1928 год американский инженер Ральф Хартли рассматривает процесс получения информации как выбор одного сообщения из конечного заданного множества N равновероятных событий.
Формула Хартли:
где К - количество информации, N -число равновероятных событий.
Формула Хартли может быть записана и так: N=2k
Так как наступление каждого из N событий имеет одинаковую вероятность P, то:
где P- вероятность наступления события.
Тогда, формулу можно записать иначе:
1948 год американский ученый Клод Шеннон предложил другую формулу определения количества информации, учитывая возможную неодинаковую вероятность событий в наборе.
Формула Шеннона:
K = - (p1 *log2 p1+ p2 *log 2p 2 + p 3 *log 2p 3 +…+ pi * log2 pi),
где pi вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.
Также эту формулу записывают:
Современная наука о свойствах информации и закономерностях информационных процессов называется теорией информации. Содержание понятия "информация" можно раскрыть на примере двух исторически первых подходов к измерению количества информации: подходов Хартли и Шеннона: первый из них основан на теории множеств и комбинаторике, а второй - на теории вероятностей.
Информация может пониматься и интерпретироваться в различных проблемах, предметных областях по-разному. Вследствие этого, имеются различные подходы к определению измерения информации и различные способы введения меры количества информации.
Количество информации - числовая величина, адекватно характеризующая актуализируемую информацию по разнообразию, сложности, структурированности (упорядоченности), определенности, выбору состояний отображаемой системы.
Если рассматривается некоторая система, которая может принимать одно из n возможных состояний, то актуальной задачей является задача оценки этого выбора, исхода. Такой оценкой может стать мера информации (события).
Мера - непрерывная действительная неотрицательная функция, определенная на множестве событий и являющаяся аддитивной.
Меры могут быть статические и динамические, в зависимости от того, какую информацию они позволяют оценивать: статическую (не актуализированную; на самом деле оцениваются сообщения без учета ресурсов и формы актуализации) или динамическую (актуализированную т.е. оцениваются также и затраты ресурсов для актуализации информации).
Существуют различные подходы к определению количества информации. Наиболее часто используются следующие объемный и вероятностный.
Объемный подход.
Используется двоичная система счисления, потому что в техническом устройстве наиболее просто реализовать два противоположных физических состояния: намагничено / не намагничено, вкл./выкл., заряжено / не заряжено и другое.
Объём информации, записанной двоичными знаками в памяти компьютера или на внешнем носителе информации, подсчитывается просто по количеству требуемых для такой записи двоичных символов. При этом невозможно нецелое число битов.
Для удобства использования введены и более крупные, чем бит, единицы количества информации. Так, двоичное слово из восьми знаков содержит один байт информации, 1024 байта образуют килобайт (кбайт), 1024 килобайта - мегабайт (Мбайт), а 1024 мегабайта - гигабайт (Гбайт).
Энтропийный (вероятностный) подход.
Этот подход принят в теории информации и кодирования. Данный способ измерения исходит из следующей модели: получатель сообщения имеет определённое представление о возможных наступлениях некоторых событий. Эти представления в общем случае недостоверны и выражаются вероятностями, с которыми он ожидает то или иное событие. Общая мера неопределённостей называется энтропией. Энтропия характеризуется некоторой математической зависимостью от совокупности вероятности наступления этих событий.
Количество информации в сообщении определяется тем, насколько уменьшилась эта мера после получения сообщения: чем больше энтропия системы, тем больше степень её неопределённости. Поступающее сообщение полностью или частично снимает эту неопределённость, следовательно, количество информации можно измерять тем, насколько понизилась энтропия системы после получения сообщения. За меру количества информации принимается та же энтропия, но с обратным знаком.
Подход Р. Хартли основан на фундаментальных теоретико-множественных, по существу комбинаторных основаниях, а также нескольких интуитивно ясных и вполне очевидных предположениях.
Если существует множество элементов и осуществляется выбор одного из них, то этим самым сообщается или генерируется определенное количество информации. Эта информация состоит в том, что если до выбора не было известно, какой элемент будет выбран, то после выбора это становится известным. Необходимо найти вид функции, связывающей количество информации, получаемой при выборе некоторого элемента из множества, с количеством элементов в этом множестве, т.е. с его мощностью.
Если множество элементов, из которых осуществляется выбор, состоит из одного единственного элемента, то ясно, что его выбор предопределен, т.е. никакой неопределенности выбора нет - нулевое количество информации.
Если множество состоит из двух элементов, то неопределенность выбора минимальна. В этом случае минимально и количество информации.
