クロード・シャノン

クロード・エルウッド・シャノンはアメリカ合衆国の電気工学者、数学者。20世紀科学史における、最も影響を与えた科学者の一人である。

情報理論の考案者であり、「情報理論の父」と呼ばれた。情報、通信、暗号、データ圧縮、符号化など今日の情報社会に必須の分野の先駆的研究を残した。アラン・チューリングやジョン・フォン・ノイマンらとともに今日のコンピュータ技術の基礎を作り上げた人物として、しばしば挙げられる。

1. 生涯
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1.1. 若年期と教育
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シャノンが生まれたとき、家族はミシガン州ゲイロード に住んでおり、クロードは近くのペタスキー の病院で生まれた。 父のクロード・シニアは実業家で、ゲイロードの検認判事を務めたこともある。母のメイベル・ウルフ・シャノンは語学の教師で、ゲイロード高校の校長も務めたSloane。父方の祖先はニュージャージーへの入植者であり、母はドイツ系移民の子供だった。

シャノンはゲイロードで育ち、1932年にゲイロード高校を卒業した。シャノンは機械や電気に興味を持っていた。得意科目は理科と数学だった。家では、飛行機の模型やラジコンボートを作ったり、半マイル離れた友人の家まで電線を張って電信システムを構築したりしていた。高校時代には、ウエスタンユニオン社の電報配達のアルバイトや百貨店でのラジオ修理などをしていた。

シャノンは子供時代にトーマス・エジソンに憧れていたが、後に自身の遠縁に当たることを知った。どちらの家系も、植民地時代の指導者で多くの著名人の祖先であるジョン・オグデンの子孫である。

1932年にミシガン大学に入学し、そこでジョージ・ブールの研究に触れた。1936年、電気工学と数学の学士号を取得して卒業した。

1.2. 研究生活
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ミシガン大学を卒業したシャノンは、マサチューセッツ工科大学の電気工学科に進んだ。そこでヴァネヴァー・ブッシュの下、微分解析機の保守に携わった。1937年の夏、ベル研究所でブール代数とスイッチング回路の融合を考えつき、同年、修士論文「リレーとスイッチ回路の記号論的解析」としてまとめた。翌年、この論文はアメリカ電気学会報に掲載され、1940年には、35歳未満の研究者による優れた工学論文に贈られるアルフレッド・ノーブル賞を受賞した。

1938年の末、ブッシュの助言によりMITの電気工学科から数学科に移籍した。そこで遺伝学の研究を行い、博士論文「理論遺伝学のための代数学」で博士号を取得した。

1940年の夏をベル研究所で過ごしたのち、学術研究会議の研究費を得てプリンストン高等研究所に1年間滞在し、ヘルマン・ワイルの下で研究した。その後再びベル研究所に戻り、数学研究部門の常勤専門職員となった。

1956年に電子工学研究所の研究員としてMITの教員となった。1978年までMITの教員として務め続けた。

1.3. 晩年
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後年、シャノンはアルツハイマー病を発症し、晩年をナーシングホームで過ごした。2001年に、妻と息子と娘、そして2人の孫娘を遺して亡くなった。

2. 功績
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2.1. デジタル回路設計の創始者
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1937年のマサチューセッツ工科大学での修士論文「リレーとスイッチ回路の記号論的解析」において、電気回路が論理演算に対応することを示した。すなわち、スイッチのオン・オフを真理値に対応させると、スイッチの直列接続はANDに、並列接続はORに対応することを示し、論理演算がスイッチング回路で実行できることを示した。これは、デジタル回路・論理回路の概念の確立であり、それ以前の電話交換機などが職人の経験則によって設計されていたものを一掃し、数学的な理論に基づいて設計が行えるようになった。どんなに複雑な回路でも、理論に基づき扱えるということはコンピュータの実現に向けたとても大きなステップの一つだったと言える。

ハーバード大学教授のハワード・ガードナーは、この論文について「たぶん今世紀で最も重要で、かつ最も有名な修士論文」と評した。ただし、わずかな時間差であるが、中嶋章による発表の方が先行しており、独立な成果か否かは不明とされている。

2.2. 情報理論の考案
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1948年ベル研究所在勤中に論文「通信の数学的理論」を発表し、それまで曖昧な概念だった「情報」について定量的に扱えるように定義し、情報についての理論という新たな数学的理論を創始した。

翌年ウォーレン・ウィーバーの解説を付けて出版された同名の書籍『通信の数学的理論』で、シャノンは通信におけるさまざまな基本問題を取り扱うために、エントロピーの概念を導入した。情報の量を事象の起こる確率によって定義し、エントロピーを次のとおりに定義した。時間的に連続して起こる離散的な確率事象 の生起確率 によって定まる情報量  の期待値が、エントロピー である。

