牛芳琳 褚麗莉 于玲 王瓊

摘要：交叉學(xué)科是科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，信息論正是數(shù)學(xué)學(xué)科與通信學(xué)科交叉產(chǎn)生的一門(mén)新的學(xué)科。它的產(chǎn)生經(jīng)歷了“三階段”，在三個(gè)階段中產(chǎn)生、生存及發(fā)展創(chuàng)新，本文論述了信息論與數(shù)學(xué)、通信三門(mén)科學(xué)的關(guān)系，三者之間是相互聯(lián)系、相互推動(dòng)、相互發(fā)展的過(guò)程，這說(shuō)明了一門(mén)科學(xué)的發(fā)展，是學(xué)科之間相互聯(lián)系、相互推動(dòng)的結(jié)果，要想在自己的學(xué)科中有所創(chuàng)新，必須掌握更多的學(xué)科知識(shí)，借鑒其他學(xué)科的觀點(diǎn)發(fā)展自己，這些是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

關(guān)鍵詞：信息論；交叉學(xué)科；信源熵

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）08-0186-02

一、導(dǎo)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會(huì)經(jīng)歷了四次科學(xué)技術(shù)革命，從而推動(dòng)了人類生產(chǎn)力水平的提高。科學(xué)技術(shù)革命的發(fā)展推動(dòng)了生產(chǎn)力的提高，生產(chǎn)力的提高同時(shí)也在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密，相互促進(jìn)，相互發(fā)展。

針對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科之間看起來(lái)是相互獨(dú)立的，但學(xué)科之間的相互聯(lián)系越來(lái)越緊密，因此交叉科學(xué)的概念出現(xiàn)了。什么是交叉學(xué)科？它是所有介于兩大知識(shí)板塊之間的交叉學(xué)科的統(tǒng)稱或總稱。這種理解符合錢(qián)學(xué)森先生的觀點(diǎn)：“所謂交叉科學(xué)是指自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)相互交叉地帶生長(zhǎng)出的一系列新生學(xué)科”（1985年）。交叉學(xué)科大致產(chǎn)生于17世紀(jì)后期。1670年，法國(guó)的萊莫瑞首次提出植物化學(xué)和礦物化學(xué)的概念，而1690年，英國(guó)的經(jīng)濟(jì)學(xué)家在歷史上第一次提出用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，交叉學(xué)科大多數(shù)都是出現(xiàn)于數(shù)學(xué)向自然科學(xué)的滲透時(shí)期。到了上世紀(jì)80年代，交叉科學(xué)幾乎在所有的學(xué)科領(lǐng)域都成了趨勢(shì)，而且不斷的有新的學(xué)科出現(xiàn)。

就科學(xué)發(fā)展來(lái)看，事物之間是互相聯(lián)系的，各學(xué)科之間也在互相推動(dòng)。信息論的產(chǎn)生就是數(shù)學(xué)學(xué)科與通信學(xué)科交叉的產(chǎn)物。信息論被稱為第三代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大發(fā)現(xiàn)。它的產(chǎn)生、發(fā)展就是一個(gè)很典型的例子，它的建立應(yīng)用與發(fā)展就經(jīng)歷了現(xiàn)象論階段、實(shí)體論階段、本質(zhì)論階段，而且信息論的提出是建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的，對(duì)于通信技術(shù)發(fā)展起到了重要作用。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和需求，信息論也在不斷的完善，同時(shí)也需要數(shù)學(xué)理論的支持，完全體現(xiàn)出“三階段論”的發(fā)展過(guò)程，也體現(xiàn)出信息論就是數(shù)學(xué)學(xué)科與通信學(xué)科交叉的產(chǎn)物。因此，如果在科學(xué)方向有所創(chuàng)新，必須不斷的補(bǔ)充其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，吸取各個(gè)學(xué)科的精華，才能提高本學(xué)科的水平。

二、信息論、數(shù)學(xué)、通信三者之間相互促進(jìn)、相互發(fā)展的關(guān)系

（一）數(shù)學(xué)、信息論與通信學(xué)科的特點(diǎn)

