Shannon及贡献和大师风范

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1、Shannon 的贡献和大师风范作者：王育民 发表日期：2009-08-05 一、Shannon 生平Shannon 1916 年 4 月 30 日出生于美国密歇根州（Michigan）州皮托斯基（Petoskey）的加洛德（Gaylord）小镇。父亲是商人，曾当过遗嘱鉴定员，母亲是德国移民的女儿，曾任加洛德中学校长。Shannon 于 1932 年从加洛德学校高中毕业。中学时代曾参加镇上的乐队，吹奏中音萨克斯号。中学时代还靠当报童、电报生以及修理无线电赚钱买零件，与要好的同学一起制作飞机模型、无线控制轮船模型、电报机等。在儿童时代他心目中的英雄就是爱迪生，后来才知道爱迪生是他的一位远亲。他心

2、目中的英雄还有牛顿、达尔文、爱因斯坦和冯诺伊曼。1932 年他进入密歇根大学学习，高年级时被选为 Phi Kappa Phi 的会员和 Sigma Xi 的准会员，在大学期间，他曾读过 Hartley1928 年发表的论文6，Shannon 称这对他的一生有重要影响7。他于 1936 年毕业，获数学学士学位和电子工程学士学位。而后申请到麻省理工学院（MIT）的助理研究员职位，允许他在职攻读学位。他在 Vannevar Bush 指导下进行差分分析仪（Differential analyzer）的研究，这是一个既合他的兴趣，又能发挥他才干的理想工作。他们的差分分析仪在当时是所在领域的一种最高级的

3、模拟计算机，可以解高达 6 次的差分方程。差分分析仪是很复杂的，要用 100 多个继电器组成的接点电路控制其运算。Shannon 对此极感兴趣，他在密歇根大学曾学过符号逻辑和布尔代数课程，他认识到这正是用来研究二元系统的数学理论。1937年暑期他在纽约市贝尔实验室时研究和发展了这一想法，他回到 MIT 后，在其硕士论文中论述了如何用布尔代数分析和综合数字开关电路。此论文最初发表在 A.I.E.E.学报上1，1，引起了很大反响，1940 年获得了美国联合工程学会 （Combined Engineering Societies）的 Alfred Nobel 奖，此奖每年授予一名在学会某个杂志发表文

4、章的 30 岁以下的年轻人。Shannon 在回忆这段搞继电器接点电路的研究历程时说，“电路的连接并不是主要问题，最重要的、最困难的事是用布尔代数表达式计算出如何分隔开关电路拓扑的细节，即接点通/断的途径。解决了这个问题真是开心。有点创意的说法是，我认为在我的一生中我从做这一件事所获得的乐趣超过了其他任何事。当我完成时，我觉得做得真棒！我拿给好几个人看，包括后来成为 MIT 副校长和工程系主任的 Vannevar Bush，这给他留下了深刻印象，他给我写推荐信使这一论文得以发表，并将我从电气工程系转到数学系，所以我的博士学位是数学。”1940 年他同时获得 MIT 电子工程硕士学位和数学博士学

5、位。其博士论文理论基因学的代数，将数学用于研究遗传学，首次公开发表在1中1， 3。毕业后于 1941 年他加入贝尔实验室数学部，对开关电路作进一步研究工作，发展了一种新的综合复杂开关函数的方法，可以大大减少所需的接点个数，这个结果后来写入两端开关电路的综合论文中1，50。他在贝尔实验室一直工作到 1972 年。1940-1941 年他曾到普林斯顿高级研究所，在 Hermann Weyl 手下做研究工作，开始认真地思索与信息论和有效通信相关的想法和数学问题。当时，贝尔实验室数学部的领导 T. C. Fry 正负责一个防空火力控制系统委员会，要求Shannon 回到贝尔参加这一研究工作，设计观测敌

