Энтропия и информация. Критерии оптимальности

4.ЭНТРОПИЯ И ИНФОРМАЦИЯ

4.1. Энтропия как мера статистической неопределенности. В одном из недавних общественных обсуждений проблем образования было высказано мнение, что каждый образованный человек должен понимать фундаментальность понятия неопределенности. В последние десятилетия этот термин уверенно лидирует среди физических первопринципов, проникая в новые области знания. В данном разделе надлежит ближе ознакомиться с этим понятием и уяснить связь неопределенности с системообразующими характеристиками.

Неопределенность может иметь разное происхождение. Один из ее видов – неизвестность – рассматривается теорией познания и философией; такого типа неопределенность возникает, когда мы, например, задаем вопрос «Есть ли жизнь на других планетах?» или «Существуют ли другие цивилизации?» и т.п.

Другой вид неопределенности – расплывчатость, размытость, – например, «Сколько надо взять песчинок, чтобы образовать небольшую кучу»? С неопределенностью этого типа мы встречаемся в квантовой механике. На её основе построена нелокальная версия термодинамики, которая способна ответить на сходный вопрос: «сколько надо иметь частиц, чтобы образовать макроуровень и каково квантовое рассеяние этого числа»?. Эта неопределенность объективна, для нее характерно, что она неустранима в процессе измерений. В математике такой неопределенностью занимается теория размытых множеств. Следует попутно отметить, что размытость – характерное свойство языка: «в комнату (какую?) вошел высокий (какого роста?) молодой (какого конкретно возраста?) человек (кто он?) и т.п.

Третий вид неопределенности – случайность . В ее основе лежат статистические закономерности, устанавливаемые теорией вероятности. Этот вид неопределенности используется статистической физикой и совместно с неопределённостью второго типа в квантовой механике. Отличительная особенность статистической неопределенности заключается в том, что для нее можно установить количественную меру, о которой пойдет речь далее.

Оставим пока в стороне вопрос о практической значимос888ти статистической меры неопределенности, сосредоточив внимание на её сущности. Рассмотрим несколько простейших ситуаций, которые будем именовать опытами А,BиC. Предполагается, что читателю знакомы элементы теории вероятности.

О п ы т А будет заключаться в бросании монеты. В этом опыте возможны два исхода (k =2): “орел или решка”. Очевидно, вероятность каждого исхода(i =1,2).

О п ы т B– бросание игральной шестигранной кости. В этом опыте возможны уже шесть исходов (k =6). Вероятность каждого исхода.

О п ы т C предполагает одновременное бросание двух костей. Для этого опыта k =36 и.

Оценка неопределённости результатов опытов есть оценка трудности предугадывания исхода опыта. Интуитивно ясно, что из всех описанных ситуаций опыт С имеет максимальную неопределённость, поскольку число исходов здесь самое большое и заранее предвидеть исход этого опыта труднее всего.

Чтобы перейти к количественной оценке неопределённости сформулируем основные требования к функции, которая должна играть роль меры неопределённости. Будем обозначать эту функцию буквой H .

П е р в о е требование. Функция Н должна монотонно возрастать с увеличением числа исходов опыта.

В т о р о е требование. Функция Н должна быть равна нулю, если имеется единственный исход (k =1). Это означает, что если возможен лишь один исход, то никакой неопределённости не возникает и результат опыта можно предвидеть безошибочно.

Т р е т ь е требование. Обратим внимание на то, что один опыт С можно рассматривать как два опыта В, и потребуем, чтобы суммарное значение энтропии двух опытов В было равно энтропии опыта С

или в общем случае не для двух, а n простых опытов

Если бы третье требование не соблюдалось, то оценка неопределённости опыта С оказалась бы противоречивой и зависела бы от субъективной трактовки самого опыта – считать ли, что имел место опыт С, или всё же кости упали не одновременно и имели место два опыта В. Принятие этого требования равносильно введению свойств аддитивности для будущей оценки неопределённости. По умолчанию принимается, что рассматриваемые элементы (кости) не взаимодействуют между собой. В термодинамической трактовке это равносильно принятию идеальной системы.

Решим функциональное уравнение (4.1) относительно функции . Для этого дифференцируем обе части выражения (4.1-1) поk , используя требование монотонности функции:

Теперь дифференцируем (4.1) по n

Разделим уравнение (4.2) на (4.3)

что равносильно

Интегрируя это выражение, используя для правой части табличный интеграл, находим

где – постоянная интегрирования.

Из последнего выражения

Так как с увеличением k энтропия растёт (первое требование), тоC >0, и это выражение можно переписать в следующем окончательном виде:

,a >1.

Из него следует, что оно удовлетворяет также второму требованию. Выбор основания логарифмов при a >1не имеет значения и определяет лишь выбор единицы измерения неопределённости. Чаще всего применяют двоичные или натуральные логарифмы. Если используют двоичные логарифмы, то за единицу измерения неопределённости принимают неопределённость опыта, который имеет два равновероятных исхода (опыт А). Такая ситуация отвечает энтропии одной элементарной компьютерной ячейки, в которой хранится либо 0 либо 1. Для этой ячейки

Такая единица измерения называется битом (от англ.binarydiget– двоичная единица).

Итак, при k равновероятных исходах неопределённость опыта составляет

где p – вероятность исхода опыта.

Если учесть, что для равновероятных исходов

то, умножая (4.4) на единицу в виде суммы вероятностей , получаем

Каждый член правой части этого выражения можно рассматривать как вклад отдельного исхода в общую неопределённость опыта. В случае равновероятных исходов вклад каждого из них в общую неопределенность опыта одинаков и формула (4.5) сворачивается в (4.4).

Выражение (4.5) легко обобщается на случай, когда вероятности исходов различны. В этом случае (4.5) можно рассматривать как среднюю энтропию опыта, а вероятности перед logприобретают смысл весовых коэффициентов. Теперь предполагается, что вклад каждого исхода в общую неопределенность опыта не обязательно одинаков. В качестве примера ситуации с неравновероятными исходами может служить опыт извлечения наугад шара из урны, в которой находится большое количество шаров нескольких цветов. Оговорка относительно большого количества шаров сделана специально, чтобы подчеркнуть вероятностный характер меры неопределенности.