Чем больше элементов в множестве, тем больше неопределенность выбора, тем больше информации.
Таким образом, логарифмическая мера информации, предложенная Хартли, одновременно удовлетворяет условиям монотонности и аддитивности. Сам Хартли пришел к своей мере на основе эвристических соображений, подобных только что изложенным, но в настоящее время строго доказано, что логарифмическая мера для количества информации однозначно следует из этих двух постулированных им условий.
В 1948 году, исследуя проблему рациональной передачи информации через зашумлённый коммуникационный канал, Клод Шеннон предложил революционный вероятностный подход к пониманию коммуникаций и создал первую, истинно математическую, теорию энтропии. Его сенсационные идеи быстро послужили основой разработки двух основных направлений: теории информации, которая использует понятие вероятности и эргодическую теорию для изучения статистических характеристик данных и коммуникационных систем, и теории кодирования, в которой используются главным образом алгебраические и геометрические инструменты для разработки эффективных кодов.
Клод Шеннон предположил, что прирост информации равен утраченной неопределённости, и задал требования к её измерению:
- 1. мера должна быть непрерывной; то есть изменение значения величины вероятности на малую величину должно вызывать малое результирующее изменение функции;
- 2. в случае, когда все варианты (буквы в приведённом примере) равновероятны, увеличение количества вариантов (букв) должно всегда увеличивать значение функции;
- 3. должна быть возможность сделать выбор (в нашем примере букв) в два шага, в которых значение функции конечного результата должно являться суммой функций промежуточных результатов.
Поэтому функция энтропии должна удовлетворять условиям:
определена и непрерывна для всех,
где для всех и. (Нетрудно видеть, что эта функция зависит только от распределения вероятностей, но не от алфавита).
Для целых положительных, должно выполняться следующее неравенство:
Для целых положительных, где, должно выполняться равенство:
информационный пропускной энтропийный
Шеннон определил, что измерение энтропии, применяемое к источнику информации, может определить требования к минимальной пропускной способности канала, требуемой для надёжной передачи информации в виде закодированных двоичных чисел. Для вывода формулы Шеннона необходимо вычислить математическое ожидание «количества информации», содержащегося в цифре из источника информации. Мера энтропии Шеннона выражает неуверенность реализации случайной переменной. Таким образом, энтропия является разницей между информацией, содержащейся в сообщении, и той частью информации, которая точно известна (или хорошо предсказуема) в сообщении. Примером этого является избыточность языка -- имеются явные статистические закономерности в появлении букв, пар последовательных букв, троек и т.д.
Информация может существовать в виде:
текстов, рисунков, чертежей, фотографий;
световых или звуковых сигналов;
радиоволн;
электрических и нервных импульсов;
магнитных записей;
жестов и мимики;
запахов и вкусовых ощущений;
хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов и т.д.
Предметы, процессы, явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информационных свойств, называются информационными объектами.
1.4. Как передаётся информация?
Информация передаётся в форме сообщений от некоторого источника информации к её приёмнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приёмнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением.
Cообщение, содержащее информацию о прогнозе погоды, передаётся приёмнику (телезрителю) от источника - специалиста-метеоролога посредством канала связи - телевизионной передающей аппаратуры и телевизора.
Живое существо своими органами чувств (глаз, ухо, кожа, язык и т.д.) воспринимает информацию из внешнего мира, перерабатывает её в определенную последовательность нервных импульсов, передает импульсы по нервным волокнам, хранит в памяти в виде состояния нейронных структур мозга, воспроизводит в виде звуковых сигналов, движений и т.п., использует в процессе своей жизнедеятельности.
Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации.
1.5. Как измеряется количество информации?
Какое количество информации содержится в проихведениях великих поэтов, писателей, поэтов или в генетическом коде человека? Ответа на эти вопросы наука не даёт и, по всей вероятности, даст не скоро. А возможно ли объективно измерить количество информации? Важнейшим результатом теории информации является следующий вывод:
В определенных, весьма широких условиях можно пренебречь качественными особенностями информации, выразить её количество числом, а также сравнить количество информации, содержащейся в различных группах данных.
В настоящее время получили распространение подходы к определению понятия "количество информации", основанные на том, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно нестрого трактовать в смысле её новизны или, иначе, уменьшения неопределённости наших знаний об объекте. Эти подходы используют математические понятия вероятности и логарифма.
Подходы к определению количества информации. Формулы Хартли и Шеннона.
Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. процесс получения информации рассматривал как выбор одного сообщения из конечного наперёд заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации I, содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N .
