香农（Shannon）模式的内容和意义

香农

克劳德·香农(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1916年4月30日诞生于美国密西根州的Petoskey。在Gaylord小镇长大，当时镇里只有三千居民。父亲是该镇的法官，他们父子的姓名完全相同，都是Claude Elwood Shannon。母亲是镇里的中学校长，姓名是Mabel Wolf Shannon。他生长在一个有良好教育的环境，不过父母给他的科学影响好像还不如祖父的影响大。香农的祖父是一位农场主兼发明家，发明过洗衣机和许多农业机械，这对香农的影响比较直接。此外，香农的家庭与大发明家爱迪生(Thomas Alva Edison，1847-1931)还有远亲关系。

香农的大部分时间是在贝尔实验室和MIT(麻省理工学院)度过的。在“功成名就”后，香农与玛丽(Mary Elizabeth Moore)1949年3月27日结婚，他们是在贝尔实验室相识的，玛丽当时是数据分析员。他们共有四个孩子：三个儿子Robert、James、Andrew Moore和一个女儿Margarita Catherine。后来身边还有两个可爱的孙女。

2001年2月24日，香农在马萨诸塞州Medford辞世，享年85岁。贝尔实验室和MIT发表的讣告都尊崇香农为信息论及数字通信时代的奠基之父。

1936年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进入MIT念研究生。

1938年香农在MIT获得电气工程硕士学位，硕士论文题目是《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》(继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性，即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基?9?鸫笱У馁さ悄?Howard Gardner)教授说，“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”

1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类遗传学的，题目是《An Algebra for Theoretical Genetics》(理论遗传学的代数学)。这说明香农的科学兴趣十分广泛，后来他在不同的学科方面发表过许多有影响的文章。

在读学位的同时，他还用部分时间跟温尼法·布什(Vannevar Bush)教授进行微分分析器的研究。这种分析器是早期的机械模拟计算机，用于获得常微分方程的数值解。1941年香农发表了《Mathematical theory of the differential analyzer》(微分分析器的数学理论)，他写道：“大多数结果通过证明的定理形式给出。最重要的是处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些注意事项，给出求函数的近似值(不能产生精确值)、求调整率的近似值以及自动控制速率的方法。”

1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年，从24岁到55岁，整整31年。1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。

人们描述香农的生活，白天他总是关起门来工作，晚上则骑着他的独轮车来到贝尔实验室。他的同事D. Slepian写到：“我们大家都带着午饭来上班，饭后在黑板上玩玩数学游戏，但克劳德很少过来。他总是关起门来工作。但是，如果你要找他，他会非常耐心地帮助你。他能立刻抓住问题的本质。他真是一位天才，在我认识的人中，我只对他一人使用这个词。”

香农与John Riordan一起工作，1942年发表了一篇关于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马洪(Percy A. MacMahon，1854-1929)1892年在Electrician上发表的论文理论。1948年则创立了信息论(information theory)。

在漫长的岁月，他思考过许多问题。除在普林斯顿高等研究院工作过一年外，主要都在MIT和Bell Lab度过。需要说明的是，在二次世界大战时，香农博士也是一位著名的密码破译者(这使笔者想到比他大4岁的图灵博士)。他在Bell Lab的破译团队主要是追踪德国飞机和火箭，尤其是在德国火箭对英国进行闪电战时起了很大作用。1949年香农发表了另外一篇重要论文《Communication Theory of Secrecy Systems》(保密系统的通信理论)，正是基于这种工作实践，它的意义是使保密通信由艺术变成科学。

1948年香农在Bell System Technical Journal上发表了《A Mathematical Theory of Communication 》。论文由香农和威沃共同署名。前辈威沃(Warren Weaver，1894-1978)当时是洛克菲勒基金会自然科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句，该论文刚发表时，使用的是不定冠词A，收入论文集时改为定冠词The。