Выражение (4.5) можно записать в компактной форме

Если число опытов N , то с учётом аддитивности энтропии

Энтропия как мера неопределенности была введена американским математиком Клодом Шенноном в 1949 году при разработке математической теории связи . Функцию типа (4.6), или энтропию выбора часто называют также шенноновской энтропией. Поскольку понятие энтропии сегодня становится общенаучным, то указание на ее информационное происхождение, как правило, используется лишь в случаях, если по тексту следует различать информационную и термодинамическую (физическую) энтропию.

Рис. 4.1. Зависимость энтропии для двух исходов опыта

Рассмотрим некоторые свойства энтропии. Отметим прежде всего, что энтропия не может принимать отрицательных значений: так как , товсегда положительно. Если, то(для доказательства следует раскрыть неопределенность типа). Если, то также.

Так как только приp =0 илиp =1, то энтропия опыта равна нулю только в случае, когда одна из вероятностей равна единице и, следовательно, все остальные равны нулю. Это обстоятельство хорошо согласуется со смыслом величиныH как меры неопределенности: в этом случае опыт вообще не содержит никакой неопределенности, так как результат опыта можно предвидеть заранее.

На рис.4.1 изображен график функции H для двух исходов опыта, из которого видно, как меняется энтропия при изменении одного из исходов опыта от нуля до единицы. Из графика следует, что максимальное значение энтропии соответствует равновероятным событиям,. При этом максимальное значение энтропии

В общем случае, т. е. не для двух, а k исходов опыта, максимальное значение энтропии соответствует.

Тот факт, что максимум энтропии отвечает равновероятным событиям, согласуется со смыслом энтропии. Действительно, в случае равновероятных событий нельзя отдать предпочтение ни одному исходу и таким образо8м предвидеть результат труднее всего.

4.2. Энтропия как мера количества информации. Вернемся к простейшим опытам с монетой или игральной костью. Перед проведением опыта существует некоторая неопределенность, связанная с незнанием результата опыта. После проведения опыта, т.е. после получения результата, эта неопределенность устраняется, исчезает. Однако так обстоит дело далеко не всегда, и в практике чаще всего встречаются случаи, когда и после окончания опыта еще остается некоторая неопределенность.

Если неопределенность до опыта составляла Н (априорная неопределенность ), а после опыта –(апостериорная неопределенность ), то очевидно, неопределенность, устраненная в ходе опыта, составит:

Эта разность носит название количества информации .

Таким образом, количество информации есть количество устраненной неопределенности . В частном случае, когда неопределенность в результате опыта устраняется полностью, как это было в опытах А, В, и С, получаем:. Хотя здесь количество информации формально равно энтропии, следует иметь в виду различный смысл количества информации и энтропии. Энтропия (неопределенность) существует до опыта, тогда как информация появляется после проведения опыта. Просто следует учитывать, что для количественной оценки информации отсутствует другая мера кроме энтропии. Связь между понятиями энтропии и количеством информации напоминает соотношение между физическими понятиями потенциала (энтропии) и разности потенциалов (количество информации).

Количество информации, как и энтропия, измеряется в битах. Один бит информации – это количество информации, сообщающее о том, какое из двух равновероятных событий имело место. Например, количество информации, заключающееся в одной элементарной ячейке ЭВМ, содержащей либо 0, либо 1, составляет один бит.

Рассмотрим пример, в котором бы фигурировала апостериорная неопределенность. Пусть методом перебора вариантов ведется поиск корня некоторого уравнения с точностью до полуцелого числа. Предварительно известно, что значение корня находится в интервале от 1 до 100, так что следует перебрать 200 вариантов. Тогда неопределенность значения корня в равновероятном варианте (4.4) составит H = log 2 200 = 13,3 бит.

Пусть проведена проверка 150 вариантов возможных значений корня, но корень не найден. Однако получена ли некоторая информация о значении корня? Несомненно, и чтобы ее определить, необходимо сначала найти остаточную (апостериорную) неопределенность: Н 1 =log 2 (200 – 150) = 5,6. Тогда искомое количество информации составит= 13,3 – 5,6 = 7,7 бит.

Условная энтропия. Рассмотрим понятие количества информации на примере передачи сигналов. Пусть передается группа сигналов азбукой Морзе:

        

До получения очередного символа на приемном конце существует неопределенность «какой сигнал будет отправлен?» Эту неопределенность можно характеризовать энтропией «на один символ» (4.6) при числе исходов k= 3 (точка, тире, пробел) с вероятностями р i (i= 1, 2, 3). Вероятности появления на приемном конце точки, тире или пробела, т.е. вероятности (частоты) употребления символов конкретного языка специалистам известны из статистического анализа большого объема текстов на этом языке. Подсчитав энтропию на один символ, по формуле (4.6) легко определить общую энтропию сообщения (4.7). В данном примере 10 символов, включая пробел и, следовательно, N = 10.

Итак, на приемном конце до получения сообщения существовала априорная неопределенность (4.7) или на один знак (4.6). После получения сообщения неопределенность была устранена и получена информация I=H– 0.

Однако такая простая ситуация возникает, если сообщение передается без помех (канал без шума ). Если имеется шум, то его действие приводит к тому, что переданный символ может либо остаться прежним (i-м), либо быть случайно подмененным любым другим (n-м) символом. Вероятность такой подмены по обозначению р(y n  x i), где х относится к переданному сигналу, а y к принимаемому сигналу в приемнике. В канале без помех y n = x i . Вероятность р(y n  x i) носит название условной вероятности x i) -–вероятность того, что отправленный i-й сигнал соответствует n-му сигналу на приемном конце. Конечно, эту ситуацию можно рассматривать и со стороны передатчика, используя условные вероятности вида р(x i y n). В этом случае р(x i y n) – вероятность того, что принятый на приемном конце n-й сигнал соответствует i-му сигналу на передающей стороне. Понятие условной вероятности вводит условную энтропию как функцию условной вероятности. В общем виде это записывается в следующих обозначениях:

I(X,Y) = H(X) – H(XY)

I(X,Y) = H(Y) – H(YX)

В этих идентичных выражениях условная энтропия играет роль апостериорной энтропии, а количество информации есть мера соответствия двух случайных объектов Х и Y.