Формула Хартли: I = log 2 N
Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: I = log 2 100 = 6,644. Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.
Приведем другие примеры равновероятных сообщений :
при бросании монеты: "выпала решка" , "выпал орел" ;
на странице книги: "количество букв чётное" , "количество букв нечётное" .
Определим теперь, являются ли равновероятными сообщения "первой выйдет из дверей здания женщина" и "первым выйдет из дверей здания мужчина" . Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Все зависит от того, о каком именно здании идет речь. Если это, например, кинотеатр, то вероятность выйти из дверей первым одинакова для мужчины и женщины, а если это военная казарма, то для мужчины эта вероятность значительно выше, чем для женщины.
Для задач такого рода американский учёный Клод Шеннон предложил в 1948 г. другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе.
Формула Шеннона: I = - (p 1 log 2 p 1 + p 2 log 2 p 2 + . . . + p N log 2 p N ), где p i - вероятность того, что именно i -е сообщение выделено в наборе из N сообщений.
Легко заметить, что если вероятности p 1 , ..., p N равны, то каждая из них равна 1 / N , и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.
Помимо двух рассмотренных подходов к определению количества информации, существуют и другие. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определённому кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.
В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ . bit - bi nary digi t - двоичная цифра).
Бит в теории информации - количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений (типа "орел"- "решка", "чет"- "нечет" и т.п.). В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутри машинного представления данных и команд.
Бит - слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица - байт , равная восьми битам. Именно восемь битов требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256=2 8).
Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:
1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2 10 байт,
1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2 20 байт,
1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2 30 байт.
В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:
1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2 40 байт,
1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2 50 байт.
За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации.
Информация будем определять через ее основные свойства (т.к. наряду с материей и энергией она является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена):
- информация приносит сведения, об окружающем мире которых в рассматриваемой точке не было до ее получения;
- информация не материальна и не может существовать в отрыве от формы представления информации (последовательностей сигналов или знаков - сообщений);
- сообщения содержат информацию лишь для тех, кто способен ее распознать.
.jpg)
Сообщения содержат информацию не потому, что копируют объекты реальной действительности, а по общественной договоренности о связи носителей и объектов, этим носителем обозначенных (например, слово обозначает некоторый предмет объективной действительности). Кроме того, носители могут быть сформированы естественно протекающими физическими процессами.
.jpg)
Для того чтобы сообщение можно было передать получателю, необходимо воспользоваться некоторым физическим процессом, способным с той или иной скоростью распространяться от источника к получателю сообщения. Изменяющийся во времени физический процесс, отражающий передаваемое сообщение называется сигналом.
Чтобы применить математические средства для изучения информации требуется отвлечься от смысла, содержания информации. Этот подход был общим для упомянутых нами исследователей, так как чистая математика оперирует с количественными соотношениями, не вдаваясь в физическую природу тех объектов, за которыми стоят соотношения. Поэтому, если смысл выхолощен из сообщений, то отправной точкой для информационной оценки события остается только множество отличных друг от друга событий и соответственно сообщений о них.
Пусть нас интересует следующая информация о состоянии некоторых объектов: в каком из четырех возможных состояний (твердое, жидкое, газообразное, плазма) находится некоторое вещество? на каком из четырех курсов техникума учится студент? Во всех этих случаях имеет место неопределенность интересующего нас события, характеризующаяся наличием выбора одной из четырех возможностей. Если в ответах на приведенные вопросы отвлечься от их смысла, то оба ответа будут нести одинаковое количество информации, так как каждый из них выделяет одно из четырех возможных состояний объекта и, следовательно, снимает одну и ту же неопределенность сообщения.
.jpg)
Неопределенность неотъемлема от понятия вероятности. Уменьшение неопределенности всегда связано с выбором (отбором) одного или нескольких элементов (альтернатив) из некоторой их совокупности. Такая взаимная обратимость понятий вероятности и неопределенности послужила основой для использования понятия вероятности при измерении степени неопределенность в теории информации. Если предположить, что любой из четырех ответов на вопросы равновероятен, то его вероятность во всех вопросах равна 1/4
.
Одинаковая вероятность ответов в этом примере обусловливает и равную неопределенность, снимаемую ответом в каждом из двух вопросов, а значит, каждый ответ несет одинаковую информацию.
