宇宙万物的基本单位是信息。信息,指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象,泛指人类社会传播的一切内容。信息论创始人香农说:"信息是用来消除随机不确定性的东西"。什么是信息?
传闻,当年哥伦布首次登陆美洲大陆的时候,印第安人看不见近在眼前的帆船,因为印第安人从来没有见过帆船,没有帆船的概念和逻辑,于是视而不见。传闻当然不可信,但这揭示了信息的神秘性,信息貌似是一种相对的变化,也就是说,未对既有事实发生重构的信息,并不能被我们获取。
信息到底是什么?例如我们看到一个图像,通过眼睛接收,传递至大脑,神经网络会发生相应的变化,从而获取图形的信息。通过实验研究发现,神经兴奋网络与图形大致吻合。
神经兴奋网络
获取图形的信息正好是兴奋神经元的排列组合,例如电脑数据信号就是基本二进制单位01的组合,一个二进制波形(码元)的信息量等于1bit(比特)。如果把信息分解成基本单位,那么信息就是信息量的排列组合,对我们而言,是一种确定性。为了描述信息量,我们引入了熵的概念。
熵是一种宏观的概念!提到熵,必然引出信息熵和热力学熵,二者本质一样。
信息熵的定义:S=∑ p(x) lin 1/p(x),其中 p(x)是系统处于状态x时的概率,1/p(x)衡量状态x的信息量。
热力学熵的定义:S=klinΩ,其中k是玻尔兹曼常数,Ω则为系统宏观状态中所包含的微观状态总数。一般情况下,热力学熵考虑的是微观状态等概率的情形,即处于每个微观状态的概率为1/Ω,若不是等概率的,则形式与信息熵完全一致。
为什么熵要取对数?凡是变化与自身相关的量通常是自然常数e的指数形式。
例如大家熟知的衰变律:放射性元素的数量随时间以指数规律衰减。对于放射性元素,在dt 时间内衰变的原子数dN与自身元素数量N和时间dt乘积正相关,dN=-λNdt,其中λ为衰变系数。设t=0时刻的放射性元素数量为N0,则衰变律为N=N0e^-λt。
同理,微观状态变化量(或信息变化量)dN与自身微观状态量(或信息量)N和熵变dS乘积正相关,dN=λNdS,故微观状态量(或信息量)N=N0e^λS,故熵是取状态量的对数关系。
世界的意义在于世界之外。——维特根斯坦《逻辑哲学论》明确了信息熵的理论概念,仍然不足以理解信息熵的意义?信息的意义在于信息之外,其神秘面纱需要我们再一次揭开。
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