которые положили начало развития информационных технологий, гениальный инженер и математик так же сделал вклад в развитие многих других областей. Он одним из первых доказал то, что машины не только способны выполнять интеллектуальную работу, но и обучаться. В 1950 году, он изобрел механическую радиоуправляемую мышку, которая благодаря сложной электронной схеме могла найти дорогу в лабораторию самостоятельно. Также он стал автором устройства, которое было способно складывать кубик Рубика, а так же изобрел Гекс – электронное устройство для настольных игр, которое всегда побеждало соперников.
Гениальный ученый и изобретатель умер на 84 году жизни в 2001 году от болезни Альцгеймера в массачусетском доме престарелых.
Анатолий Ушаков, д. т. н, проф. каф. систем управления и информатики, университет «ИТМО»
Многие поколения технических специалистов второй половины XX века, даже достаточно далекие от теории автоматического управления и кибернетики, выйдя из стен вузов, на всю жизнь запомнили названия «авторских» научно-технических достижений: функции Ляпунова, марковские процессы, частота и критерий Найквиста, винеровский процесс, фильтр Калмана. Среди таких достижений почетное место занимают теоремы Шеннона. В 2016 г. исполняется сто лет со дня рождения их автора - ученого и инженера Клода Шеннона.
«Кто владеет информацией, тот владеет миром»
У. Черчилль
Рис. 1. Клод Шеннон (1916–2001)
Клод Элвуд Шеннон (Claude Elwood Shannon) (рис. 1) родился 30 апреля 1916 г. в городе Петоцки, расположенном на берегу озера Мичиган штата Мичиган (США), в семье юриста и преподавателя иностранных языков. Его старшая сестра Кэтрин увлекалась математикой и со временем стала профессором, а отец Шеннона совмещал работу адвоката с радиолюбительством. Дальним родственником будущего инженера был прославившийся на весь мир изобретатель Томас Эдисон, имевший 1093 патента.
Шеннон закончил общеобразовательную среднюю школу в 1932 г. в возрасте шестнадцати лет, одновременно получив дополнительное образование на дому. Отец покупал ему конструкторы и радиолюбительские наборы и всячески содействовал техническому творчеству сына, а сестра привлекала его к углубленным занятиям математикой. Шеннон полюбил оба эти мира - технику и математику.
В 1932 г. Шеннон поступил в Мичиганский университет, который окончил в 1936 г., получив степень бакалавра по двум специальностям: математика и электротехника. Во время обучения он нашел в библиотеке университета две работы Джорджа Буля (George Boole) - «Математический анализ логики» и «Логическое исчисление», написанные в 1847 и 1848 годах соответственно. Шеннон тщательным образом их изучил, и это, по-видимому, определило его дальнейшие научные интересы.
После окончания университета Клод Шеннон устроился на работу в лабораторию электротехники Массачусетского технологического института (MTИ) ассистентом-исследователем, где работал над задачами модернизации дифференциального анализатора Ванневара Буша (Vannevar Bush), вице-президента МТИ, - аналогового «компьютера». С этого времени Ванневар Буш стал научным наставником Клода Шеннона. Изучая сложные, узкоспециализированные релейные и переключательные электросхемы устройства управления дифференциальным анализатором, Шеннон понял, что концепции Джорджа Буля могут получить в этой области достойное применение.
В конце 1936 г. Шеннон поступает в магистратуру, а уже в 1937 г. он пишет реферат диссертации на соискание степени магистра и на его основе готовит статью «Символьный анализ реле и переключательных схем», которая была опубликована в 1938 г. в издании Американского института инженеров-электриков (AIEE). Эта работа привлекла к себе внимание научного электротехнического сообщества, и в 1939 г. Американским обществом гражданских инженеров (American Society of Civil Engineers) Шеннону была присуждена за нее Премия имени Альфреда Нобеля.
Еще не защитив магистерской диссертации, Шеннон по совету Буша решил работать над докторской по математике в МТИ, касающейся задач генетики. По мнению Буша, генетика могла стать удачной проблемной областью приложения знаний Шеннона. Докторская диссертация Шеннона, получившая название «Алгебра для теоретической генетики», была завершена весной 1940 г. и посвящена проблемам генной комбинаторики. Шеннон получил докторскую степень по математике и в это же время защитил диссертацию на тему «Символьный анализ реле и переключательных схем», став магистром электротехники.
Докторская диссертация Шеннона не получила большой поддержки у генетиков и по этой причине никогда не была опубликована. Однако диссертация на степень магистра оказалась прорывной в коммутационной и цифровой технике. В последней главе диссертации было приведено много примеров успешного применения разработанного Шенноном логического исчисления к анализу и синтезу конкретных релейных и переключательных схем: селекторных схем, замка с электрическим секретом, двоичных сумматоров. Все они наглядно демонстрируют совершенный Шенноном научный прорыв и огромную практическую пользу от формализма логического исчисления. Так родилась цифровая логика.
Рис. 2. Клод Шеннон в Bell Labs (середина 1940-х гг.)
Весной 1941 г. Клод Шеннон становится сотрудником математического отделения научно-исследовательского центра Bell Laboratories (рис. 2). Следует сказать несколько слов об атмосфере, в которую попал 25-летний Клод Шеннон, - ее создавали Гарри Найквист (Harry Nyquist), Хенрик Боде (Hendrik Bode), Ральф Хартли (Ralph Hartley), Джон Тьюки (John Tukey) и другие сотрудники Bell Laboratories. Все они уже имели определенные результаты в разработке теории информации, которые Шеннон со временем разовьет до уровня большой науки.