Теперь попробуем сравнить следующие два вопроса: на каком из четырех курсов техникума учится студент? Как упадет монета при подбрасывании: вверх «гербом» или «цифрой»? В первом случае возможны четыре равновероятных ответа, во втором – два. Следовательно, вероятность какого-то ответа во втором случае больше, чем в первом (1/2 > 1/4 ), в то время как неопределенность, снимаемая ответами, больше в первом случае. Любой из возможных ответов на первый вопрос снимает большую неопределенность, чем любой ответ на второй вопрос. Поэтому ответ на первый вопрос несет больше информации! Следовательно, чем меньше вероятность какого-либо события, тем большую неопределенность снимает сообщение о его появлении и, следовательно, тем большую информацию оно несет.
Предположим, что какое-то событие имеет m равновероятных исходов. Таким событием может быть, например, появление любого символа из алфавита, содержащего m таких символов. Как измерить количество информации, которое может быть передано при помощи такого алфавита? Это можно сделать, определив число N возможных сообщений, которые могут быть переданы при помощи этого алфавита. Если сообщение формируется из одного символа, то N = m , если из двух, то N = m · m = m 2 . Если сообщение содержит n символов (n – длина сообщения), то N = mn . Казалось бы, искомая мера количества информации найдена. Ее можно понимать как меру неопределенности исхода опыта, если под опытом подразумевать случайный выбор какого-либо сообщения из некоторого числа возможных. Однако эта мера не совсем удобна.
При наличии алфавита, состоящего из одного символа, т.е. когда m = 1 , возможно появление только этого символа. Следовательно, неопределенности в этом случае не существует, и появление этого символа не несет никакой информации. Между тем, значение N при m = 1 не обращается в нуль. Для двух независимых источников сообщений (или алфавита) с N 1 и N 2 числом возможных сообщений общее число возможных сообщений N = N 1 N 2 , в то время как логичнее было бы считать, что количество информации, получаемое от двух независимых источников, должно быть не произведением, а суммой составляющих величин.
Выход из положения был найден Р. Хартли , который предложил информацию I , приходящуюся на одно сообщение, определять логарифмом общего числа возможных сообщений N :
I (N) = log N
Если же все множество возможных сообщений состоит из одного (N = m = 1 ), то
I (N) = log 1 = 0 ,
что соответствует отсутствию информации в этом случае. При наличии независимых источников информации с N 1 и N 2 числом возможных сообщений
I (N) = log N = log N 1 N 2 = log N 1 + log N 2
т.е. количество информации, приходящееся на одно сообщение, равно сумме количеств информации, которые были бы получены от двух независимых источников, взятых порознь.
Формула, предложенная Хартли
, удовлетворяет предъявленным требованиям. Поэтому ее можно использовать для измерения количества информации. Если возможность появления любого символа алфавита равновероятна (а мы до сих пор предполагали, что это именно так), то эта вероятность р= 1/m
. Полагая, что N = m
, получим
I = log N = log m = log (1/p) = – log p ,
Полученная формула позволяет для некоторых случаев определить количество информации. Однако для практических целей необходимо задаться единицей его измерения. Для этого предположим, что информация – это устраненная неопределенность. Тогда в простейшем случае неопределенности выбор будет производиться между двумя взаимоисключающими друг друга равновероятными сообщениями, например между двумя качественными признаками: положительным и отрицательным импульсами, импульсом и паузой и т.п.
Количество информации, переданное в этом простейшем случае, наиболее удобно принять за единицу количества информации. Полученная единица количества информации, представляющая собой выбор из двух равновероятных событий, получила название двоичной единицы, или бита. (Название bit образовано из двух начальных и последней букв английского выражения binary unit , что значит двоичная единица.)
Бит является не только единицей количества информации, но и единицей измерения степени неопределенности. При этом имеется в виду неопределенность, которая содержится в одном опыте, имеющем два равновероятных исхода. На количество информации, получаемой из сообщения, влияет фактор неожиданности его для получателя, который зависит от вероятности получения того или иного сообщения. Чем меньше эта вероятность, тем сообщение более неожиданно и, следовательно, более информативно. Сообщение, вероятность
которого высока и, соответственно, низка степень неожиданности, несет немного информации.
Р. Хартли понимал, что сообщения имеют различную вероятность и, следовательно, неожиданность их появления для получателя неодинакова. Но, определяя количество информации, он пытался полностью исключить фактор «неожиданности». Поэтому формула Хартли позволяет определить количество информации в сообщении только для случая, когда появление символов равновероятно и они статистически независимы. На практике эти условия
выполняются редко. При определении количества информации необходимо учитывать не только количество разнообразных сообщений, которые можно получить от источника, но и вероятность их получения.
Наиболее широкое распространение при определении среднего количества информации, которое содержится в сообщениях от источников самой разной природы, получил подход. К Шеннона .