Эта мера позволяет понять связь между понятием информации и её количеством . Информация есть отражение одного объекта другим. В данном примере такими объектами являются приемник и передатчик. Среднее же количество информации и есть числовая характеристика полноты этого отражения, степени соответствия, наконец,степени взаимодействия этих объектов. Но при взаимодействии объекты оказывают влияние друг на друга, и мы привыкли при этом различать причину и следствие.Количественное описание информации это другой тип описания взаимодействий, никак не связанный с классическими причинно-следственными описаниями . Такой тип связи характерен для НВТ.

Здесь полезно обратиться к п.3.6, где уже касались ограничений классического, причинно-следственного механизма при описании взаимодействий в открытой системе.

4.3.Энтропия непрерывного множества. Ранее была рассмотренаэнтропия дискретного множества. Это означает, что подразумевались системы, где число возможных исходов (элементов множества) конечно. Однако приходится часто сталкиваться с ситуациями, когда число элементов может быть сколь угодно велико. Из теории вероятностей известно, что в этом случае следует иметь дело не с вероятностью отдельного исхода, которая равна нулю, а с плотностью распределения вероятности. Эта функция обладает таким свойством, что величинаесть вероятность того, что интересующая нас переменнаяx (значение корня в примере п.4.2.) примет значения, заключенные в интервале отx доx+dx .

Теперь для оценки неопределенности необходимо прибегнуть к энтропии непрерывного множества, которая по аналогии с энтропией дискретного множества (4.5) имеет вид

. (4.9)

В качестве примера использования этой функции, попытаемся оценить неопределенность опыта, связанного со случайным поиском в заданном интервале значения корня (см. п.4.2) при отсутствии ограничения на точность поиска.

Повышая требования к точности ответа, можно ожидать сколь угодно большого числа возможных исходов опыта. При этом вероятность каждого исхода стремится к нулю, а искомый корень может принимать все возможные (бесчисленные) значения в заданном числовом интервале от 0 до 200. Попробуем использовать для этой же задачи энтропию непрерывного множества. Введем отрезок длиной l =x 1 –x 0 относительных единиц. Вероятность обнаружить значение корня на участке dx составляет dx/1 . С другой стороны, эта же вероятность по определению. Следовательно, для равновероятного случая=dx /l и= 1/l. Подставляя это значение в (4.), несложно получить H = log 2 l= 5,6 бит.

Сравним полученный результат с примером в п.4.2. В случае дискретного множества в энтропии используется число дискретных интервалов на выделенном отрезке, а в случае непрерывного множества – относительная длина самого отрезка . Заметим, что длина должна быть выражена в относительной форме, в противном случае под логарифмом появилась бы размерная величина. Масштаб приведения к относительной форме не имеет для информационной энтропии принципиального значения, поскольку с самого начала энтропия введена с точностью до множителя (до постоянной интегрирования, см процедуру интегрирования в п.4.1).

Энтропия непрерывного множества или дифференциальная энтропия (4.9) обладает большинством свойств энтропии дискретного множества.

В современной литературе можно встретить критику понятия дифференциальной энтропии и вытекающего из этого понятия дифференциального количества информации . Эта критика по своему характеру совпадает с критикой концепции непрерывности, рассмотренной ранее в п.3.5.

4.4.Энтропия как мера разнообразия, неупорядоченности, хаоса. До сих пор понятие энтропии связывалось с неопределенностью. Энтропия допускает и другое толкование. Представим себе систему, состоящую из камеры, в которой находятсяN шаровmтипов, отличающихся, например, цветом. Предполагается, чтоNдостаточно большое число. Обозначим долю шаровi -го типа (цвета) –. Если произвести опыт над системой, заключающийся в извлечении наугад одного шара, то энтропия одного опыта согласно (4.6) составит:

При этом принято, что размеры шаров одинаковы, в противном случае вероятность извлечения шаров i -того типа не будет точно соответствовать их доле в камере. Энтропия всех опытов над системой

Поскольку правая часть последних выражений включает в себя параметры, характеризующие содержимое системы, то возникает вопрос, нельзя ли не обращаясь к опытам с шарами уяснить, с какой точки зрения эти функции характеризуют содержимое камеры.

Первая из двух функций характеризует степень неупорядоченности системы или степень разнообразия в ней с учётом выбранного признака для различения элементов системы (цвета шаров). Если бы в камере находились шары одного типа, тогда одно из значений вероятностиp =z равнялось бы единице, а все остальные – нулю, и энтропия приняла бы нулевое значение. Это означало бы, что система полностью упорядочена, или, что то же самое – в системе отсутствует разнообразие по оцениваемому признаку (цвету).

Вторая функция (4.11) измеряет неупорядоченность (разнообразие) в системе несколько иначе. Отличие этих двух функций можно иллюстрировать следующим примером. Если камеру разделить на две части, то при достаточно большом количестве шаров в ней доля шаров i -го типа в каждой из двух частей останется прежней, но число шаров уменьшится вдвое, также вдвое уменьшится неупорядоченность, оцениваемая формулой (4.11). Однако степень неупорядоченности для каждой из двух частей, оцениваемая функцией (4.10) останется прежней.

По аналогии с только что рассмотренным примером формулой (4.11) можно оценивать неупорядоченность потока смеси каких-либо веществ. В этом случае – концентрацияi -го компонента в мольных долях;N – расход потока или число молекул, проходящее через некоторое сечение в единицу времени. Поскольку числоN в практических задачах всегда очень велико, можно перейти к иному масштабу для энтропии. Например, поделив левую и правую части на число Авогадро, получим

где F – расход потока, кмоль/ед. времени. Обозначение энтропии в новом масштабе оставлено прежним.

Таким образом, энтропия оценивает разнообразие элементов в системе по некоторому определенному признаку, который может нас интересовать в той или иной задаче; см п. 4.6 и 4.7.

Обратим внимание, что выражение (4.10) с точностью до множителя совпадает с термодинамическим выражением для мольной энтропии смешения идеального газа

S= –R, (4.13)

где R– газовая постоянная.