エントロピーの語を提案したのはフォン・ノイマンとも言われているが、シャノンは否定している。また、情報量の単位としてビットを初めて使用した。

そして、ノイズがない通信路で効率よく情報を伝送するための符号化と、ノイズがある通信路で正確に情報を伝送するための誤り訂正符号という現在のデータ伝送での最も重要な概念を導入した。これらはそれぞれデータ圧縮の分野と誤り訂正符号の分野の基礎理論となっている。通信路符号化定理は単一通信路あたりの伝送容量に上限があることを意味する。

これらの定理は現在、携帯電話などでの通信技術の基礎理論となっており、その後の情報革命と呼ばれる情報技術の急速な発展に結びついている。

2.2.1. シャノン＝ハートレーの定理
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2.3. 標本化定理の証明
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アナログデータをデジタルデータへと変換する時、どの程度の間隔でサンプリングすればよいかを定量的に表す標本化定理を1949年の論文"Communication in the Presence of Noise"の中で証明した。標本化定理は1928年にハリー・ナイキストによって予想されており、またシャノンの証明発表の同時期に証明をした人物が複数存在するが、シャノンのものが最も有名であり、英語圏では「ナイキスト＝シャノンの標本化定理」という名前で知られている。標本化定理は、現在、コンパクトディスクを始めとしたあらゆるデジタイズ技術の基礎定理となっている。

2.4. 暗号理論に関する先駆的成果
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1949年に論文「秘匿系の通信理論」を発表し、ワンタイムパッドを利用すると情報理論的に解読不可能な暗号が構成でき、情報理論的に解読不可能な暗号はワンタイムパッドの利用に限ることを数学的に証明した。

シャノンはこの論文で、暗号のアルゴリズムが知られてもなお安全である暗号について考察しており、はじめて暗号について数学的分析を行った。

2.5. シャノンのチェスプログラム
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1949年にコンピュータチェスに関する画期的な論文「チェスのためのコンピュータプログラミング」を発表し、力ずくの総当たりでなくコンピュータがチェスをする方法を示した。コンピュータがどの駒をどう移動するかを決定するのにシャノンが用いた方法が、評価関数に基づいたミニマックス法だった。評価関数は、駒の価値や、駒の位置の価値、移動の価値などをすべて数値化して「局面」の価値を評価するものであり、シャノンはその後のゲーム展開を探索木に分類してどの着手がもっとも良いかを探索する方法について考察している。この論文はコンピュータゲームでのコンピュータの思考プログラム設計の原典となった。

3. 受賞歴
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1940 アルフレッド・ノーブル賞
1949 IRE モーリス・N・リーブマン記念賞
1955 フランクリン・インスティテュート スチュアート・バランタイン・メダル
1956 リサーチ・コーポレーション賞
1962 ライス大学 栄誉賞
1962 マービン・J・ケリー賞
1966 IEEE栄誉賞
1966 アメリカ国家科学賞
1967 ゴールデンプレート賞
1972 ハーヴェイ賞
1978 ジョゼフ・ジャカール賞
1978 ハロルド・ペンダー賞
1985 AES ゴールドメダル
1985 京都賞基礎科学部門
1991 エドワード・ライン賞

4. 栄誉
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1954 イェール大学 修士号
1961 ミシガン大学 名誉博士号
1962 プリンストン大学 名誉博士号
1964 エディンバラ大学 名誉博士号
1964 ピッツバーグ大学 名誉博士号
1970 ノースウェスタン大学 名誉博士号
1975 オランダ王立芸術科学アカデミー 外国会員
1978 オックスフォード大学 名誉博士号
1982 イースト・アングリア大学 名誉博士号
1984 カーネギー・メロン大学 名誉博士号
1987 タフツ大学 名誉博士号
1991 ペンシルベニア大学 名誉博士号
2004 全米発明家殿堂入り

5. 著書
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コミュニケーションの数学的理論、C.E.シャノン、W.ウィーヴァー、訳者：長谷川淳、井上光洋、明治図書出版。
通信の数学的理論 、Warren Weaver, Claude Elwood Shannon, 植松 友彦  、筑摩書房  、ISBN 978-4480092229、価格1260円。。

6. 注釈
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7. 出典
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8. 関連項目
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シャノン：情報量の単位
シャノン符号化
情報理論 
標本化定理 
レート歪理論 
シャノン＝ハートレイの定理 
シャノン指数 
シャノン線図
シャノン数 
クロード・E・シャノン賞 
シャノンのスイッチングゲーム 
ワンタイムパッド 
拡散とかく乱 
デジタル回路

9. 外部リンク
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