Рассмотрим следующую ситуацию. Источник передает элементарные сигналы k различных типов. Проследим за достаточно длинным отрезком сообщения. Пусть в нем имеется N 1 сигналов первого типа, N 2 сигналов второго типа, ..., N k сигналов k -го типа, причем N 1 + N 2 + ... + N k = N – общее число сигналов в наблюдаемом отрезке, f 1 , f 2 , ..., f k – частоты соответствующих сигналов. При возрастании длины отрезка сообщения каждая из частот стремится к фиксированному пределу, т.е.
lim f i = p i , (i = 1, 2, ..., k) ,
где р i можно считать вероятностью сигнала. Предположим, получен сигнал i -го типа с вероятностью р i , содержащий – log p i единиц информации. В рассматриваемом отрезке i -й сигнал встретится примерно Np i раз (будем считать, что N достаточно велико), и общая информация, доставленная сигналами этого типа, будет равна произведению Np i log р i . То же относится к сигналам любого другого типа, поэтому полное количество информации, доставленное отрезком из N сигналов, будет примерно равно. Чтобы определить среднее количество информации, приходящееся на один сигнал, т.е. удельную информативность источника, нужно это число разделить на N . При неограниченном росте приблизительное равенство перейдет в точное.
В результате будет получено асимптотическое соотношение – формула Шеннона . Оказалось, что формула, предложенная Хартли , представляет собой частный случай более общей формулы Шеннона .
Кроме этой формулы, Шенноном была предложена абстрактная схема связи, состоящая из пяти элементов (источника информации, передатчика, линии связи, приемника и адресата), и сформулированы теоремы о пропускной способности, помехоустойчивости, кодировании и т.д
При изучении различных явлений и объектов окружающего мира люди стремились связать с этими объектами число, ввести их количественную меру. Люди научились измерять расстояния, взвешивать различные предметы, вычислять площади фигур и объёмы тел. Научившись измерять время, его длительность, мы до сих пор пытаемся понять его природу. Термометр был придуман за много лет до того, как учёные поняли, что он измеряет: с момента появления первого термометра до создания термодинамики прошло примерно три столетия. Количественное изучение некоторого явления, объекта может опережать его качественное изучение, процесс формирования соответствующего понятия может следовать за количественным изучением.
Похожая ситуация сложилась и в отношении информации. Р. Хартли в 1928, а затем К. Шеннон в 1948 предложили формулы для вычисления количества информации, однако на вопрос о том, что такое информация, они так и не ответили. В теории связи информация выступает в виде различных сообщений: например, букв или цифр, как в телеграфии, или в виде непрерывной функции времени, как при телефонии или радиовещании. В любом из указанных примеров, в конечном итоге, задача состоит в передаче смыслового содержания человеческой речи. В свою очередь, человеческая речь может быть представлена в звуковых колебаниях или в письменном изложении.
Это ещё одно из свойств этого вида информации: способность представлять одно и то же смысловое содержание в различном физическом виде. Впервые на это обратил особое внимание У. Эшби . Представление информации в различном физическом виде называется кодированием. Для того, чтобы общаться с другими людьми, человеку приходится постоянно заниматься кодированием, перекодированием и декодированием. Очевидно, что по каналам связи информация может передаваться в самых различных системах кодирования.
Р. Хартли первым ввел в теорию передачи информации методологию «измерения количества информации». При этом Р. Хартли считал, что информация, которую он собирался измерять, это «… группа физических символов - слов, точек, тире и т. п., имеющих по общему соглашению известный смысл для корреспондирующих сторон». Таким образом, Хартли ставил перед собой задачу ввести какую-то меру для измерения кодированной информации.
Пусть передаётся последовательность из n символов а 1 а 2 а 3 а n , каждый из которых принадлежит алфавиту А m , содержащему m символов. Чему равно число К различных вариантов таких последовательностей? Если n = 1 (передаётся один символ), то K = m; если n=2 (передаётся последовательность из 2-х символов), то K = m*m = m 2 ; в общем случае для последовательности из n символов получим
Количество информации, содержащееся в такой последовательности, Хартли предложил вычислять как логарифм числа K по основанию 2:
I = Log 2 K, (2.1)
где K = m n .
То есть, количество информации, содержащееся в последовательности из n символов из алфавита A m , в соответствии с формулой Хартли равно
I = Log 2 (m n) = n Log 2 m . (2.2)
Замечание 1. Хартли предполагал, что все символы алфавита A m могут с равной вероятностью (частотой) встретиться в любом месте сообщения. Это условие нарушается для алфавитов естественных языков: например, не все буквы русского алфавита встречаются в тексте с одинаковой частотой.
