Содержательный подход. 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 = log2N или N = 2i
Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: I = log2100 > 6,644. Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.
Приведем другие примеры равновероятных сообщений:
1. при бросании монеты: «выпала решка», «выпал орел»;
2. 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, станция метро, 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 = - ( p1log2 p1 + p2 log2 p2 + . . . + pN log2 pN),
где pi — вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.
Легко заметить, что если вероятности p1, ..., pN 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 — binary digit — 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 внутримашинного 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=28).
Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:
1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт,
1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт,
1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.
В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:
1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт,
1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 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.
Количество информации, заключенное в сообщении, определяется объемом знаний, который несет это сообщение получающему его человеку. Сообщение содержит информацию для человека, если заключенные в нем сведения являются для этого человека новыми и понятными, и, следовательно, пополняют его знания.
При содержательном подходе возможна качественная оценка информации: полезная, безразличная, важная, вредная, … Одну и туже информацию разные люди могут оценить по-разному.
Информацию, которую получает человек, можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний. Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний, то можно говорить, что такое сообщение содержит информацию.
За единицу количества информации принято такое количество информации, которое мы получаем при уменьшении неопределенности в 2 раза. Такая единица названа бит.
В компьютере информация представлена в двоичном коде или на машинном языке, алфавит которого состоит из двух цифр (0 и 1). Эти цифры можно рассматривать как два равновероятных состояния. При записи одного двоичного разряда реализуется выбор одного из двух возможных состояний (одной из двух цифр) и, следовательно, один двоичный разряд несет количество информации в 1 бит. Два двоичных разряда несут информацию 2 бита, три разряда – 3 бита и т.д.
Поставим теперь обратную задачу и определим: «Какое количество различных двоичных чисел N можно записать с помощью I двоичных разрядов?» С помощью одного двоичного разряда можно записать 2 различных числа (N=2=21), с помощью двух двоичных разрядов можно записать четыре двоичных числа (N=4=22), с помощью трех двоичных разрядов можно записать восемь двоичных чисел (N=8=23) и т.д.
В общем случае количество различных двоичных чисел можно определить по формуле
N=2I,
где I – количество информации;
N – количество возможных событий (равновероятных)!!!;
В математике существует функция, с помощью которой решается показательное уравнение, эта функция называется логарифмом. Решение такого уравнения имеет вид:
.
Если события равновероятны, то количество информации определяется по данной формуле.
Количество информации для событий с различными вероятностями определяется по формуле Шеннона:
,
где I – количество информации;
N – количество возможных событий;
Pi – вероятность отдельных событий.
Пример 3.4
В барабане для розыгрыша лотереи находится 32 шара. Сколько информации содержит сообщение о первом выпавшем номере (например, выпал номер 15)?
Решение:
Поскольку вытаскивание любого из 32 шаров равновероятно, то количество информации об одном выпавшем номере находится из уравнения: 2I=32.
Но 32=25. Следовательно, I=5 бит. Очевидно, ответ не зависит от того, какой именно выпал номер.
Пример 3.5
Какое количество вопросов достаточно задать вашему собеседнику, чтобы наверняка определить месяц, в котором он родился?
Решение:
Будем рассматривать 12 месяцев как 12 возможных событий. Если спрашивать о конкретном месяце рождения, то, возможно, придется задать 11 вопросов (если на 11 первых вопросов был получен отрицательный ответ, то 12-й задавать не обязательно, так как он и будет правильным).
Правильнее задавать «двоичные» вопросы, то есть вопросы, на которые можно ответить только «да» или «нет». Например, «Вы родились во второй половине года?». Каждый такой вопрос разбивает множество вариантов на два подмножества: одно соответствует ответу «да», а другое – ответу «нет».
Правильная стратегия состоит в том, что вопросы нужно задавать так, чтобы количество возможных вариантов каждый раз уменьшалось вдвое. Тогда количество возможных событий в каждом из полученных подмножеств будет одинаково и их отгадывание равновероятно. В этом случае на каждом шаге ответ («да» или «нет») будет нести максимальное количество информации (1 бит).
По формуле 2 и с помощью калькулятора получаем:
бита.
Количество полученных бит информации соответствует количеству заданных вопросов, однако количество вопросов не может быть нецелым числом. Округляем до большего целого числа и получаем ответ: при правильной стратегии необходимо задать не более 4 вопросов.
Пример 3.6
После экзамена по информатике, который сдавали ваши друзья, объявляются оценки («2», «3», «4» или «5»). Какое количество информации будет нести сообщение об оценке учащегося А, который выучил лишь половину билетов, и сообщение об оценке учащегося В, который выучил все билеты.
Решение:
Опыт показывает, что для учащегося А все четыре оценки (события) равновероятны и тогда количество информации, которое несет сообщение об оценке, можно вычислить по формуле (1):
бита.
На основании опыта можно также предположить, что для учащегося В наиболее вероятной оценкой является «5» (p1=1/2), вероятность оценки «4» в два раза меньше (p2=1/4), а вероятности оценок «2» и «3» еще в два раза меньше (p3 =p4=1/8). Так как события неравновероятны, воспользуемся для подсчета количества информации в сообщении формулой 2:
бита
Вычисления показали, что при равновероятных событиях мы получаем большее количество информации, чем при неравновероятных событиях.
Пример 3.7
В непрозрачном мешочке хранятся 10 белых, 20 красных, 30 синих и 40 зеленых шариков. Какое количество информации будет содержать зрительное сообщение о цвете вынутого шарика.
Решение:
Так как количество шариков разного цвета неодинаково, то вероятности зрительных сообщений о цвете вынутого из мешочка шарика также различаются и равны количеству шариков данного цвета деленному на общее количество шариков:
Pб=0,1; Pк=0,2; Pс=0,3; Pз=0,4.
События неравновероятны, поэтому для определения количества информации, содержащегося в сообщении о цвете шарика, воспользуемся формулой 2:
бит
Для вычисления этого выражения, содержащего логарифмы можно воспользоваться калькулятором. I»1,85 бита.
Пример 3.8
Используя формулу Шеннона, достаточно просто определить, какое количество бит информации или двоичных разрядов необходимо, чтобы закодировать 256 различных символов. 256 различных символов можно рассматривать как 256 различных равновероятных состояний (событий). В соответствии с вероятностным подходом к измерению количества информации необходимое количество информации для двоичного кодирования 256 символов равно:
I=log2256=8 бит=1 байт
Следовательно, для двоичного кодирования 1 символа необходим 1 байт информации или 8 двоичных разрядов.
Какое количество информации содержится, к примеру, в тексте романа «Война и мир», во фресках Рафаэля 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.