Разделы: Информационные технологии
Размещена 03.01.2016.
Просмотров - 4317

Анализ научного пути Клода Элвуда Шеннона и теория информации

Шайхузина Екатерина Радиковна

Уральский Федеральный университет

студент

Бывальцев Сергей Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры Информационных технологий и автоматизации проектирования, Уральский Федеральный Университет

УДК 007.621.391

Теория информации неразрывно связана с опубликованной в 1948 году статьей Шеннона «Математическая теория связи». Шеннон утверждал, что теория информации целый раздел математической теории связи. Теория информации задает основные границы возможностей систем передачи информации, устанавливает исходные принципы их разработки и практического воплощения. 

Целью данной статьи является анализ научного пути Клода Элвуда Шеннона, влияния тех и иных факторов на него и раскрытие сущности его теории информации.

Клод Элвуд Шеннон – инженер, математик Америки. Родился 30 апреля 1916 года в городе Петоцки, штат Мичиган, США. В юности Шеннон увлекался конструированием механических и автоматических устройств, что позволило ему собирать модели самолетов, радиотехнические цепи, а также радиоуправляемую лодку и небольшую телеграфную систему, данный фактор можно выделить первым на научном пути Клода Элвуда Шеннона.

После окончания общеобразовательной средней школы он поступил в Мичиганский университет, заканчивая который получил степени бакалавра по специальностям математика и электротехника, что ясно показывает, насколько Шеннон был увлечен техническими науками, это второй фактор, так как если бы он разочаровался в этом, мы бы никогда не увидели эволюцию очень важной и по сей день развивающейся науки «кибернетики». Еще студентом его заинтересовали работы Джорджа Буля, применение которым в последствии Шеннон увидел в электрических схемах дифференциального анализатора. В 1938 году публикуется статья, написанная с его магистерской работы «Символьный анализ реле и коммутаторов. Говард Гарднер из Гарвардского университета отозвался о работе Шеннона, как о «возможно, самой важной, а также самой известной магистерской работе столетия». Докторская диссертация, написанная во время участия в работе по генетике, называлась «Алгебра для теоретической генетики», и была завершена весной 1940 года. Шеннон получил докторскую степень по математике и степень магистра по электротехнике, данный шаг и есть третий фактор.

В последствии он преподавал в университете и работал в американской телефонной компании Белл. Исследуя переключающие цепи, Шеннон обнаружил передовой метод организации цепей, который позволяет сократить количество контактов реле, необходимых в исполнении сложных логических функций. В дальнейшем публикуется его доклад «Организация двухполюсных переключающих цепей». Сам же Шеннон старался решить проблемы создания схем переключения.

Со вступлением США во Вторую мировую войну Шеннон присоединился к работе над программой для систем управления огнем для противовоздушной обороны  и работал над устройствами обнаружения самолетов противника и наведения на них зенитных установок, также он разрабатывал криптографические системы, в том числе и правительственную связь. Участие Шеннона в работе можно объявить третьим фактором, как говорил он сам, работа в области криптографии подтолкнула его к созданию теории информации.

В период с 1950 по 1956 года он занимался созданием логических машин. Далее он создал машину, которая могла играть в шахматы. В 1952 Шеннон создал обучаемую машину поиска выхода из лабиринта. В 1966 году он вышел на пенсию.

Клод Шеннон ушел из жизни 24 февраля 2001 года, он внёс вклад в области наук, входящие в понятие «кибернетика», в теорию автоматов, теорию систем управления, теорию вероятностных схем.

Опубликование статьи «Математическая теория связи» ославила Шеннона, она содержала идеи, ставшие основой современных теорий и техник обработки, передачи и хранения информации. Клод Шеннон обобщил идеи Хартли и ввел понятие информации. Информация. Он первым стал рассматривать передаваемые сообщения и шумы в каналах связи с точки зрения статистики, рассматривая различные множества сообщений, как конечные, так и непрерывные множества. Конечные сообщения формируются последовательной выдачей сообщений отдельных элементов источником. Непрерывные не разделены на элементы, описываются непрерывными функциями времени. Теория информации Шеннона помогла решить ряд проблем: устранить избыточность предаваемых сообщений, произвести кодирование, передать сообщение по каналам связи с шумами.

Задачи теории информации можно представить в виде структурной схемы, типичной системы передачи или хранения информации.

В структурной схеме передачи сообщения есть определенный принцип действия. Изначально источник информации порождает сообщение, которое необходимо передать, далее это сообщение преобразуют в электрические сигналы. После этого кодер источника оптимизирует информацию, далее кодер канала обрабатывает полученное для защиты сообщения от помех при передаче или искажений во время хранения. Модулятор в свою очередь формирует сообщение в сигналы, которые соответствуют виду канала или среде накопителя информации. Далее канал связи добавляет во время передачи сообщения шум, который помогает защитить его от точного прочтения. Последующие операции выполняются обратно первым, то есть демодулятор, после этого декодер канала, далее декодер источника и получатель информации.           