6、机或导弹、计算防空导弹的瞄准目标的定向器，这种装置大大支援了英国抗击德国 V1 和 V2 火箭的能力。1949 年他和毕业于数学专业的 Mary Elizabeth（Betty）Moore 结婚，婚后陆续有了三个孩子，Robert，Andrew 和 Margarita。Shannon 在贝尔工作的 15 年间，贝尔实验室聚集了许多一流的数学家和科学家，如卫星通信专家 J. Pierce、信号理论家 H. Nyquist、网络反馈专家 H. Bode、晶体管发明人 Brattain, Bardeenh 和 Shockley、早期用继电器构建计算机的 G. Herdrik、杰出工程师 B. Oli

7、ver 等。Shannon 在这种环境中创建了信息理论、现代密码理论以及人工智能等方面的先驱工作。Shannon 的成功与贝尔所提供的优良环境是分不开的，可以说贝尔是信息科学和技术的摇篮，贝尔既孕育了信息化社会的思想基础信息论，也孕育了信息化社会的物质基础晶体管和集成电路。Shannon 说：在贝尔实验室每一个人都很自由，可以按你的想法做你想做的事，他们不会对你说：你要做这个、那个，至少没人对我这样说过。不仅如此，我所在的部门数学研究组的所有人都很聪明和能干，我和他们有很多交往，这是一个非常好的场所。如果我是在其他公司，就要更多地专注于特定的目标，我就不可能像在贝尔那样自由自在地工作。我想我若

8、在大学里也能做出类似的工作，因为大多数大学的研究是完全自由的，如 MIT。贝尔是很开放的。1956 年他成为 MIT 的客座教授，从事讲课、带研究生和完善信息论理论的工作。1958 年成为终生教授，1978 年成为荣誉教授（Professor Emeritus）。19571958 年间还担任过加州帕洛阿尔托市（Palo Alto）的行为科学高级研究中心的高级研究员。他在贝尔兼职直到 1972 年。Shannon 于 1956 年当选为美国科学院院士，时年 40 岁。他还是美国电气和电子工程师学会（IEEE）和美国数学学会的高级会员。曾获电气和电子工程师学会的诺布尔奖，美国无线电工程师学会的利布

9、曼奖，富兰克林学会的巴兰坦奖和章(1955)，美国全国研究协会奖(1956)和哈维奖，日本的京都 （Kyoto）Prize。他获得了世界十几所大学的名誉博士、各种荣誉讲座、多荣誉称号。1998 年，AT&T 将在 Florham Park, N. J.的两栋建筑命名为 Shannon实验室。经受多年阿尔茨海默症（Alzheimers Disease，退化性老年痴呆症）的折磨后，Shannon 博士于 2001 年 2 月 26 日去世，享年 84 岁。 二、Shannon 的主要贡献 Shannon 是一位能与控制论（及时间序列分析）创始人 Norbert Wiener、计算机先驱 Von N

10、eumann 以及博弈论创始人 John Nash 等并列的近代伟大科学家。 Shannon 一生写了 127 篇文章1，与我们当今有些发文数百篇的年轻学者相比实在有点少，但他的每篇文章都极富洞察力，为我们提供了全新的思想，很多文章都开辟了崭新的研究方向！ 1938 年 Shannon 发表继电器和开关电路的符号分析一文曾获电气和电子工程师学会(IEEE)的 Alfred Noble 奖，是 20 世纪中的一篇最重要也是最为著名的硕士论文，成为数字电路设计的一个里程碑，立即得到实际应用1，1。这篇文章是在 1937 年成文的，当时他还是 MIT的一名学生。在这篇文章他告诉人们：“如果我们有一天

11、能发明计算机，要使它能够思索的话，一定会是采用二元码和串在一起开关， 并应用布尔（Boole）逻辑系统实现的结果。” 1940 年 Shannon 的博士论文An Algebra for Theoretical Genertics1，3，是数字控制系统和计算机科学的先驱工作。 经过 8 年的思索，1948 年 Shannon 发表的通信的数学理论文章1，37，创建了信息论，这是一篇 20 世纪少有的几篇对科学和工程，乃至对人类社会发展产生了重要影响的著作，是可与牛顿力学相媲美的不朽之作，也是他最重要的科学贡献。这使他成为信息论之父，时年仅32 岁。作为数学家，他为数学开辟了一个工程应用的新领域