На этом примере можно заметить связь информационной энтропии, введенной в предыдущих разделах без использования каких-либо физических принципов, с термодинамикой. Здесь полезно также отметить не только внешнюю, структурную аналогию. Энтропия смешения (4.13) это только энтропия термодинамически и д е а л ь н о й смеси. При рассмотрении камеры с шарами также были приняты некоторые ограничения, например, требование равных размеров шаров.

Энтропию, записанную через вероятности, часто называют функциональной , в отличие от энтропии, выраженной через мольные доли, которую именуютатрибутивной .

4.5.Связь информационной энтропии с физикой. Понятие энтропии впервые было введено в термодинамику Клаузисом как соотношение, связывающее элементарное приращение энтропииdS с элементарным количеством теплотыdQ при температуреТ

dS = dQ/T (4.14)

Это выражение мало говорит о физической сущности энтропии. В физике неоднократно делались попытки раскрыть содержание этого понятия, руководствуясь модельными представлениями.

Энтропия Больцмана. Рассмотрим основанное на статистическом подходе известное уравнение Больцмана

где k B – постоянная Больцмана,k B =1,3810Дж/К;W– число микросостояний.

Для того чтобы понять сущность статистических методов в качестве начального примера рассмотрим газ, как ансамбль большого числа частиц. Первое, что кажется необходимо сделать при построении математической модели поведения частиц, это попытаться записать уравнение движения для каждой из них, ведь газ, во всяком случае в первом приближении, представляет собой систему частиц, движущихся по законам механики Ньютона.

Однако при таком подходе число уравнений становится невообразимо велико, не говоря уже о том, что для интегрирования этих уравнений необходимы начальные скорости и координаты каждой молекулы. Тем не менее, такой путь не только сложен, но и бесплоден, поскольку знание траекторий и закона движения отдельных молекул оказывается не даёт никакой информации относительно свойств газа в целом. Дело в том, что в системе, состоящей из многих частиц, возникают новые, чисто статистические системные, или интегративные закономерности, которых не было в системе с малым числом частиц.

Проследим на весьма упрощённой модели, как появляются эти новые свойства, связанные с понятием энтропии Больцмана.

Для наглядности возьмем систему всего из десяти частиц (N =10), распределённых на четырёх энергетических уровнях, имеющих относительные величины энергии 1, 2, 3 и 4. Общая энергия системы равна 20 относительным единицам. Задача заключается в том, чтобы высказать некоторые соображения относительно того состояния, которое примет система, предоставленная самой себе, т.е. относительно того, как распределятся частицы по уровням энергии.

Для этого выясним, какие энергетические распределения частиц возможны. При этом будем различать изменения микро- и макросостояния системы. Если произошло изменение ч и с л а частиц на каком-либо энергетическом уровне, то будем говорить об изменении макросостояния системы. Если же произошёл только о б м е н частиц между энергетическими уровнями, но число частиц на каждом уровне энергии осталось прежним, будем фиксировать изменениемикросостояния системы. Для внешнего наблюдателя, следящего только за макросостояниями системы, изменения микроскопического характера окажутся незамеченными, а микросостояния неразличимы. Одно макросостояние может быть реализовано с помощью очень многих микросостояний.

Так, одно из возможных макросостояний в рассматриваемой системе из десяти частиц таково: на первом энергетическом уровне находится одна частица (N 1 =1), на втором располагаются восемь частиц (N 2 =8) и одна занимает третий уровень (N 3 =1). Четвертый уровень не занят. Общая энергия равна 11+82+13+ 40=20. Предположим, что частицы пронумерованы. Тогда данное макросостояние можно было бы осуществлять различным способом (через различные микросостояния), помещая, например, на уровеньcэнергией 1 поочерёдно частицы с номером 1, 2, 3, 4, 5 и т.д., т.е. осуществляя разные перестановки частиц, не нарушая макросостояния системы.

. (4.16)

Здесь r – число энергетических уровней; в данном примереr = 4.

Если теперь перейти к другому макросостоянию, т.е. взять иное распределение частиц по энергетическим уровням, например, N 1 =2,N 2 =7,N 3 =0 иN4=1 (общая энергия 21+72+14 = 20), то число способов осуществления данного макросостоянияWоказывается равным 360.

Вопрос о связи между энтропией и информацией обсуждается уже давно, фактически со времен формулировки парадокса с «демоном Максвелла». Некоторое время проблема казалась отвлеченной. Сейчас, однако, она становится актуальной, поскольку оказывается связанной с вполне конкретными вопросами: какова энтропийная (и энергетическая) плата за информацию, каковы минимальные размеры информационной ячейки и т. п.

Эти вопросы приобретают особую остроту в связи с биологической спецификой. Во-первых, информационные системы в живой природе обладают малыми (микроскопическими) размерами. Во-вторых, они функционируют при нормальной температуре, т. е. в условиях, когда тепловые флуктуации не пренебрежимо малы. -третьих, в биологии особую важность приобретает запоминание и хранение информации. Отметим, что в технике более актуальны проблемы передачи информации; на примере оптимизации передачи были разработаны основные положения теории информации. Вопросам же рецепции и хранения информации уделялось меньше внимания. В биологии, напротив, эти вопросы становятся первостепенными.

Не претендуя на строгое определение понятия «информация», подчеркнем два необходимых ее атрибута: 1) информация предполагает выбор одного (или нескольких) вариантов из многих возможных, 2) сделанный выбор должен быть запомнен. Подчеркнем: второе условие - запоминание информации - является очень важным. Впервые на это обратил внимание Кастлер [П26] в 1960. г. В процессах передачи информации «запоминаемость» играет меньшую роль, чем при рецепции, обработке и хранении информации. Действительно, передающая система обязана запомнить информацию лишь на время передачи, которое в принципе может быть коротким. В биологии условие запоминания на длительный срок, напротив, играет важную роль.

Количеством информации называют величину

где полное число возможных вариантов, число выбранных вариантов. Количество информации отлично от нуля, если известно, что по каким-либо причинам из априорных вариантов реализовался один из вариантов (но не известно, какой именно). Это количество максимально, если т. е. известно, что реализовался (выбран) один определенный вариант. Величина если

Ничего не известно. Основание логарифма (т. е. двоичная система) выбрано для удобства; единицей информации в этой системе является один бит; он соответствует выбору одного варианта из двух возможных.

