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这些数学上的形式主义在描述某个现象时,不会表现其所有细节,而且它们也没有这种打算。例如,概率论对某些随机性问题就无能为力。在某些人看来,超出数学研究范围的问题才是最有意思的问题。但是,在当今社会,如果思考可能性问题时根本不使用概率论,那肯定是错误的。如果大家不相信,可以问一问詹姆斯·哈维。当然,如果问那些把钱输给哈维的人,效果会更好,因为他们的体会更深。
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是否有与意识、社会或者美学相关的数学理论呢?毫无疑问,人们正在做这方面的尝试,但是到目前为止,进展仍然非常有限。如果有人宣称他们取得了突破,那么我们应该本能地不相信他们,但是我们也应该认识到,他们有可能真的取得了某些重要突破。
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起初,人们觉得错误校正码可能并不是一个革命性的数学成果。在嘈杂的派对上,我们重复自己说的话,就可以解决问题。但是,这种解决方案是需要成本的。如果我们在发送信息时,把每个比特都发三遍,这条信息的长度就会是原始信息的三倍。对于派对上的交流而言,这可能不会有任何影响,但是,如果我们想让卫星在一秒钟之内打开右推进器,就有可能出问题。香农在他的那篇关于信息论的论文中指出,时至今日,工程师们仍然面临着一个基础性难题:信号抗噪声干扰的能力越强,传输这条信息的速度就会越慢,如何在两者之间取得平衡呢?噪声的出现,为传输渠道在固定时间内精准传送的信息长度设置了上限,香农把这个限度称作通信渠道的信息传输能力。水管可以输送的水量是有限的,同样,通信渠道的信息传输能力也是有限的。
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“重复三遍”的通信协议会把通信渠道的信息传输能力降至1/3,而我们在矫正错误时并不一定需要承担这么大的损失。我们有更好的办法,香农非常了解这个办法,因为这个办法是他在贝尔实验室的同事理查德·海明(Richard Hamming)提出来的。
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海明是位年轻的数学家,很早就加入了“曼哈顿计划”。他有贝尔实验室重达10吨的第五代机械继电器式计算机的低级使用权,只能在周末时使用这台计算机运行他编写的程序。但是,这台计算机有个问题,只要发生机械故障,海明的计算就只能中止,直到星期一上午才有人重新启动这台机器。这让海明非常恼火,要知道,生气是技术进步的一个重要激励因素。海明想,如果这台机器可以自己纠正错误,永远不会死机,情况不就能大大改观吗?由此,他想到了一个办法。跟卫星信息传输一样,人们在这台计算机上输入的内容可以看成是一连串的0与1。至于这两个数字是数据流中的比特、继电器的开关状态还是纸带上的小孔(当时技术水平下的数据界面),人们根本不关心。
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海明采取的第一个步骤是将信息分割成一个个代码块,每个代码块由三个数字组成,比如:
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111 010 101……
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“海明码”(Hamming code)是一种把三位数的代码块转换成7位数的代码块的规则,其密码本为:
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000 → 0000000
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001 → 0010111
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010 → 0101011
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011 → 0111100
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101 → 1011010
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110 → 1100110
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100 → 1001101
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111 → 1110001
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经过编码之后,上述信息就会变成:
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1110001 0101011 1011010……
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这些7位数的代码块叫作“代码字”(code word),海明码只允许有这8个代码字。如果接收到的信息中的代码块不是其中之一,就可以肯定有地方出错了。比如,如果接收到1010001,我们就会知道它肯定不正确,因为1010001不是代码字。此外,我们接收到的这条信息与代码字1110001只有一个地方不同,而其他代码字与我们实际看到的错误信息都不可能如此接近,因此,我们可以很有把握地猜测对方想要传输给我们的代码字是1110001,也就是说,原始信息中与之对应的三位数代码块应该是111。
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可能有人认为我们太幸运了。如果接收到的信息与两个代码字都非常接近,我们该怎么办呢?我们的判断就不会那么有把握了吧?但是,这种情况不会发生,我会告诉大家原因。我们现在回过头去研究法诺平面上的那些直线:
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