نظریه اطلاعات

تاریخچه

خلق تلگراف و تلفن، توجه و علاقه نسبت به مفهوم اطلاعات و انتقال آن را افزایش داد. در سال ۱۸۴۴ میلادی، ساموئل مورس خط تلگرافی بین شهرهای واشینگتن و بالتیمور در آمریکا ساخت. مورس هنگام ارسال اطلاعات به مشکلات عملی الکتریکی برخورد. او متوجه شد که خطوطی که زیرِ زمین کشیده شده‌اند مشکلات بیشتری از خطوطی که هوایی (از طریق تیر) منتقل می‌شوند دارند و این خود زمینه‌ای برای تحقیقات بعدی شد. با اختراع تلفن توسط الکساندر گراهام بل در سال ۱۸۷۵ میلادی و گسترش آن، برخی از دانشوران به بررسی مشکلات انتقال اطلاعات پرداختند. اکثر این تحقیقات از تبدیل فوریه استفاده کرده ولی تمرکز آن‌ها بیشتر روی جنبه عملی و مهندسی موضوع بود.

تحقیق دربارهٔ نظریه اطلاعات اولین بار در سال ۱۹۲۴ توسط هری نایکوئیست در مقاله‌ای به نام «عوامل خاصی که سرعت تلگراف را تحت تأثیر قرار می‌دهند» آغاز شد. نایکویست وجود نرخ ماکسیمم ارسال اطلاعات را متوجه شده و فرمولی برای محاسبه آن ارائه کرد. کار مهم دیگر در این زمان، مقاله «انتقال اطلاعات» در سال ۱۹۲۸ میلادی توسط هارتلی بود که اولین پایه‌های ریاضی نظریه اطلاعات را بنا گذاشت.
تولد واقعی نظریه اطلاعات را می‌توان به مقاله «نظریه ریاضی مخابرات» توسط کلود شانون نسبت داد. یکی از نکات اصلی مقاله شانون توجه به این نکته بود که بررسی سیگنال‌های مخابراتی را باید از بررسی اطلاعاتی که حمل می‌کنند جدا کرد، در حالی که پیش از او چنین نبود. شانون همچنین به این نکته توجه کرد که طول یک سیگنال همیشه متناسب با میزان اطلاعات آن نیست. مثلاً نقل شده‌است که در نامه‌ای که ویکتور هوگو به ناشرش نوشت، فقط نماد «؟» را نوشته بود. در پاسخ نامه‌ای دریافت کرد که فقط حاوی نماد «!» بود. این دو نماد برای هر دو طرف حاوی اطلاعات زیادی می‌باشد، هرچند از دید ناظری که معانی آن‌ها را نداند، بی‌معنی هستند. مثال دیگر، جمله‌ای طولانی است که به زبان فارسی نوشته شده باشد، ولی برای یک انگلیسی زبانی که فارسی نمی‌داند مفهومی ندارد. بدین‌سان شانون پیشنهاد کرد که مسئله ارسال سیگنال‌ها را از ارسال اطلاعات موجود در آن‌ها جدا کرده، و برای موضوع اول نظریه ریاضی ارائه کرد.
شانون در آن زمان در آزمایشگاه‌های بل مشغول به کار بود و سعی در طراحی خطوط تلفن با ضریب اعتماد بالا داشت. پیش از شانون عوامل مؤثر در استفاده بهینه از خطوط تلفن شناخته نشده بود و تعداد حداکثر مکالمات تلفنی که می‌توان روی خطوط تلفن موجود انجام داد نامشخص بود. شانون پس از ارائه تعریفی ریاضی از کانال مخابراتی، ظرفیتی به کانال مخابراتی نسبت داد که بیانگر میزان حداکثر اطلاعاتی است که روی کانال می‌توان مخابره کرد. فرمول ظرفیت کانال شانون نه تنها به کانال‌های بدون اغتشاش (بدون نویز)، بلکه حتی به کانال‌های با اغتشاش واقعی نیز قابل اعمال بود. شانون فرمولی ارائه کرد که نحوه تأثیر پهنای باند کانال، و نسبت توان سیگنال ارسالی به توان نویز (نسبت سیگنال به نویز) را بر ظرفیت کانال نشان می‌داد.

مفهوم اطلاعات و راه‌های اندازه‌گیری آن

مفهوم اطلاعاتی که توسط شانون مطالعه شد اطلاعات از دید «آمار و احتمالات» بوده و با مفاهیم روزمره از اطلاعات مانند «دانش» یا استفاده‌های روزمره از آن در زبان طبیعی مانند «بازیابی اطلاعات»، «تحلیل اطلاعات»، «چهارراه اطلاعات» و غیره تفاوت می‌دارد. اگر چه نظریه اطلاعات رشته‌های دیگر مانند روان‌شناسی و فلسفه را تحت تأثیر قرار داده، ولی به دلیل مشکلات تبدیل «مفهوم آماری اطلاعات» به «مفهوم معنایی دانش و محتوا» تأثیراتش بیشتر از نوع القای احساساتی نسبت به مفهوم اطلاعات بوده‌است.
آمار و احتمالات نقشی حیاتی و عمده در ظهور و رشد نظریه اطلاعات برعهده دارد.

آنتروپی

آنتروپی یک متغیر تصادفی، با اندازه‌گیری احتمالات آن متغیر تصادفی به‌دست می‌آید.