Выражение (12.8) легко обобщается на случай, когда a priori N вариантов могут реализоваться с вероятностями а реализуются a posteriori с вероятностями тогда

Выбор или реализация апостериорных вариантов может осуществляться двумя различными способами; либо в результате действия сторонних сил - в этом случае говорят о рецепции информации от другой (сторонней) системы, либо спонтанно, в результате неустойчивого поведения самой системы - в этом случае имеет место рождение (возникновение) новой информации.

Информационная система должна быть способной: а) рецептировать информацию, б) хранить или, что то же, запоминать информацию, в) выдавать информацию при взаимодействии с другой, акцепторной по отношению к рассматриваемой, системой. Отсюда следует, что информационная система должна быть мультистационарной.

Число устойчивых стационарных состояний определяет информационную емкость, т. е. максимальное количество информации, которое система может рецептировать:

Система должна быть диссипативной. Это значит, что вещественные части всех характеристических чисел стационарных состояний отрицательны; это является необходимым условием запоминания информации. Примером такой системы может служить китайский биллиард. Он представляет собою шарик на доске с бортами, лунками и штырями. Принадлежность шарика к определенной лунке и является информацией о состоянии системы.

На микроскопическом (молекулярном) уровне проблема конструкции информационной системы становится не тривиальной . Во-первых, в мультистационарной системе каждая из фазовых траекторий располагается только в определенной части фазового пространства (в области притяжения данного состояния). Весь фазовый объем недоступен для каждой из траекторий. Это означает, что информационная система не является полностью зргодической и термодинамически равновесной. Должны существовать выделенные степени свободы которые в течение длительного времени сохраняют свои значения, а не перебирают все возможные.

Поясним это на примере китайского биллиарда. Выделенными степенями свободы здесь являются координаты шарика. Изменение х и у ограничено краями лунок; шарик не может переместиться в другую лунку без стороннего вмешательства. При этом

другие степени свободы, связанные с колебаниями атомов как шарика, так и доски, могут (и далее должны) быть эргодическими.

Во-вторых, условие диссипативности, как мы видели, связано с неустойчивостью (и отсюда хаотичностью) микроскопических движений. Это значит, что соответствующие степени свободы обязаны быть эргодическими. Таким образом, фазовое пространство информационной системы должно быть расслоено на эргодическую и динамическую подсистемы. Однако такое расслоение нельзя осуществить абсолютно строго, различные степени свободы всегда связаны друг с другом. Это проявляется в том, что динамические (информационные) степени свободы флуктуируют и существует некоторая вероятность их радикального изменения (например, переброс шарика в другую лунку) под влиянием эргодической подсистемы (т. е. тепловых флуктуаций).

В макроскопических информационных системах эта вероятность пренебрежимо мала, однако в микроскопических системах ее нужно учитывать. Таким образом, условия мультистационарности и диссипативности не могут быть выполнены одновременно абсолютно строго; они являются дополнительными. Это значит, что условие «запоминания» не может быть абсолютным, можно лишь говорить о запоминании с определенной вероятностью на определенное (не бесконечно большое) время. Иными словами, информационная система не может помнить вечно. В реальных информационных системах характерное время запоминания зависит от их конструкции, температуры и свободной энергии.

Вопрос о связи между энтропией и информацией в свете изложенного оказывается не тривиальным. Физическая энтропия представляет собой логарифм фазового объема, доступного для системы (с учетом условности этого понятия - см. выше), измеренного в единицах где число степеней свободы и размер минимальной (квантовой) ячейки фазового пространства. Формально энтропия может быть представлена в виде

Величина является энтропией, измеренной в битах; число ячеек фазового пространства. С другой стороны, информационная емкость может быть записана в форме

где размер фазового пространства одной информационной ячейки. Сопоставление формул (12.11) и (12.12) показывает, что энтропия и информация отличаются как коэффициентом, так и размером ячейки.

Совпадение (12.11) и (12.12) по форме послужило основанием для утверждения о тождественности понятий информации и энтропии. Точнее, утверждается, что энтропия есть недостающая информация о состоянии системы и (или) информация есть недостающая энтропия, т. е. разность между максимальной энтропией, которой

обладала бы система без информации, и реальной энтропией, которую система имеет, обладая полученной информацией. В этой связи используется термин негоэнтропия, который считается тождественным информации.

Многих, однако, эти утверждения не удовлетворяют и вопрос о связи информации и энтропии остается дискуссионным.

Обсудим вопрос более детально.

Прежде всего бросается в глаза большая количественная разница между информацией, заключенной в системе, и ее энтропией.

Блюменфельд (см. [П61) на ряде биологических примеров (клетка, организм и т. д.) показал, что содержащаяся в объекте энтропия во много раз (на несколько порядков) превышает имеющуюся нем информацию. Разница еще больше в современных неживых информационных системах (например, в печатном тексте энтропия превышает информацию примерно в 1010 раз).

Столь большая количественная разница не случайна. Она связана с тем, что объем фазового пространства информационной ячейки велик по сравнению с величиной Последнее обусловлено тем, что информационная ячейка должна содержать эргодическую подсистему и, следовательно, занимать большой (по сравнению с элементарной ячейкой) объем.

Таким образом, разница масштабов энтропии и информации не случайна, а связана с их принципиальным различием. Энтропия - это мера множества тех состояний системы, о пребывании в которых система должна забыть; информация - мера множества тех состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

Посмотрим, как связаны изменения энтропии и информации на примере китайского биллиарда. Ограничим рассмотрение временем существования системы. Дело в том, что любая информационная система, будучи неравновесной, по структурным степеням свободы релаксирует и разрушается, т. е. перестает быть информационной.

Время структурной релаксации больше (или равно) времени запоминания. В нашем примере речь идет о спонтанном разрушении барьеров между лунками; характерное время этого процесса достаточно велико. В течение этого времени структурные степени свободы не меняются, следовательно, и не вносят вклада в энтропию. (Часть фазового пространства, связанная с этими степенями свободы, в это время является недоступной.) Энтропия при этом связана только со степенями свободы, которые быстро релаксируют. Их поведение не зависит от того, в какой из лунок находится шарик и положен ли он в какую-либо лунку или лежит около. Физическая энтропия системы во всех случаях одинакова, однако количество информации различно: оно равно нулю, если шарик не положен в лунку, и равно если он лежит в определенной лунке.