Информация должна обладать рядом характеристик для передачи: 

1. Информация должна быть полезной потребителю (релевантность)
2. Информация должна быть исчерпывающей (полнота)
3. Информация должна быть актуальна для нужд в определенное время (своевременной)
4. Информация должна быть правдивой (достоверность)
5. Информация должны быть открытой для получения (доступность)
6. Информация должна быть строго организованна для чтения (защищенность)
7. Информация должна быть удобной в использовании (эргономичность)
8. Информация должна быть точной (адекватность). 

Структура информации также может включать информационные совокупности, выделенные по определенному критерию. Количество информации - мера сокращения неопределенности знания при получении сообщения. Самой маленькой единицей количества информации считают бит. При равновероятных сообщениях конечного множества сообщений используется формула Хартли, в которой количество информации равно логарифму по основанию 2 от возможного множества сообщений. При неодинаковой вероятности сообщений используют формулу Шеннона, в которой количество информации равно сумме произведений вероятностей, что n-ое сообщение верно на логарифм по основанию 2 от возможного множества сообщений с противоположным знаком.

Требования для использования формулы Шеннона: непрерывность меры, возможность выбора в два шага, при котором функции конечного результата является суммой функций промежуточных результатов.

Кодирование можно разделить на несколько типов:

1. Кодирование источников дискретного вида. У данного метода передача информации происходит со сжатием и без помех (теоретическая модель)
2. Кодирование информации с шумом. Сообщение имеет возможность быть однозначно расшифрованным, для этого достаточно чтобы код был префиксным.

Код является префиксным, когда никакое кодовое слово в нем не является префиксным какого-то другого кодового слова.

1. Кодирование с определенным критерием качества. Восстановление закодированного сообщения происходит с ошибкой, максимальное значение которой определенно критерием.
2. Кодирование для многопользовательских систем.
3. Секретная связь. Защита от несанкционированного доступа. 

Данный анализ приводит нас к выводу, что теория информации в её первозданном виде актуальна и по сей день, но в настоящее время является комплексной, в основном математической теорией, включающей в себя методы извлечения, передачи, хранения и типизации информации. Знание теории информации является важным пунктом в подготовке инженеров, специализирующихся в области автоматизированных систем управления и обработки информации. Данные системы должны включать в себя получение, подготовку, передачу, хранение и обработку информации, так как необходимо достичь нужное воздействие, что гарантируется правильностью функционирования системы. 

1. Лекция "Основы теории информации" [электронный ресурс] // Электронная статья. URL: http://refleader.ru/poljgernayfs.html
2. Свободная энциклопедия Википедия "Клод Шеннон" [электронный ресурс] // Электронная статья. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%BD,_%D0%9A%D0%BB%D0%BE%D0%B4
3. Вики-конспекты "Кодирование информации" [электронный ресурс] // Электронная статья. URL:http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%9A%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8#.D0.9F.D1.80.D0.B5.D1.84.D0.B8.D0.BA.D1.81.D0.BD.D1.8B.D0.B9_.D0.BA.D0.BE.D0.B4

Рецензии:

3.01.2016, 7:44 Эрштейн Леонид Борисович
Рецензия: Это не научная статья, это реферат. В ней полностью отсутствует научный аппарат как таковой. Никакого анализа научного пути там нет. Статья представляет собой краткое изложение биографии Шенона. Неужели научный руководитель не увидел всего этого. Категорически не рекомендуется к публикации.

3.01.2016, 18:26 Клинков Георгий Тодоров
Рецензия: Статья рекомендуется к публикации, после доработки.Основания: 1/Актуальность проблематики.... 2/Категория информация как особый конструкт имеет свою методологическую основу для анализа-историография,категория информация как релевантное движение научных знании,теория К.Шенона в границах точных наук, связь между информации и информатизации... 3/Разширить анализ характеристик информации и информационного обмена... 4/В данной статьи не нужно искать класический научный апарат изложения...она может имет популярный стиль изложения научных основаниях ...PhD Георги Клинков



Комментарии пользователей:

17.02.2016, 10:33 Ятчук Ольга Михайловна Отзыв: Данная статья не соответствует заявленному названию, к сожалению, не раскрыт аналитический подход к изучению научного пути и теории информации, материал носит реферативную форму. Статью рекомендую к публикации после доработки, если автор расширит анализ характеристик информационного обмена (возможно использование примеров), сконцентрирует внимание на актуальности и проблематики данного исследования.

Оставить комментарий