В это время в Европе уже шла война, и Шеннон проводил исследования, которые широко финансировало правительство США. Работа, которую Шеннон выполнял в Bell Laboratories, была связана с криптографией, что привело его к необходимости заняться математической теорией криптографии и со временем позволило проводить анализ зашифрованных текстов информационно-теоретическими методами (рис. 3).
В 1945 г. Шеннон завершил большой секретный научный отчет на тему «Математическая теория криптографии» («Communication Theory of Secrecy Systems»).
Рис. 3. У шифровальной машины
В это время Клод Шеннон был уже близок к тому, чтобы выступить перед научной общественностью с новыми базовыми концепциями по теории информации. И в 1948 г. он опубликовал свой эпохальный труд «Математическая теория связи» . Математическая теория связи Шеннона предполагала трехкомпонентную структуру, составленную из источника информации, приемника информации и «транспортной среды» - канала связи, характеризующегося пропускной способностью и способностью искажать информацию при передаче. Возник определенный круг проблем: как количественно оценить информацию, как ее эффективно упаковывать, как оценить допустимую скорость вывода информации из источника в канал связи с фиксированной пропускной способностью, чтобы гарантировать безошибочную передачу информации, и, наконец, как решить последнюю задачу при наличии помех в канале связи? На все эти вопросы Клод Шеннон дал человечеству исчерпывающие ответы своими теоремами.
Следует сказать, что коллеги по «цеху» помогли Шеннону с терминологией. Так, термин для минимальной единицы количества информации - «бит» - предложил Джон Тьюки, а термин для оценки среднего количества информации на символ источника - «энтропия» - Джон фон Нейман (John von Neumann). Свою основополагающую работу Клод Шеннон изложил в виде двадцати трех теорем. Не все теоремы равноценны, часть из них носит вспомогательный характер или посвящена частным случаям теории информации и ее передачи по дискретным и непрерывным каналам связи, но шесть теорем являются концептуальными и составляют каркас здания теории информации, созданной Клодом Шенноном.
Следует сказать, что изначально у многих математиков мира вызвала сомнения доказательная база этих теорем. Но со временем научная общественность убедилась в корректности всех постулатов, найдя им математические подтверждения. В нашей стране этому делу отдали свои силы Хинчин А.Я. и Колмогоров А.Н. .
В 1956 г. знаменитый Клод Шеннон покидает стены Bell Laboratories, не порывая с ней связей, и становится полным профессором сразу двух факультетов Массачусетского технологического института: математического и электротехнического.
Рис. 4. Лабиринт Шеннона
У Клода Шеннона всегда было много интересов, совершенно не связанных с его профессиональной деятельностью. Выдающийся инженерный талант Шеннона проявлялся в создании всевозможных машин и механизмов, среди которых механическая мышь «Тезей», решающая лабиринтную задачу (рис. 4), вычислительная машина с операциями над римскими цифрами, а также вычислительные машины и программы для игры в шахматы.
В 1966 г. в возрасте 50 лет Клод Шеннон удаляется от преподавательской деятельности и практически полностью посвящает себя своим хобби. Он создает одноколесный велосипед с двумя седлами, складной нож с сотней лезвий, роботов, собирающих кубик Рубика, и робота, жонглирующего шарами. Кроме того, Шеннон и сам продолжает оттачивать мастерство жонглирования, доведя количество шаров до четырех (рис. 5). Свидетели его молодости в Bell Laboratories вспоминали, как он разъезжал по коридорам фирмы на одноколесном велосипеде, при этом жонглируя мячами.
Рис. 5. Клод Шеннон - жонглер
К сожалению, у Клода Шеннона не было тесных контактов с советскими учеными. Тем не менее ему удалось посетить СССР в 1965 г. по приглашению Научно-технического общества радиотехники, электроники и связи (НТОРЭС) имени А.С. Попова. Одним из инициаторов этого приглашения был многократный чемпион мира по шахматам Михаил Ботвинник, доктор технических наук, профессор, который также был электротехником и интересовался шахматным программированием. Между Михаилом Ботвинником и Клодом Шенноном состоялась оживленная дискуссия о проблемах компьютеризации шахматного искусства. Участники пришли к выводу, что это очень интересно для программирования и бесперспективно для шахмат. После дискуссии Шеннон попросил Ботвинника сыграть с ним в шахматы и по ходу игры даже имел небольшое преимущество (ладью за коня и пешку), но все же проиграл на 42-м ходу.
Последние годы жизни Клод Шеннон тяжело болел. Он скончался в феврале 2001 г. в массачусетском доме престарелых от болезни Альцгеймера на 85-м году жизни.
Клод Шеннон оставил богатое прикладное и философское наследие. Им создана общая теория устройств дискретной автоматики и вычислительной техники, технология эффективного использования возможностей канальной среды. Все современные архиваторы, используемые в компьютерном мире, опираются на теорему Шеннона об эффективном кодировании. Основу его философского наследия составляют две идеи. Первая: целью всякого управления должно быть уменьшение энтропии как меры неопределенности и беспорядка в системной среде. Управление, которое не решает этой задачи, является избыточным, т. е. ненужным. Вторая состоит в том, что все в этом мире в каком-то смысле есть «канал связи». Каналом связи является и человек, и коллектив, и целая функциональная среда, и промышленность, и транспортная структура, и страна в целом. И если не согласовывать технические, информационные, гуманитарные, правительственные решения с пропускной способностью канальной среды, на которую они рассчитаны, то хороших результатов не жди.
Вконтакте
Литература