熵的概念

香农理论的重要特征是熵(entropy)的概念，他证明熵与信息内容的不确定程度有等价关系。熵曾经是波尔兹曼在热力学第二定律引入的概念，我们可以把它理解为分子运动的混乱度。信息熵也有类似意义，例如在中文信息处理时，汉字的静态平均信息熵比较大，中文是9.65比特，英文是4.03比特。这表明中文的复杂程度高于英文，反映了中文词义丰富、行文简练，但处理难度也大。信息熵大，意味着不确定性也大。因此我们应该深入研究，以寻求中文信息处理的深层突破。不能盲目认为汉字是世界上最优美的文字，从而引申出汉字最容易处理的错误结论。

众所周知，质量、能量和信息量是三个非常重要的量。

人们很早就知道用秤或者天平计量物质的质量大?H欢颐枪赜谌取⑷剂稀⒐τ肽艿募屏课侍猓?僦?9世纪中叶，随着热功当量的明确和能量守恒定律的建立才逐渐清楚。能量一词就是它们的总称，而能量的计量则通过“卡、焦耳”等新单位的出现而得到解决。

然而，关于文字、数字、图画、声音的知识已有几千年历史了。但是它们的总称是什么，它们如何统一地计量，直到19世纪末还没有被正确地提出来，更谈不上如何去解决了。20世纪初期，随着电报、电话、照片、电视、无线电、雷达等的发展，如何计量信号中信息量的问题被隐约地提上日程。

1928年哈特利(R.V. H. Harley)考虑到从D个彼此不同的符号中取出N个符号并且组成一个“词”的问题。如果各个符号出现的概率相同，而且是完全随机选取的，就可以得到DN个不同的词。从这些词里取了特定的一个就对应一个信息量I。哈特利建议用N log D这个量表示信息量，即I=N log D 。这里的log表示以10为底的对数。后来，1949年控制论的创始人维纳也研究了度量信息的问题，还把它引向热力学第二定律。

但是就信息传输给出基本数学模型的核心人物还是香农。1948年香农长达数十页的论文“通信的数学理论”成了信息论正式诞生的里程碑。在他的通信数学模型中，清楚地提出信息的度量问题，他把哈特利的公式扩大到概率pi不同的情况，得到了著名的计算信息熵H的公式：

H=∑-pi log pi

如果计算中的对数log是以2为底的，那么计算出来的信息熵就以比特(bit)为单位。今天在电脑和通信中广泛使用的字节(Byte)、KB、MB、GB等词都是从比特演化而来。“比特”的出现标志着人类知道了如何计量信息量。香农的信息论为明确什么是信息量概念作出决定性的贡献。

事实上，香农最初的动机是把电话中的噪音除掉，他给出通信速率的上限，这个结论首先用在电话上，后来用到光纤，现在又用在无线通信上。我们今天能够清晰地打越洋电话或卫星电话，都与通信信道质量的改善密切相关。

克劳德·香农在公众中并不特别知名，但他是使我们的世界能进行立即通信的少数科学家和思想家之一。他是美国科学院院士、美国工程院院士、英国皇家学会会员、美国哲学学会会员。他获得过许多荣誉和奖励。例如1949年Morris奖、1955年Ballantine奖、1962年Kelly奖、1966年的国家科学奖章、IEEE的荣誉奖章、1978年Jaquard奖、1983年Fritz奖、1985年基础科学京都奖。他接受的荣誉学位不胜枚举，不再赘述。

今天，我们怀念香农，要熟悉他的两大贡献：一是信息理论、信息熵的概念；另一是符号逻辑和开关理论。我们更应该学习他好奇心强、重视实践、追求完美、永不满足的科学精神，这是他获得成功的重要经验。

信息之父是？

During the 19th century, Britain,France, andGermanywere at the forefront of new ideas in science and mathematics. But if theUnited Stateslagged behind in the formulation of theory, it excelled in using theory to solve problems: applied science. This tradition had been born of necessity. Because Americans lived so far from the well-springs of Western science and manufacturing, they often had to figure out their own ways of doing things. When Americans combined theoretical knowledge with \"Yankee ingenuity\", the result was a flow of important inventions. The great American inventors include Robert Fulton (the steamboat); Samuel Morse (the telegraph); Eli Whitney (the cotton gin); Cyrus McCormick (the reaper); and Thomas Alva Edison, the most fertile of them All with more than a thousand inventions credited to his name.