Замечание 2. Любое сообщение длины n в алфавите A m будет содержать одинаковое количество информации. Например, в алфавите {0; 1} сообщения 00111, 11001 и 10101 содержат одинаковое количество информации. Это означает, что при вычислении количества информации, содержащегося в сообщении, мы отвлекаемся от его смыслового содержания. «Осмысленное» сообщение и сообщение, полученное из него произвольной перестановкой символов, будут содержать одинаковое количество информации.
Пример. В телеграфном сообщении используются два символа - точка (.) и тире (-), т.е. алфавит состоит из m = 2 символов. Тогда при передаче одного символа (n =1) количество информации I = Log 2 2 = 1. Это количество было принято за единицу измерения количества информации и называется 1 бит (от английского binary unit = bit ). Если телеграфное сообщение в алфавите {. ; -} содержит n символов, то количество информации I = n Log 2 2 = n (бит).
С помощью символов 0 и 1 кодируется информация в компьютере и при передаче в вычислительных сетях, т.е. алфавит состоит из двух символов {0 ; 1}; один символ и в этом случае содержит I = Log 2 2 = 1 бит информации, поэтому сообщение длиной n символов в алфавите {0 ; 1} в соответствии с формулой Хартли (2.2) будет содержать n бит информации.
Если рассматривать передачу сообщений в алфавите русского языка, состоящего из 33 букв, то количество информации, содержащееся в сообщении из n символов, вычисленное по формуле Хартли, равно I = n*Log 2 33 » n* 5.0444 бит. Английский алфавит содержит 26 букв, один символ содержит Log 2 26 » 4.7 бит, поэтому сообщение из n символов, вычисленное по формуле Хартли, содержит n* Log 2 26 » 4.7 *n бит информации. Однако, этот результат не является правильным, так как не все буквы встречаются в тексте с одинаковой частотой. Кроме того, к буквам алфавита надо добавить разделительные знаки: пробел, точку, запятую и др.
Формула (2.1) внешне напоминает формулу Больцмана для вычисления энтропии системы с N равновероятными микросостояниями:
S= - k*Ln(W), (2.3)
где k - постоянная Больцмана = 1,38*10 -23 , а W- вероятность спонтанного принятия одного из микросостояний системы в единицу времени t = 10 -13 сек., W = 1/N, т.е.
S= -k*Ln(1/N) = k*Ln(N), (2.4)
что полностью согласуется с формулой (2.1) за исключением множителя k и основания логарифма. Из-за этого внешнего сходства величину Log 2 K в теории информации также называют энтропией и обозначают символом H. Информационная энтропия - это мера неопределённости состояния некоторой случайной величины (физической системы) с конечным или счётным числом состояний. Случайная величина (с.в.) - это величина, которая в результате эксперимента или наблюдения принимает числовое значение, заранее неизвестно какое.
Итак, пусть X - случайная величина, которая может принимать N различных значений x 1 , x 2 , … x N ; если все значения с.в. X равновероятны, то энтропия (мера неопределённости) величины X равна:
H(X) = Log 2 N. (2.5)
Замечание. Если случайная величина (система) может находиться только в одном состоянии (N=1), то её энтропия равна 0. Фактически это уже не случайная величина. Неопределённость системы тем выше, чем больше число её возможных равновероятных состояний.
Энтропия и количество информации измеряются в одних и тех же единицах - в битах.
Определение. 1 бит - это энтропия системы с двумя равновероятными состояниями.
Пусть система X может находиться в двух состояниях x1 и x2 с равной вероятностью, т.е. N = 2; тогда её энтропия H(X) = Log 2 2 = 1 бит. Пример такой системы даёт нам монета, при подбрасывании которой выпадает либо орёл (x1), либо решка (x2). Если монета «правильная», то вероятность выпадения орла или решки одинаковая и равна 1/2.
Дадим ещё одно определение единицы измерения информации.
Определение. Ответ на вопрос любой природы (любого характера) содержит 1 бит информации, если он с равной вероятностью может быть «да» или «нет».
Пример. Игра в «пусто-густо». Вы прячете мелкий предмет в одной руке и предлагаете партнёру угадать, в какой руке вы его спрятали. Он спрашивает вас « в левой руке?» (или просто выбирает руку: левую или правую). Вы отвечаете «да», если он угадал, или «нет», в противном случае. При любом варианте ответа партнёр получает 1 бит информации, а неопределённость ситуации полностью снимается.