Процесс рецепции информации (в нашем случае - помещение шарика в определенную лунку) требует затраты работы которая переходит в тепло (в противном случае рецепция не была бы необратимой). Следовательно, при рецепции физическая энтропия системы увеличивается (на величину и одновременно

увеличивается информация (на величину Обычно но в остальном они никак не связаны. Таким образом, при рецепции информации соотношение не соблюдается.

Несколько сложнее обстоит дело в случае возникновения новой информации. Система, способная рождать информацию, должна обладать всеми свойствами информационной и, кроме того, удовлетворять условию: определенный слой ее фазового пространства должен быть зргодическим, включая выделенные (информационные) степени свободы. Именно в этом случае задаются начальные условия при спонтанном возникновении информации.

Примером может служить тот же китайский биллиард со штырьками. Если вначале кинетическая энергия шарика достаточно велика (больше барьеров между лунками), то шарик движется по всей доске, не застревая в лунках. В силу неустойчивости отражения от шпилек (они играют роль вогнутых поверхностей в биллиарде Синая, рис. 12.2) движение шарика стохастично и начальные условия быстро забываются. При уменьшении кинетической энергии (в силу диссипативности системы, в данном случае из-за трения и соударений) до величины порядка высоты барьера шарик попадает в область притяжения одной из лунок и остается в ней. Таким образом, выбранное состояние «запоминается», что и является рождением информации. Тот же принцип используется в рулетке и других игровых машинах.

Во всех этих случаях критерием отделения эргодического слоя начальных условий от информационного слоя является величина начальной свободной энергии (в биллиарде это кинетическая энергия шарика). Она же определяет и прирост энтропии системы в процессе рождения информации. Оценим величину Если информационная емкость системы мала: то главным ограничением снизу является условие где барьер между лунками. Барьеры определяют время «запоминания» согласно соотношению

При достаточно большой (макроскопической) величине с барьер составляет

Таким образом, в этом случае увеличение энтропии, приходящееся на один бит информации, равно

или в информационных единицах:

В случае, когда информационная емкость велика (т. е. нужно учесть другое условие: до того как «выбрано» определенное состояние, система должна побывать хотя бы раз в области влияния каждого из возможных состояний.

Пусть при прохождении каждого из состояний диссипирует энергия Минимальная величина порядка энергии тепловых флуктуаций: При этом ограничена снизу условием

Прирост энтропии на один бит информации при этом равен

Таким образом, в случае возникновения информации за нее нужно «платить» увеличением энтропии, таким, что Однако соотношения типа «прирост информации равен убыли энтропии» и в данном случае не имеют места.

Обсудим ситуацию, которая возникает, если отказаться от условия запоминания информации. В этом случае можно говорить об информации о мгновенных значениях координат и импульсов всех атомов системы. Чтобы отличить эту «информацию» от настоящей (запоминаемой), Лайзер предложил термин микроинформация запоминаемая информация при этом именуется макроинформацией.

Если известно, что в данный момент система находится в одной (из возможных) определенной ячейке фазового пространства, то количество микроинформации максимально и равно

Энтропия системы при этом равна нулю, поскольку все остальные ячейки в данный момент можно считать «недоступными».

Если известно, что в данный момент система находится в любой из возможных ячеек, но неизвестно, в какой, то микроинформация равна нулю, а энтропия максимальна и равна

Если известно, что в данный момент система находится в одной (любой) из ячеек то

и между микроинформацией и энтропией имеет место простое соотношение:

Микроинформация, в принципе, может быть превращена в макроинформацию путем рецепции ее другой информационной системой. Например, путем фотографирования картины броуновского движения мгновенные координаты частиц могут быть запечатлены (запомнены) на фотопленке. Эта информация затем может использоваться для каких-либо (даже не связанных с движением частиц)

целей. Важно, что при этом в процессе рецепции (превращения микроинформации в макро- должна быть затрачена работа и повышена энтропия всей системы на величину, заведомо превышающую количество запомненной информации.

Именно этот процесс - превращение микроинформации в макро- и использование ее для управления - лежит в основе парадокса с «демоном Максвелла». Разрешение его в том, что процесс рецепции микроинформации и использования ее для управления сопровождается увеличением энтропии всей системы/превосходящем информацию.

В связи со столь существенной разницей между микро- и макроинформацией используется также и два понятия энтропии. Наряду с физической энтропией используется информационная энтропия, которая определяется как

где число стационарных устойчивых макросостояний, о которых известно, что система находится в одном из них (но неизвестно, в каком именно).

Согласно определению, информационная энтропия связана с информацией соотношением

Увеличение информации (при сохранении при этом всегда сопровождается равным уменьшением информационной энтропии. Термин Информационная энтропия удобно использовать, когда речь идет о возникновении информации и упорядочении системы. Именно в этом смысле он употребляется в гл. 2. Подчеркнем, что с физической энтропией эта величина, вообще говоря, не связана.

Итак, основой отличия физической энтропии и информации (как качественно, так и количественно) является условие запоминания и обусловленный этим большой объем фазового пространства информационной ячейки по сравнению с элементарным.

Представляет интерес оценить величину «запаса». Сделать это в общем виде сейчас трудно. Можно думать, однако, что в живой природе реализовался оптимальный размер (т. е. минимальный, но удовлетворяющий требованиям). Его можно оценить, используя фактические данные.

В молекуле ДНК ячейкой, содержащей два бита информации, является пара комплементарных нуклеотидов. Она содержит около атомов. Энтропия, связанная с колебательными степенями свободы, составляет бит, или энтропия, приходящаяся на один бит информации, равна примерно 60 бит. Отсюда объем фазового пространства, приходящийся на один бит, равен

Энтропия источника сообщений

Для большинства реальных источников сообщения имеют разные вероятности. Например, в тексте буквы А, О, Е встречаются сравнительно часто, а Щ, Ы – редко. Согласно экспериментальным данным, для букв русского алфавита характерны безусловные вероятности, сведенные в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Безусловные вероятности букв русского алфавита

	вероятность		вероятность		вероятность

При разных вероятностях сообщения несут различное количество информации . При решении большинства практических задач необходимо знать среднее количество информации, приходящееся на один элемент сообщения. Это среднее количество информации при общем числе элементов сообщения источника n и числе символов алфавита m равно:

(бит/сообщение).

