香農的信息論


之前只知道香農於1948年發表的那篇舉世矚目的paper,《A Mathematical Theory of Communication》,過了一年拉上Warren Weaver作為共同作者出了個單行本,標題只改了一個字,《The Mathematical Theory of Communication》,而Weaver的貢獻只是寫了份摘要。隨手搜了下,原論文索引竟然高達八萬多次......

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現在經過了解才知道,香農、巴丁(可能還有肖克利)之於電子工程,就是牛頓、麥克斯韋之於物理學,圖靈、馮諾依曼之於計算機科學,都是真正通過一己之力開創了一門學科。他們的工作,使得一些零散的研究終於有了體系和系統的方法,而之所以在今人的眼里看起來普普通通,只是因為他們的工作是一切后來者都不能繞過的基石。

 

信息論最初所處理的問題是數據壓縮與傳輸鄰域中的問題,其處理方法利用了熵和互信息等基本量。

如果隨機變量的概率密度函數為,那么的熵定義為:

熵的量綱為比特,由香農一人提出。熵可以看作隨機變量的平均不確定度的度量。在平均意義下,是為了描述該隨機變量所需的比特數。

 

單個隨機變量的熵為該隨機變量的不確定度,涉及兩個隨機變量的條件熵,即一個隨機變量在給定另外一個隨機變量的條件下的熵。由另一個隨機變量導致的原隨機變量不確定度的縮減量稱為互信息。具體來說,設是兩個隨機變量,那么這個縮減量為互信息,

互信息是兩個隨機變量相互之間獨立程度的度量,它關於對稱,並且永遠為非負值,當且僅當相互獨立時,等於零。

互信息實際上是更廣泛量相對熵的特殊情形。相對熵是兩個概率密度函數之間的“距離”度量,定義為,

想對熵非負,為0的充分必要條件為

 

通信通道是一個系統,系統的輸出信號按概率輸入信號。該系統特征由一個轉移概率矩陣決定,該矩陣決定在給定輸入情況下輸出的條件概率分布。對於輸入信號為和輸出信號為的通信信道,定義它的信道容量為,

容量是可以使用該信道發送信息的最大速率,而且在接收端以極低的誤差概率恢復出該信息。(香農證明了只要通信速率低於通道容量,總可以使誤差概率接近於零。)

信息論與電子工程(通信理論)、計算機科學(科爾莫戈羅夫復雜度)、物理學(熱力學)、數學(概率論和統計學)、哲學(奧克姆剃刀)、經濟學(投資)、計算與通信鄰域都有交叉。

 


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