揭示了宇宙奥秘的人

　　今天是香农诞辰103年，他是信息论和人工智能的奠基人，他的研究成果深远的影响着这个时代，他谦逊的品格也鼓舞着后来人不断进取，这是一个值得被人铭记的名字，正因为信息的传播打破了时空的限制，像空气和水一样廉价，如果世人传颂我的故事，让他们说，我曾与英雄同在，我活在信息时代。

　　1943年，第二次世界大战正使全世界处于动荡不安之中，同时也是全球精英突破各种困难之时，克劳德·香农和阿兰·图灵正是在这阶段认识的，他们在研究如何破译轴心国的加密信息。他们曾在贝尔实验室餐厅共进午餐，他们都相信机器可以被赋予思考的力量。双方的讨论会很激烈，香农提议将有文化的东西灌入电子的大脑中，图灵则说不，我对建造一颗强大的大脑不感兴趣，我只想要一颗普通的大脑。，这些聊天让人目瞪口呆，机器能被赋予智能么？

　　香农在研究密码学时，发现任何语言都有一定的统计结构和冗余。比如，在一篇文章中，去掉某些词，并不影响这篇文章包含的信息。香农估计，英语的冗余度是百分之五十。随着研究的深入，香农对信息论的存在逐渐清晰，他兴奋的说：对于信息论的研究而言，与信息的'意义'基本无关。1948年，香农发表了《通信的数学理论》，揭示出：信息的意义不是在语义上衡量的，而是数学上的。简单的说，一些信息出现的可能性大或者一些信息更重要，这样的说法都是建立在概率基础上的。香农又通过数学方法定义了信息熵、信道容量等概念，到20世纪60年代，信息论发展成为了关于信息、信息传输和信息处理的新学科。

　　1949年夏的一天，香农用铅笔在活页纸上自上而下而下的画了一条竖线，并在旁边写下了10的幂，从100到1013。他将坐标轴命名为比特存储容量。然后他开始列举一些可以储存的东西，在103下，香农写下了打孔卡片，在104处，他写下了单行距打字页面(有32种可能)，在105附近，他写下了不同寻常的东西：人类的基因构成，这种科学思考可谓史无前例，因为人类的DNA结构要等上几年才会被提出，香农还是猜的太保守了，起码低了四个数量级。在107的级别上，是一本厚厚的《无线电工程师学会学报》，在109级别，则是《不列颠百科全书》，1011比特是一小时的电视节目，而一小时的彩色电影，就要超过1013比特了。最后，就在下1014，香农写下了他所能想象的最大信息量：美国国会图书馆。

香农的活页纸

　　1951年，香农则展示了一个机器人，尽管它不聪明，外表也不像人，但是它给观众留下了深刻印象，因为它能学会走迷宫，他们称它为香农的老鼠。　　http://27.221.42.30/vhot2.qqvideo.tc.qq.com/ARh_Ifz6l0QICH6LN9_LgXTuizVfR7yqgwmNTTLlBSMI/uwMROfz2r5xoIaQXGdGnC2dfhzktbhdAyZmeukSI5tNswzV1/e1338amyt44.m701.mp4?vkey=C31660F5FA9CE8002202D5133785D5FE1C305C77359F46383B350BEEEA8E691796F35F0927D2F39AB9B30501B62946506EF6A449E1FB74871D84FA8AB5802BD06463ABF2EA86EE1FB57EFEEFE7D6D2427DF9A320B3210B22E86F99E7928AE92E80C1CBEE36EBBD83400963DC1AE1ED63A7A3C87198266F8F81D846698C07EAF4br=29platform=2fmt=autolevel=0sdtfrom=v1010guid=d70faeb08f7946098cc380b58faa6aed

　　香农的老鼠

　　这些看起来有点不可思议，尤其是香农的老鼠，它具有学习的能力，不同于以往人类发明的其它机器。这些具有开创性的工作，是如何完成的？香农和其他信息论的先驱们到底是怎么开创了一个基础学科的？我做一个简要的介绍。

　　熵

　　熵的概念，最早起源于物理学，用于度量热力学系统的无序程度，1865年，热力学的主要奠基人鲁道夫首先使用了该词，他发现了一种量，这种量与能量无关，他就称之为熵。香农首先将熵用于描述信息的不确定性，因为无序程度和不确定性，其背后都带有随机分布的特点，熵的计算被定义为：

　　其中，X代表一个离散型随机变量，p(x)为其概率分布函数。当对数函数以2为底时，熵的单位是比特。熵的大小不取决于X的实际值，而仅依赖其概率分布。这个公式也被称为香农熵。