Формулу Хартли можно использовать при решении задач на определение выделенного элемента некоторого заданного множества. Этот результат можно сформулировать в виде следующего правила.
Если в заданном множестве M, состоящем из N элементов, выделен некоторый элемент x, о котором ничего более неизвестно, то для определения этого элемента необходимо получить Log 2 N бит информации.
Рассмотрим несколько задач на применение формулы Хартли.
Задача 1. Некто задумал натуральное число в диапазоне от 1 до 32. Какое минимальное число вопросов надо задать, чтобы гарантированно угадать задуманное (выделенное) число. Ответы могут быть только «да» или «нет».
Комментарий. Можно попытаться угадать задуманное число простым перебором. Если повезёт, то придётся задать только один вопрос, а при самом неудачном варианте перебора придётся задать 31 вопрос. В предложенной задаче нужно определить минимальное число вопросов, с помощью которых вы гарантированно определяете задуманное число.
Решение. По формуле Хартли можно вычислить количество информации, которое необходимо получить для определения выделенного элемента x из множества целых чисел {1,2,3 32}. Для этого необходимо получить Н = Log 2 32 = 5 бит информации. Вопросы надо задавать так, чтобы ответы на них были равновероятны. Тогда ответ на каждый такой вопрос будет приносить 1 бит информации. Например, можно разбить числа на две равные группы от 1 до 16 и от 17 до 32 и спросить, в какой группе находится задуманное число. Далее, аналогично следует поступить с выделенной группой, которая содержит уже лишь 16 чисел, и т.д. Пусть, например, задумано число 7.
Вопрос №1: Задуманное число принадлежит множеству {17; 32}? Ответ «нет» приносит вам 1 бит информации. Мы теперь знаем, что число принадлежит множеству {1 ; 16}.
Вопрос №2: Задуманное число принадлежит множеству {1 ; 8}? Ответ «да» приносит вам ещё 1 бит информации. Мы теперь знаем, что число принадлежит множеству {1 ; 8}.
Вопрос №3: Задуманное число принадлежит множеству {1 ; 4}? Ответ «нет» приносит вам ещё 1 бит информации. Мы теперь знаем, что число принадлежит множеству {5 ; 8}.
Вопрос №4: Задуманное число принадлежит множеству {7 ; 8}? Ответ «да» приносит вам ещё 1 бит информации. Мы теперь знаем, что число принадлежит множеству {7 ; 8}.
Вопрос №5: Задуманное число равно 8? Ответ «нет» приносит вам ещё 1 бит информации. Мы теперь знаем, что задуманное число равно 7. Задача решена. Было задано пять вопросов, в ответ получено 5 бит информации и определено задуманное число. ‚
Задача 2. (Задача о фальшивой монете). Имеется 27 монет, из которых 26 настоящих и одна фальшивая. Каково минимальное число взвешиваний на рычажных весах, за которое можно гарантированно определить одну фальшивую монету из 27, используя то, что фальшивая монета легче настоящей.
Рычажные весы имеют две чашки и с их помощью можно лишь установить, одинаково ли по весу содержимое чашек, и если нет, то содержимое какой из чашек тяжелее.
Решение. Это задача на определение одного выделенного элемента из 27. По формуле Хартли мы сразу можем определить количество информации, которое нужно получить для определения фальшивой монеты: оно равно I = Log 2 27 = Log 2 (3 3) = 3 Log 2 3 бит. Отметим, что ещё не зная стратегии взвешивания, можно сказать, сколько информации мы должны получить для решения задачи.
Если положить на чашки весов равное количество монет, то возможны три равновероятных исхода:
1. Левая чашка тяжелее правой (Л > П);
2. Левая чашка легче правой (Л < П);
3. Левая чашка находится в равновесии с правой (Л = П);
Система «рычажные весы» может находиться в трёх равновероятных состояниях, поэтому одно взвешивание даёт Log 2 3 бит информации. Всего для решения задачи надо получить I = 3 Log 2 3 бит информации, значит надо сделать три взвешивания для определения фальшивой монеты. Мы уже знаем минимальное число взвешиваний, но ещё не знаем, как их следует проводить. Стратегия должна быть такой, чтобы каждое взвешивание давало максимальное количество информации. Разделим все монеты на три равные кучки A, B и C по 9 штук в каждой. Фальшивая монета, обозначим её буквой f, может с равной вероятность находиться в любой из трёх кучек. Выберем любые две из них, например A и B, и взвесим их.