Edison was not always the first to devise a scientific application, but he was frequently the one to bring an idea to a practical finish. For example, the British engineer Joseph Swan built an incandescent electric lamp in 1860, almost 20 years beforeEdison. ButEdison\'s light bulbs lasted much longer than Swan\'s, and they could be turned on and off individually, while Swan\'s bulbs could be used only in a system where several lights were turned on or off at the same time.Edisonfollowed up his improvement of the light bulb with the development of electrical generating systems. Within 30 years, his inventions had introduced electric lighting into millions of homes.

Another landmark application of scientific ideas to practical uses was the innovation of the brothers Wilbur and Orville Wright. In the 1890s they became fascinated with accounts of German glider experiments and began their own investigation into the principles of flight. Combining scientific knowledge and mechanical skills, the Wright brothers built and flew several gliders. Then, on December 17, 1903, they successfully flew the first heavier-than-air, mechanically propelled airplane.

An American invention that was barely noticed in 1947 went on to usher in the Information Age. In that year John Bardeen, William Shockley, and Walter Brattain ofBellLaboratories drew upon highly sophisticated principles of quantum physics to invent the transistor, a small substitute for the bulky vacuum tube. This, and a device invented 10 years later, the integrated circuit, made it possible to package enormous amounts of electronics into tiny containers. As a result, book-sized computers of today can outperform room-sized computers of the 1960s, and there has been a revolution in the way people live – in how they work, study, conduct business, and engage in research.

One of the most spectacular – and controversial – accomplishments ofUStechnology has been the harnessing of nuclear energy. The concepts that led to the splitting of the atom were developed by the scientists of many countries, but the conversion of these ideas into the reality of nuclear fission was accomplished in the United States in early 1940s, both by many Americans but also aided tremendously by the influx of European intellectuals fleeing the growing conflagration sparked by Adolf Hitler and Benito Mussolini in Europe.

During these crucial years, a number of the most prominent European scientists, especially physicists, immigrated to the United States, where they would do much of their most important work; these included Hans Bethe, Albert Einstein, Enrico Fermi, Leó Szilárd, Edward Teller, Felix Bloch, Emilio Segrè, and Eugene Wigner, among many, many others. American academics worked hard to find positions at laboratories and universities for their European colleagues.

After German physicists split a uranium nucleus in 1938, a number of scientists concluded that a nuclear chain reaction was feasible and possible. In a letter to President Franklin Roosevelt, written by Leó Szilárd and signed by Albert Einstein, warned that this breakthrough would permit the construction of \"extremely powerful bombs.\" This warning inspired an executive order towards the investigation of using uranium as a weapon, which later was superseded during World War II by theManhattanProject the full Allied effort to be the first to build an atomic bomb. The project bore fruit when the first such bomb was exploded inNew Mexicoon July 16, 1945.

The development of the bomb and its use againstJapanin August 1945 initiated the Atomic Age, a time of anxiety over weapons of mass destruction that has lasted through the Cold War and down to the anti-proliferation efforts of today. Even so, the Atomic Age has also been characterized by peaceful uses of nuclear power, as in the advances in nuclear power and nuclear medicine.

Along with the production of the atomic bomb, World War II also saw the entrance of an era known as \"Big Science\" with increased government patronage of scientific research. The advantage of a scientifically and technologically sophisticated country became all too apparent during wartime, and in the ideological Cold War to follow the importance of scientific strength in even peacetime applications became too much for the government to any more leave to philanthropy and private industry alone. This increased expenditure on scientific research and education propelled the United States to the forefront of the international scientific community—an amazing feat for a country which only a few decades before still had to send its most promising students to Europe for extensive scientific education.