Величину называют энтропией источника сообщений. Термин «энтропия» заимствован из термодинамики, где она характеризует среднюю неопределенность состояния системы молекул вещества. В теории информации этот термин введен в 1948 г. американским ученым К. Шенноном и далее более строго определен советскими математиками А.Я. Хинчиным и А.Н. Колмогоровым . Физически энтропия выражает среднюю неопределенность состояния источника сообщений и является объективной информационной характеристикой источника. Энтропия всегда положительна и принимает максимальное значение при равновероятных сообщениях :

.

Минимальное значение энтропии соответствует случаю, когда одна из вероятностей , а остальные равны нулю, т.е. имеется полная определенность.

Для источника с зависимыми сообщениями энтропия тоже вычисляется как математическое ожидание количества информации на один элемент этих сообщений. Следует заметить, что полученное в этом случае значение энтропии будет меньше, чем для источника независимых сообщений. Это следует из того, что при наличии зависимости сообщений неопределенность выбора уменьшается и, соответственно, уменьшается энтропия. Так, в тексте после сочетания "чт" вероятнее всего, что третьей буквой будет "о" и маловероятно появление в качестве третьей буквы "ж" или "ь". В среднем, сочетание "что" несет меньше информации, чем эти буквы в отдельности.

Наиболее широкое применение в дискретных системах передачи информации получили двоичные источники. Двоичные источники характеризуются передачей только двух возможных сообщений. Причем, если вероятность передачи одного из них , то вероятность передачи другого .

Определим энтропию двоичного источника. Из формулы (4.2) получим:

График зависимости (4.4) представлен на рис. 4.1. Как следует из графика, энтропия двоичного источника изменяется в пределах от нуля до единицы. Энтропия равна нулю, когда вероятность передачи одного из символов равна нулю или единице, т.е. передается только одно сообщение. Получение же одного единственно возможного сообщения никакой новой информации не дает. Энтропия двоичного источника будет максимальна, если существует наибольшая неопределенность, т.е. . При этом .

Избыточность источника сообщений

Избыточными в источнике являются сообщения, которые несут малое, иногда нулевое, количество информации. Наличие избыточности означает, что часть сообщений можно и не передавать по каналу связи, а восстановить на приеме по известным статистическим связям. Так и поступают при передаче телеграмм, исключая из текста союзы, предлоги, знаки препинания, поскольку они легко восстанавливаются по смыслу телеграммы на основании известных правил построения фраз.

Количественно избыточность оценивается коэффициентом избыточности:

,

где – энтропия источника; – максимальная энтропия источника с алфавитом из сообщений.

Избыточность при передаче сообщений имеет свои положительные и отрицательные стороны. Увеличение избыточности приводит к увеличению времени передачи сообщений, излишней загрузке каналов связи. За определенный промежуток времени по каналу передается меньшее количество информации, чем это возможно; поэтому одной из задач теории информации и техники кодирования является задача сокращения избыточности.

Однако при увеличении избыточности появляется возможность повышения помехоустойчивости передачи сообщений. Так, избыточность текста позволяет исправлять отдельные ошибки или восстанавливать пропущенные буквы или даже слова в телеграмме. У русского и всех европейских языков избыточность с учетом всех статистических зависимостей букв примерно одинакова . Она сформировалась в результате длительной, общественной практики на основе требований исправления искажения слов и фраз под воздействием различных мешающих факторов. Для систем связи устанавливается компромиссное значение избыточности, которое обеспечивает заданную скорость и надежность передачи сообщений.

Производительность источника сообщений

Для источников сообщений с фиксированной скоростью важным параметром является его производительность , определяемая выражением:

[бит/с],

где – интервал времени для передачи элементарного сообщения.

Физический смысл производительности – количество информации, выдаваемое источником в среднем за единицу времени (одну секунду) его непрерывной работы.

Аннотация: Вводится понятие энтропии. На нескольких примерах показывается, как вычисляется энтропия дискретной случайной величины. Вводится понятие префиксного кодирования. Задачи на самостоятельную работу улучшают восприятие материала. Также много различных математических исследований

Энтропия д.с.в. - это минимум среднего количества бит , которое нужно передавать по каналу связи о текущем значении данной д.с.в.

Рассмотрим пример (скачки). В заезде участвуют 4 лошади с равными шансами на победу, т.е. вероятность победы каждой лошади равна 1/4. Введем д.с.в. , равную номеру победившей лошади. Здесь . После каждого заезда по каналам связи достаточно будет передавать два бита информации о номере победившей лошади. Кодируем номер лошади следующим образом: 1-00, 2-01, 3-10, 4-11. Если ввести функцию , которая возвращает длину сообщения, кодирующего заданное значение , то м. о. - это средняя длина сообщения, кодирующего . Можно формально определить через две функции , где каждому значению ставит в соответствие некоторый битовый код, причем, взаимно однозначно, а возвращает длину в битах для любого конкретного кода. В этом примере .

Пусть теперь д.с.в. имеет следующее распределение

Т.е. лошадь с номером 1 - это фаворит. Тогда

Закодируем номера лошадей: 1-0, 2-10, 3-110, 4-111, - т.е. так, чтобы каждый код не был префиксом другого кода (подобное кодирование называют префиксным ). В среднем в 16 заездах 1-я лошадь должна победить в 12 из них, 2-я - в 2-х, 3-я - в 1-м и 4-я - в 1-м. Таким образом, средняя длина сообщения о победителе равна бит /сим или м. о. . Действительно, сейчас задается следующим распределением вероятностей: , , . Следовательно,

Итак, .

Можно доказать, что более эффективного кодирования для двух рассмотренных случаев не существует.