12、。这篇文章虽然在 1947 年完成，但至今仍然闪烁着智慧的光芒，它将照耀人类今后的数个世纪。“通信的基本问题是在彼地精确地或近似地重现此地所选的消息”，这句话将通信的本质表述得多么清晰！它所给出的信道容量方程（C = Wlog2(1+S/N)，W：信道带宽，S/N：信噪比，C：信道容量），指出了通过信道实现错误概率为零时可传输的最大信息速率，即 Shannon 极限，这是一个罕见的、 漂亮、简洁而又有效的理论结果。Robert G. Gallager 曾说过：“Shannon 发现了在所有通信中最基本的元素就是二元数字0和1”。“这的确是他的发现，从此萌发了整个通信领域的（数字化）革命”。 这

13、篇著作一发表就在通信工程界引起了极大反响，财富（Fortune）杂志立即称此理论为：一个人的最杰出和最令人为之骄傲的创造，一个伟大的、能够迅速而深刻地改变人们对于世界看法的科学理论。Shannon 为通信工程师们点亮了灯塔，为他们的探索指明了工作的方向。应当指出，这篇文章发表后曾遭受到某数学家的抨击，责难 Shannon 的一些结果未经证明，在数学上不严格，靠不大住。Shannon 对此评论说，“我不喜欢他的评论，他并未仔细看这篇文章，你可以将每一小的推断都一行一行地用数学式子写出来，或者你可以假定读者已明白了你所讲的。我确信我是正确的，我清 楚地知道我所做的，它给出的所有结果都恰好是正确的。

14、” 今天，这一理论已被广泛地应用，从空间探测、卫星通信、无线移动通信，到硬盘驱动器、光盘存储等。信息论的应用已远远超出了通信领域，从基因学、分子生物学、神经系统、脑科学到心理学、艺术、音乐、社会学、语言学、经济学，甚至庭院设计（Landscape gardening）。 1949 年 Shannon 公开发表的保密系统的通信理论1，25开辟了用信息论研究密码学的新方向，使他成为近代密码理论的奠基人和密码学的先驱。这篇文章是他在 1945 年为贝尔实验室所完成的一篇机密报告A Mathematical Theory of Cryptograph1，24。Boston 环球报称此文将密码从艺术变成

15、为科学。（transformed cryptography from an art to a science.）。本文发表后促使他被聘为美国政府密码事务顾问。这一工作的背景是 1941 年他在贝尔曾从事密码学研究工作，接触到SIGSALY 电话机，是一种马桶大小的语言置乱设备，供丘吉尔和罗斯福进行热线联系。这一电话保密机所用的密码就是在今天也破译不了1，p.xx。 1949 年 Shannon 发表了“Programming a computer for playing chess,”1，54这是人工智能的一个先驱工作。1965 年他曾应邀赴莫斯科参加一个工程会议，并顺便会见了多次获国际象棋世

16、界冠军、电器工程师 Mikhail Botvinnik，他们一起对弈和讨论了计算机编程下棋。1980 年 Shannon 还作为特邀贵宾参加了在奥地利 Linzjuxingde 的国际计算机象棋冠军赛，贝尔实验室的“Belle”获得了冠军，已接近象棋大师水平。1997 年 IBM 造出了“深蓝”计算机，装入了 chatterbot ALICE 计算机程序，并战胜了俄国国际象棋大师和世界冠 Garry Kasparov。这是人类第一次用自己制造的机器在智能上（更确切地说是在下国际象棋的能力上）战胜了自己。 1950 年 Shannon 构建了老鼠走迷宫机器 Theseus，1951 年他发表的Presentation of a maze solving machine1，70，是一篇计算机学习的先驱著作。这是人工智能的又一个先驱工作。（Claude Shannon 的聪明电子机器鼠，