香农

　克劳德·香农(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1916年4月30日诞生于美国密西根州的Petoskey。在Gaylord小镇长大，当时镇里只有三千居民。父亲是该镇的法官，他们父子的姓名完全相同，都是Claude Elwood Shannon。母亲是镇里的中学校长，姓名是Mabel Wolf Shannon。他生长在一个有良好教育的环境，不过父母给他的科学影响好像还不如祖父的影响大。香农的祖父是一位农场主兼发明家，发明过洗衣机和许多农业机械，这对香农的影响比较直接。此外，香农的家庭与大发明家爱迪生(Thomas Alva Edison，1847-1931)还有远亲关系。

香农的大部分时间是在贝尔实验室和MIT(麻省理工学院)度过的。在“功成名就”后，香农与玛丽(Mary Elizabeth Moore)1949年3月27日结婚，他们是在贝尔实验室相识的，玛丽当时是数据分析员。他们共有四个孩子：三个儿子Robert、James、Andrew Moore和一个女儿Margarita Catherine。后来身边还有两个可爱的孙女。

2001年2月24日，香农在马萨诸塞州Medford辞世，享年85岁。贝尔实验室和MIT发表的讣告都尊崇香农为信息论及数字通信时代的奠基之父。

1936年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进入MIT念研究生。

1938年香农在MIT获得电气工程硕士学位，硕士论文题目是《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》(继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性，即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基?9?鸫笱У馁さ悄?Howard Gardner)教授说，“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”

1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类遗传学的，题目是《An Algebra for Theoretical Genetics》(理论遗传学的代数学)。这说明香农的科学兴趣十分广泛，后来他在不同的学科方面发表过许多有影响的文章。

在读学位的同时，他还用部分时间跟温尼法·布什(Vannevar Bush)教授进行微分分析器的研究。这种分析器是早期的机械模拟计算机，用于获得常微分方程的数值解。1941年香农发表了《Mathematical theory of the differential analyzer》(微分分析器的数学理论)，他写道：“大多数结果通过证明的定理形式给出。最重要的是处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些注意事项，给出求函数的近似值(不能产生精确值)、求调整率的近似值以及自动控制速率的方法。”

1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年，从24岁到55岁，整整31年。1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。

人们描述香农的生活，白天他总是关起门来工作，晚上则骑着他的独轮车来到贝尔实验室。他的同事D. Slepian写到：“我们大家都带着午饭来上班，饭后在黑板上玩玩数学游戏，但克劳德很少过来。他总是关起门来工作。但是，如果你要找他，他会非常耐心地帮助你。他能立刻抓住问题的本质。他真是一位天才，在我认识的人中，我只对他一人使用这个词。”

香农与John Riordan一起工作，1942年发表了一篇关于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马洪(Percy A. MacMahon，1854-1929)1892年在Electrician上发表的论文理论。1948年则创立了信息论(information theory)。

在漫长的岁月，他思考过许多问题。除在普林斯顿高等研究院工作过一年外，主要都在MIT和Bell Lab度过。需要说明的是，在二次世界大战时，香农博士也是一位著名的密码破译者(这使笔者想到比他大4岁的图灵博士)。他在Bell Lab的破译团队主要是追踪德国飞机和火箭，尤其是在德国火箭对英国进行闪电战时起了很大作用。1949年香农发表了另外一篇重要论文《Communication Theory of Secrecy Systems》(保密系统的通信理论)，正是基于这种工作实践，它的意义是使保密通信由艺术变成科学。