Возможны три исхода:
1) A тяжелее B (A > B); значит f Î B;
2) A легче B (A < B); значит f Î A;
3) A находится в равновесии с B (A = B); значит f Î С.
При любом исходе мы определим в какой кучке находится фальшивая монета f, но в этой кучке будет уже только 9 монет. Разобъём её на три равные кучки A1, B1, C1 по 3 монеты в каждой. Выберем любые две и взвесим их. Как и на предыдущем шаге, мы определим ту кучку монет, в которой находится фальшивая монета, но теперь кучка состоит только из трёх монет. Выберем любые две монеты и взвесим их. Это будет последнее, третье взвешивание, после которого мы найдём фальшивую монету.
Задача 3 . Не используя калькулятор, оцените с точность до одного бита энтропию системы, которая может с равной вероятностью находится в 50 состояниях.
Решение. По формуле Хартли H = Log 2 50. Оценим данное выражение.
Очевидно, 32 < 50 < 64; логарифмируем это неравенство à Log 2 32 < Log 2 50 < Log 2 64 à 5 < Log 2 50 < 6. Энтропия системы с точностью до 1 бита 5 < H < 6 . ‚
Задача 4. Известно, что энтропия системы составляет 7 бит. Определите число состояний этой системы, если известно, что все они равновероятны.
Решение. Обозначим через N число состояний системы. Так как все состояния равновероятны, то H = Log 2 N à N = 2 H , т.е. N = 2 7 = 128.
Хартли в 1928, а затем Шеннон в 1948 предложили формулы для вычисления количества информации, но вопрос о природе информации остался открытым. Шеннон научился измерять количество информации, передаваемой по каналам связи, однако на вопрос о том, что такое информация он не ответил.
Формула Хартли. В 1928 Хартли предложил формулу для вычисления количества информации, необходимого для нахождения (угадывания) одного выделенного элемента x из множества M, содержащего N элементов. Это количество информации вычисляется по формуле
Неопределённость ситуации (энтропия H) в этом случае тем больше, чем больше N. Очевидно, что при N=1 неопределённость вообще отсутствует - Н=0; В этом случае множество М состоит из одного элемента, и количество информации, необходимое для нахождения x, равно нулю.
Если N =2, то для «угадывания» одно элемента из требуется Н=Log 2 (2) =1 единица информации. Это количество информации принято за единицу измерения и называется 1 бит.
Дальнейшее развитие теория измерения информации получила в работа К. Шеннона.
В 1948 году Шеннон опубликовал свой opus magnum «Математическая теория связи». Вот как он формулировал задачу: «фундаментальной проблемой связи является воспроизведение в одной точке, точно или приблизительно, сообщения, собранного в другой точке». Собственно, вся терминология науки о коммуникациях была введена именно Шенноном.
В теории Шеннона изучаются сведения, которые кодируются и передаются в форме сигналов техническими средствами. (Это скорее ДАННЫЕ, чем информация). Здесь можно ввести количественную меру информации - 1 бит.
Суть подхода Шеннона к определению количества информации, необходимого для выяснения состояния некоторой системы, состоит в следующем.
Определение. Если Х – случайная величина (физическая система),принимающая значения (состояния) x i c вероятностью р i , то энтропия случайной величины X
H(X)= - Sр i * Log 2 (р i) , i = 1,2,...n
Наибольшее значение H(X) принимает в случае, когда все р i = p = 1/n:
H(X) = Log 2 (n),
и мы приходим к формуле Хартли.
Log 2 (n) >= - Sр i * Log 2 (р i)
Вероятность - количественная мера возможности некоторого события. Некоторые события более возможны, чем другие. Есть невозможное событие Q- его вероятность р(Q) =0. Есть достоверное событие W, его вероятность р(W)= 1. Для других событий A, которые не являются ни достоверными, ни невозможными выполняется соотношение 0 < p(A) < 1.
Первоначально Шеннон интересовался передачей зашифрованных сообщений, и предложил способ вычисления количества информации, содержащейся в таком сообщении.
Текстовое сообщение, состоящее из N букв содержит
единиц информации, где М -число букв в алфавите, p i - частота буквы под номером i.
Каждое передаваемое сообщение имеет свое содержание. Но в подходе Шеннона оно совершенно несущественно при передаче информации по каналу связи. Бессмысленные сообщения передаются также, как и осмысленные. Количество информации, вычисленное по формуле Шеннона, для осмысленного сообщения, и сообщения полученного из него произвольной перестановкой букв, будет одинаковым.
Если алфавит бинарный = {1;0}, и сообщение состоит из N букв, то I = Log 2 (2 N) = N бит.