　　当有多个随机变量表示多个关联的事件时，事件之间相互影响。

　　以上三个公式分别是两个随机变量(X，Y)的联合熵，条件熵和互信息，其证明过程采用香农熵、联合概率分布函数，链式法则。我们使用互信息来衡量不同事件空间，两个信息的相关性。熵与互信息存在关系，通俗的说，任何新信息的增加，都不会使得原有信息的熵增加。就像我们玩德州扑克，不管你的表情如何改变，只要做了改变，都会被精明的玩家窥探到你手中的牌怎么样，因为你增加了信息，在牌局中，那些面无表情的人是最可怕的，一些人还会带着帽子、墨镜来掩饰自己的情绪。另外一个例子，伟大的发明和公司，往往是使熵降低的，比如互联网搜索引擎使人们获取信息的成本很低，从而解决了信息的不对称，有利于阶层之间的流动，使熵降低。

熵与互信息的关系

　　香农的通信系统模型

　　下图是香农提出的通信系统模型。

香农模型

　　信源是发送信息的主体，信宿是接收者，信道是信息传送的通道，编码泛指将信源的信息转换成适合通过信道传送的信号的设备，译码是编码的相反的设备。信道可以分为两大类：有线信道和无线信道。有线信道包括光纤、电缆等沿导线的电磁波传递介质，无线信道则是依赖于自由空间来传递电磁波。此外，信道也可以分为有无记忆、连续还是离散等方式。信号在通过信道时，会有延时，还有伴有固定或时变的损耗，在通信系统中，这部分信道被成为干扰。干扰的来源可能是人为、自然和设备内部。

　　信道容量是指该信道中，每个字符平均能传送的最大信息量，信道容量等于输入与输出的互信息的最大可能值。

信道容量

　　在通信系统中，信息需要编解码，然后在信道中传输，香农信道编码定理，描述了信息传输速率与信道容量的关系：如果信源的信息速率小于信道容量，那么则存在一种编码方式，能保证发送信息的误差任意小。也就是说，通过不可靠的信道，实现可靠的信息传输。在人们不具备更好的信道的条件下，如何将现有信道发挥到最大的利用价值，香农给出了一个极限。在香农以前，在这个问题上，物理学家和数学家总是聊不到一起，直到香农的三大定理给大家一个评价标准。有趣的是，当时香农并没有给出这个结论的证明，这个证明直到后来才被人推导出来。近些年来，信道编码取得重要进展，已经实现了无误差编码方式。

　　最大熵模型

　　在信息论中，熵是用来度量信息的不确定程度的，熵增定律说明了一个孤立系统有朝着熵增的方向发展的趋势，进而呈现出一种最无序的、最不确定的状态。最大熵就是使系统处于熵最大的状态-满足已有事件，无偏的对待不确定事件，即对未确定的事件，认为是等概率出现的。最大熵原理即是认为，在统计学习里，所有的模型中，熵最大的模型是最好的模型。

　　最大熵原理对目前机器学习的优化算法而言是举足轻重的，是训练人工神经网络的指导思想。

=最大熵模型求解过程

　　因为信息处理和信息传输，就像是一枚硬币的两面，这枚硬币就是信息。以上公式看起来繁琐，实际上，对于一个给定了数据集的机器学习任务，就是构建特征f，然后，使用凸优化方法求极值。对于一个有等式约束的优化问题，使用拉格朗日乘子法，对上式中各变量求导数，然后令各方程为0，并组成方程组，然后对方程组求解。

　　信息论与人工智能

　　越是深入的了解前人的工作，越能感受到，信息论和人工智能源起一处，我们可以很容易的将二者联系起来，比如机器学习的模型充当了信息论中的编译码器的角色，引入信息论中的哈夫曼编码的算法可以加快网络的训练速度，使用最大熵或交叉熵构造机器学习的代价函数，对抗网络很类似于信息论中的信道均衡的抽头系数的训练---通信的成功应用正在让人工智能快速成长。

　　香农在成功面前是虚怀若谷的，在20世纪五十年代，香农一边从事火控系统和密码学方面的工作，一边苦苦思考他对信息的设想，他独自一人住在纽约格林尼治村的公寓里，与同事几乎没有交往，因为他们都搬到了新泽西的新总部，而他却选择留在西街的旧办公楼，他不需要向别人解释自己在干什么，毕竟他从事的是战争工作，有时候，他会去办公楼对面的微波研究组闲逛，并且在那里认识了贝蒂·摩尔，1948年，两人开始约会，随后在1949年初结婚，也就是在那个时候，他成为了人人都在谈论的科学家。

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　　香农谈论工作

　　香农是一个可以与牛顿、爱因斯坦、特斯拉等科学伟人相提并论的非凡人物。我们看不到那些被历史遮盖的事实，他有没有低谷的时候，他克服困难后的喜悦，但是我相信，他被周围的人爱着，也在努力爱这个世界，他坚持自己的事业，追求科学的乐趣，真正以谦逊的态度看待自己的成功。

　　今天，我们工作是后香农时代的人工智能单元，我们在他的生日上感谢他的贡献，

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　　高通联合创始人维特比先生谈香农

　　概率的本质不是自然的随机，而是人类的无知。希尔伯特说过一句名言：我们必须知道，我们必将知道。如果世人传颂我的故事，让他们说，我曾与英雄同在。