То, что энтропия Шеннона соответствует интуитивному представлению о мере информации, может быть продемонстрировано в опыте по определению среднего времени психических реакций. Опыт заключается в том, что перед испытуемым человеком зажигается одна из лампочек, которую он должен указать. Проводится большая серия испытаний, в которых каждая лампочка зажигается с определенной вероятностью , где - это номер лампочки. Оказывается, среднее время, необходимое для правильного ответа испытуемого, пропорционально величине энтропии , а не числу лампочек , как можно было бы подумать. В этом опыте предполагается, что чем больше информации будет получено человеком, тем дольше будет время ее обработки и, соответственно, реакции на нее.

Упражнение 13 Найти энтропию д.с.в. и среднюю длину каждого из приведенных кодов для этой д.с.в.

Упражнение 14 д.с.в. равна количеству "гербов", выпавших на двух идеальных монетках. Найти энтропию . Придумать минимальный код для , вычислить его среднюю длину и обосновать его минимальность.

Упражнение 15 д.с.в. задана распределением , Найти энтропию этой д.с.в. Придумать минимальный код для , вычислить его среднюю длину и обосновать его минимальность.

Упражнение 16 Про д.с.в. известно, что ее значениями являются буквы кириллицы. Произведен ряд последовательных измерений , результат которых - "ТЕОРИЯИНФОРМАЦИИ". Составить на основании этого результата приблизительный закон распределения вероятностей этой д.с.в. и оценить минимальную среднюю длину кодов для .

Семантическая информация

В 50-х годах XX века появились первые попытки определения абсолютного информационного содержания предложений естественного языка. Стоит отметить, что сам Шеннон однажды заметил, что смысл сообщений не имеет никакого отношения к его теории информации, целиком построенной на положениях теории вероятностей. Но его способ точного измерения информации наводил на мысль о возможности существования способов точного измерения информации более общего вида, например, информации из предложений естественного языка. Примером одной из таких мер является функция , где - это предложение, смысловое содержание которого измеряется, -

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭНТРОПИИ И ИНФОРМАЦИИ. Первое строгое определение информации дал американский ученый К. Шеннон в 1948 г. Он определил ее как меру уменьшения неопределенности, т.е. отбора необходимых элементов из некоторой их совокупности. При этом имелась в виду как неопределенность знаний об объектах, так и неопределенность самого объекта. Иными словами, в этом понимании информация - это сведения, снимающие неопределенность, которая существовала до их получения. Наряду с вероятностно-статистическим подходом можно дать и другое определение информации, основанное на комбинаторике. При таком подходе, предложенном в 1956 г. английским нейрофизиологом У. Эшби, информация определяется не как уничтожение неопределенности, а как снятие однообразия, тождества. Мерой количества информации в этом случае служит степень разнообразия элементов системы или сведений о ней. Единицей измерения количества информации является бит, который соответствует выбору одного из двух равновозможных состояний либо из двух равновозможных вероятностей. Информация обладает свойством аддитивности: общее количество информации, необходимое для решения двух задач, равно сумме раздельных информации. Поэтому если задано число равновероятных исходов задачи, то информация пропорциональна натуральному логарифму этого числа.

Из термодинамики известно, что мерой недостатка информации о некоторой физической системе является энтропия. Очевидный параллелизм определений информации и энтропии позволил Л. Бриллюэну установить связь информации с соответствующим убыванием энтропии. Чтобы убрать из формулы, отображающей эту связь, знак «минус», Бриллюэн ввел новый термин - негэнтропию, или отрицательную энтропию. Тем самым был сформулирован негэнтропийный принцип информации, который можно рассматривать как обобщение принципа Карно - второго начала термодинамики: в любых реальных процессах информация деградирует, а негэнтропия уменьшается.

Следует, однако, заметить, что анализ математической связи между энтропией и информацией выполнен Бриллюэном лишь для случая микроинформации, которая относится к процессам на молекулярном уровне. Оснований распространять его формулу на случай макроинформации нет. Допущенная ошибка впоследствии разрослась до уровня философских обобщений.

Что касается определения макроинформации, то здесь удобно воспользоваться определением, которое предложил Г. Кастлер: информация есть случайный запоминаемый выбор вариантов из возможных и равновероятных. Это определение существенным образом выходит за рамки классической рациональности: с позиций механистического подхода движение не может реализоваться в альтернативных вариантах, свобода выбора между ними отсутствует.

Включенное в определение Кастлера тре-бование запоминания информации означает, что речь идет о неравновесной системе, поскольку равновесная система имеет одно- единственное состояние и запомнить не может ничего. Напротив, неравновесная система, способная формировать диссипативные структуры, описываемые синергетикой, этой способностью обладает.

Определение информации, по Кастлеру, не исчерпывает смысловое богатство этого понятия. Из-за многоплановости этого понятия его общенаучное определение до сих пор отсутствует. По мнению Н.Н. Моисеева, такое определение вообще вряд ли возможно.

Один из важных аспектов информации - информационная насыщенность сигналов. Потоки энергии и вещества поддерживают состояние системы, а потоки информации, переносимые сигналами, управляют ею и организуют ее функционирование. Сигналы в состоянии выполнять эту функцию, если они содержат информационно насыщенный текст, который может быть декодирован в принимающей системе. Термодинамическая энтропия в процессах передачи информации закономерно возрастает.

При рассмотрении проблем В.э. и и. из-за указанных трудностей нередко встречаются ошибочные философско-методологические утверждения: а) информация является одним из свойств материи, она вездесуща и содержится в каждом материальном объекте; б) существуют две взаимно дополнительные характеристики реальных явлений - негэнтропия, или информация, как мера упорядоченности и энтропия как мера неупорядоченности.

Первое утверждение противоречит пони-манию информации как процесса, а второе является следствием попыток распространить на случай макроинформации негэнтропийный принцип Бриллюэна.

Естественно, что любой процесс получения макроинформации связан с изменением энтропии. Однако связь между ними чаще всего неопределенная, а во многих случаях также и нелинейная. Говорить о существовании определенной количественной связи между информацией, относящейся к некоторой системе, и изменением энтропии этой системы оснований нет.

Литература:

Мелик-Гайказян И.В. Информационные процессы и реальность. М., 1957.

Словарь философских терминов. Научная редакция профессора В.Г. Кузнецова. М., ИНФРА-М, 2007, с. 80.