Теория информации. Статистический подход

контрольная работа

Статистический подход к измерению правовой информации

Статистический подход изучается в разделе кибернетики, называемом теорией информации. Его основоположником считается К. Шеннон, опубликовавший в 1948 году свою математическую теорию связи. Большой вклад в теорию информации до него внесли ученые Найквист и Хартли.

В 1924 и 1928 гг. они опубликовали работы по теории телеграфии и передаче информации. Признаны во всем мире исследования по теории информации российских ученых А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина, В.А. Котельникова, А.А. Харкевича и др.

К. Шенноном было введено понятие количество информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации.

Количественно выраженная неопределенность состояния получила название энтропии по аналогии с подобным понятием в статистической механике.

При получении информации уменьшается неопределенность, т.е. энтропия, системы. Очевидно, что чем больше информации получает наблюдатель, тем больше снимается неопределенность, и энтропия системы уменьшается.

При энтропии, равной нулю, о системе имеется полной информация, и наблюдателю она представляется целиком упорядоченной. Таким образом, получение информации связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы.

До получения информации ее получатель мог иметь некоторые предварительные (априорные) сведения о системе Х.

Оставшаяся неосведомленность и является для него мерой неопределенности состояния (энтропией) системы. Обозначим априорную энтропию системы Х.

После получения некоторого сообщения наблюдатель приобрел дополнительную информацию уменьшившую его начальную неосведомленность.

Другими словами, количество информации измеряется уменьшением (изменением) неопределенности состояния системы.

Вероятность p - количественная априорная (т.е. известная до проведения опыта) характеристика одного из исходов (событий) некоторого опыта. Измеряется в пределах от 0 до 1.

Если заранее известны все исходы опыта, сумма их вероятностей равна 1, а сами исходы составляют полную группу событий.

Если все исходы могут свершиться с одинаковой долей вероятности, они называются равновероятными.

Например, пусть опыт состоит в сдаче студентом экзамена по информатике.

Очевидно, у этого опыта всего 4 исхода (по количеству возможных оценок, которые студент может получить на экзамене).

Тогда эти исходы составляют полную группу событий, т.е. сумма их вероятностей равна 1. Если студент учился хорошо в течение семестра, значения вероятностей всех исходов могут быть такими:

p (5) = 0.5; p (4) = 0.3; p (3) = 0.1; p (2) = 0.1, где запись p (j) означает вероятность исхода, когда получена оценка j (j = {2, 3, 4, 5}).

Если студент учился плохо, можно заранее оценить возможные исходы сдачи экзамена, т.е. задать вероятности исходов, например, следующим образом: p (5) = 0.1; p (4) = 0.2; p (3) = 0.4; p (2) = 0.3.

В обоих случаях выполняется условие:

где n - число исходов опыта,

i - номер одного из исходов.

Пусть можно получить n сообщений по результатам некоторого опыта (т.е. у опыта есть n исходов), причем известны вероятности получения каждого сообщения (исхода) - pi.

Тогда в соответствии с идеей Шеннона, количество информации I в сообщении i определяется по формуле:

I = - log2 pi,

где pi - вероятность i-го сообщения (исхода).

Пример 1. Определить количество информации, содержащейся в сообщении о результате сдачи экзамена для студента-хорошиста.

Пусть I (j) - количество информации в сообщении о получении оценки j. В соответствии с формулой Шеннона имеем:

I (5) = - log2 0,5 = 1,I (4) = - log2 0,3 = 1,74,I (3) = - log2 0,1 = 3,32

I (2) = - log2 0,1 = 3,32.

Пример 2. Определить количество информации, содержащейся в сообщении о результате сдачи экзамена для нерадивого студента:

I (5) = - log2 0,1 = 3,32,I (4) = - log2 0,2 = 2,32,I (3) = - log2 0,4 = 1,32,I (2) = - log2 0,3 = 1,74.

Таким образом, количество получаемой с сообщением информации тем больше, чем неожиданнее данное сообщение. Этот тезис использован при эффективном кодировании кодами переменной длины (т.е. имеющими разную геометрическую меру): исходные символы, имеющие большую частоту (или вероятность), имеют код меньшей длины, т.е. несут меньше информации в геометрической мере, и наоборот.

Формула Шеннона позволяет определять также размер двоичного эффективного кода, требуемого для представления того или иного сообщения, имеющего определенную вероятность появления.

Помимо информационной оценки одного сообщения, Шеннон предложил количественную информационную оценку всех сообщений, которые можно получить по результатам проведения некоторого опыта. Так, среднее количество информации Iср, получаемой со всеми n сообщениями, определяется по формуле:

где pi - вероятность i-го сообщения.

Пример 3. Определить среднее количество информации, получаемое студентом-хорошистом, по всем результатам сдачи экзамена.

В соответствии с приведенной формулой имеем:

Iср = - (0,5*log20,5 + 0,3*log20,3 + 0,1*log20,1 + 0,1*log20,1) = 1,67.

Пример 4. Определить среднее количество информации, получаемое нерадивым студентом, по всем результатам сдачи экзамена.

В соответствии с приведенной формулой имеем:

Iср = - (0,1*log20,1 + 0,2*log20,2 + 0,4*log20,4 + 0,3*log20,3) = 1,73.

Большее количество информации, получаемое во втором случае, объясняется большей непредсказуемостью результатов: в самом деле, у хорошиста два исхода равновероятны.

Пусть у опыта два равновероятных исхода, составляющих полную группу событий, т.е. p1 = p2 = 0,5. Тогда имеем в соответствии с формулой для расчета I ср:

I ср = - (0,5*log20,5 + 0,5*log20,5) = 1.

Эта формула есть аналитическое определение бита по Шеннону: это среднее количество информации, которое содержится в двух равновероятных исходах некоторого опыта, составляющих полную группу событий.

Единица измерения информации при статистическом подходе - бит.

На практике часто вместо вероятностей используются частоты исходов. Это возможно, если опыты проводились ранее и существует определенная статистика их исходов. Так, строго говоря, в построении эффективных кодов участвуют не частоты символов, а их вероятности

Введенная количественная статистическая мера информации широко используется в теории информации для оценки собственной, взаимной, условной и других видов информации.

Делись добром ;)