1948年香农在Bell System Technical Journal上发表了《A Mathematical Theory of Communication 》。论文由香农和威沃共同署名。前辈威沃(Warren Weaver，1894-1978)当时是洛克菲勒基金会自然科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句，该论文刚发表时，使用的是不定冠词A，收入论文集时改为定冠词The。

熵的概念

香农理论的重要特征是熵(entropy)的概念，他证明熵与信息内容的不确定程度有等价关系。熵曾经是波尔兹曼在热力学第二定律引入的概念，我们可以把它理解为分子运动的混乱度。信息熵也有类似意义，例如在中文信息处理时，汉字的静态平均信息熵比较大，中文是9.65比特，英文是4.03比特。这表明中文的复杂程度高于英文，反映了中文词义丰富、行文简练，但处理难度也大。信息熵大，意味着不确定性也大。因此我们应该深入研究，以寻求中文信息处理的深层突破。不能盲目认为汉字是世界上最优美的文字，从而引申出汉字最容易处理的错误结论。

众所周知，质量、能量和信息量是三个非常重要的量。

人们很早就知道用秤或者天平计量物质的质量大?H欢?颐枪赜谌取⑷剂稀⒐τ肽艿募屏课侍猓?僦?9世纪中叶，随着热功当量的明确和能量守恒定律的建立才逐渐清楚。能量一词就是它们的总称，而能量的计量则通过“卡、焦耳”等新单位的出现而得到解决。

然而，关于文字、数字、图画、声音的知识已有几千年历史了。但是它们的总称是什么，它们如何统一地计量，直到19世纪末还没有被正确地提出来，更谈不上如何去解决了。20世纪初期，随着电报、电话、照片、电视、无线电、雷达等的发展，如何计量信号中信息量的问题被隐约地提上日程。

1928年哈特利(R.V. H. Harley)考虑到从D个彼此不同的符号中取出N个符号并且组成一个“词”的问题。如果各个符号出现的概率相同，而且是完全随机选取的，就可以得到DN个不同的词。从这些词里取了特定的一个就对应一个信息量I。哈特利建议用N log D这个量表示信息量，即I=N log D 。这里的log表示以10为底的对数。后来，1949年控制论的创始人维纳也研究了度量信息的问题，还把它引向热力学第二定律。

但是就信息传输给出基本数学模型的核心人物还是香农。1948年香农长达数十页的论文“通信的数学理论”成了信息论正式诞生的里程碑。在他的通信数学模型中，清楚地提出信息的度量问题，他把哈特利的公式扩大到概率pi不同的情况，得到了著名的计算信息熵H的公式：

H=∑-pi log pi

如果计算中的对数log是以2为底的，那么计算出来的信息熵就以比特(bit)为单位。今天在电脑和通信中广泛使用的字节(Byte)、KB、MB、GB等词都是从比特演化而来。“比特”的出现标志着人类知道了如何计量信息量。香农的信息论为明确什么是信息量概念作出决定性的贡献。

事实上，香农最初的动机是把电话中的噪音除掉，他给出通信速率的上限，这个结论首先用在电话上，后来用到光纤，现在又用在无线通信上。我们今天能够清晰地打越洋电话或卫星电话，都与通信信道质量的改善密切相关。

克劳德·香农在公众中并不特别知名，但他是使我们的世界能进行立即通信的少数科学家和思想家之一。他是美国科学院院士、美国工程院院士、英国皇家学会会员、美国哲学学会会员。他获得过许多荣誉和奖励。例如1949年Morris奖、1955年Ballantine奖、1962年Kelly奖、1966年的国家科学奖章、IEEE的荣誉奖章、1978年Jaquard奖、1983年Fritz奖、1985年基础科学京都奖。他接受的荣誉学位不胜枚举，不再赘述。

今天，我们怀念香农，要熟悉他的两大贡献：一是信息理论、信息熵的概念；另一是符号逻辑和开关理论。我们更应该学习他好奇心强、重视实践、追求完美、永不满足的科学精神，这是他获得成功的重要经验。