Введение
Решающим событием, которое заложило основу дисциплины теории информации и привлекло к ней немедленное внимание всего мира, стало опубликование классической статьи Клода Э. Шеннона "Математическая теория связи" в техническом журнале Bell System в июле и октябре 1948 года. В этой революционной и новаторской работе, работа по которой Шеннон в значительной степени завершила в лабораториях Белла к концу 1944 года, Шеннон впервые представила качественную и количественную модель коммуникации как статистический процесс, лежащий в основе теории информации, открывая с утверждения, что "Фундаментальная проблема коммуникации заключается в воспроизведении в одной точке, либо точно, либо приблизительно, сообщения, выбранного в другой точке". С ним появились идеи информационной энтропии и избыточности источника, а также его актуальность через теорему кодирования источника; взаимная информация и емкость канала шумного канала, включая обещание совершенной связи без потерь, данное теоремой кодирования шумного канала; практический результат закона Шеннона - Хартли для емкости канала гауссовского канала; и, конечно, новый способ рассмотрения самой основной единицы информации.
"The fundamental problem of communication is that of reproducing at one point, either exactly or approximately, a message selected at another point." With it came the ideas of
the information entropy and redundancy of a source, and its relevance through the source coding theorem;
the mutual information, and the channel capacity of a noisy channel, including the promise of perfect loss free communication given by the noisy channel coding theorem;
the practical result of the Shannon–Hartley law for the channel capacity of a Gaussian channel; and of course
the bit a new way of seeing the most fundamental unit of information.
Ранние телекоммуникации
Некоторые из старейших методов телекоммуникаций косвенно используют многие идеи, которые позже будут количественно определены в теории информации. Современная телеграфия, начиная с 1830-х годов, использовала код Морзе, в котором более распространенные буквы (например, "E", выраженные как одна "точка") передаются быстрее, чем менее распространенные буквы (например, "J", выраженные как одна "точка", за которой следуют три "течки"). Идея кодирования информации таким образом является краеугольным камнем сжатия данных без потерь. Спустя сто лет частотная модуляция показала, что полоса пропускания может рассматриваться как просто еще одна степень свободы. Вокодер, который в настоящее время в основном рассматривается как любопытство в области звуковой инженерии, был первоначально разработан в 1939 году для использования меньшей полосы пропускания, чем у оригинального сообщения, примерно так же, как мобильные телефоны теперь обменивают качество голоса на полосу пропускания.
Количественные представления об информации
Наиболее прямыми предшественниками работы Шеннона были две статьи, опубликованные в 1920-х годах Гарри Найквистом и Ральфом Хартли, которые оба были все еще исследовательскими лидерами в Bell Labs, когда Шеннон прибыл в начале 1940-х годов. В статье 1924 года Найквиста "Определенные факторы, влияющие на скорость телеграфа" в основном рассматриваются некоторые подробные инженерные аспекты телеграфных сигналов. Но в более теоретическом разделе обсуждается количественное определение "интеллекта" и "скорости линии", с которой он может передаваться системой связи, давая отношение, где W - это скорость передачи интеллекта, m - количество различных уровней напряжения на выбор на каждом этапе времени, а K - постоянная. В статье Хартли 1928 года, названной просто "Передача информации", было использовано слово "информация" (в техническом смысле) и явно указано, что информация в этом контексте является измеримой величиной, отражающей только способность получателя различать, что одна последовательность символов была предназначена отправителем, а не какой-либо другой - независимо от любого связанного с этим значения или другого психологического или семантического аспекта, который могут представлять символы. Этот объем информации он определил количественно, где S - количество возможных символов, а n - количество символов в передаче. Поэтому естественной единицей информации была десятичная цифра, которая гораздо позже была переименована в Хартли в его честь как единица или шкала или мера информации. Информация Хартли, H0, все еще используется в качестве величины для логарифма общего числа возможностей. Аналогичная единица вероятности log10, запрет, и его производная единица децибан (одна десятая запрета), были введены Аланом Тьюрингом в 1940 году в рамках статистического анализа взлома немецких шифров Энигмы Второй мировой войны. Децибаннаж представлял собой уменьшение (логарифм) общего числа возможностей (подобно изменению информации Хартли); а также отношение вероятности (или изменение веса доказательств), которое можно было бы вывести для одной гипотезы по сравнению с другой из набора наблюдений. Ожидаемое изменение весомости доказательств эквивалентно тому, что позже было названо информацией о дискриминации Кульбака. Но в основе этого понятия все еще лежала идея о равных априорных вероятностях, а не информационное содержание событий неравной вероятности; ни какая-либо основная картина вопросов, касающихся связи таких разнообразных результатов.
where W is the speed of transmission of intelligence, m is the number of different voltage levels to choose from at each time step, and K is a constant. Hartley's 1928 paper, called simply "Transmission of Information", went further by using the word information (in a technical sense), and making explicitly clear that information in this context was a measurable quantity, reflecting only the receiver's ability to distinguish that one sequence of symbols had been intended by the sender rather than any other—quite regardless of any associated meaning or other psychological or semantic aspect the symbols might represent. This amount of information he quantified as
where S was the number of possible symbols, and n the number of symbols in a transmission. The natural unit of information was therefore the decimal digit, much later renamed the hartley in his honour as a unit or scale or measure of information. The Hartley information, H0, is still used as a quantity for the logarithm of the total number of possibilities. A similar unit of log10 probability, the ban, and its derived unit the deciban (one tenth of a ban), were introduced by Alan Turing in 1940 as part of the statistical analysis of the breaking of the German second world war Enigma cyphers. The decibannage represented the reduction in (the logarithm of) the total number of possibilities (similar to the change in the Hartley information); and also the log likelihood ratio (or change in the weight of evidence) that could be inferred for one hypothesis over another from a set of observations. The expected change in the weight of evidence is equivalent to what was later called the Kullback discrimination information. But underlying this notion was still the idea of equal a priori probabilities, rather than the information content of events of unequal probability; nor yet any underlying picture of questions regarding the communication of such varied outcomes.