1.信息論。我們知道，組成客觀世界的三大基本要素是物質(zhì)、能量和信息。人類社會(huì)從農(nóng)業(yè)時(shí)代經(jīng)過(guò)工業(yè)時(shí)代發(fā)展到信息時(shí)代，特別是在今天的新時(shí)代，社會(huì)的發(fā)展都離不開(kāi)物質(zhì)（材料）、能量（能源）和信息資源。人們普遍認(rèn)為，1948年美國(guó)的工程是和數(shù)學(xué)家香農(nóng)發(fā)表的《通信的數(shù)學(xué)理論》這篇文章標(biāo)志著信息論的產(chǎn)生，香農(nóng)也成為信息論的奠基人。

2.數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，幾乎是所有科學(xué)理論的基礎(chǔ)，上世紀(jì)80年代曾經(jīng)有人提出過(guò)“學(xué)好數(shù)理化，走遍全天下”的口號(hào)，數(shù)學(xué)排在第一位，可見(jiàn)其重要性。

3.通信動(dòng)手術(shù)。通信技術(shù)是上世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，主要基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)、信息論等，現(xiàn)在我們使用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)通信、衛(wèi)星通信等技術(shù)都是科學(xué)研究的熱門(mén)。

（二）在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的信息論促進(jìn)了通信技術(shù)的發(fā)展

自古以來(lái)，人類采用各種方法進(jìn)行通信，比如旗語(yǔ)、書(shū)信、電報(bào)等，這些都涉及信息傳輸?shù)亩嗌伲虼宋覀冋f(shuō)信息是一種物質(zhì)，衡量這種物質(zhì)的多少需要一個(gè)度量來(lái)描述。這個(gè)度量與長(zhǎng)度、重量、寬度等度量一樣都是衡量物質(zhì)的多少，但是長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家都很難對(duì)信息進(jìn)行量化。信息的特點(diǎn)是它的不確定度越大，里面所包含的信息就越多；反之，不確定性越小所包含的信息就越少，這就需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型確定信息的大小。香農(nóng)根據(jù)信息的特點(diǎn)將其與概率聯(lián)系起來(lái)，取概率的倒數(shù)的對(duì)數(shù)描述信息量的大小。這個(gè)數(shù)學(xué)模型的建立，將信息量的大小直接表示了出來(lái)，使信息的多少可以使用度量單位來(lái)衡量它，由此可以得出，信息論是數(shù)學(xué)與通信結(jié)合的產(chǎn)物。

信息論是在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，要想正確理解信息論及利用信息論在通信領(lǐng)域中有所拓展，數(shù)學(xué)中的概率論是其堅(jiān)實(shí)的奠基石。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果沒(méi)有學(xué)過(guò)概率論的人來(lái)看信息論方面的定理，絕對(duì)是一件很困難的事情；而對(duì)于研究通信的人來(lái)說(shuō)，要想在通信方向有大的突破，必須有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底。同時(shí)，也要等待數(shù)學(xué)的新定理出臺(tái)來(lái)解決通信中亟待解決的問(wèn)題。比如信號(hào)分離，現(xiàn)在可以利用兩個(gè)信號(hào)相互獨(dú)立的最大熵原理，對(duì)混在一起的信號(hào)進(jìn)行分離，但是兩個(gè)信號(hào)如果有一定的相關(guān)性，很難將其完整分開(kāi)，因?yàn)檫@時(shí)候的方程是一個(gè)無(wú)解方程。如果有這方面的數(shù)學(xué)理論建立起來(lái)，對(duì)通信來(lái)說(shuō)就是里程碑似的突破。所以我們說(shuō)通信技術(shù)的發(fā)展也同時(shí)推動(dòng)了數(shù)學(xué)這門(mén)學(xué)科的進(jìn)步與完善。

（三）通信技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也對(duì)信息論理論在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善

上世紀(jì)70—90年代，通信技術(shù)飛速的發(fā)展，信息論對(duì)其起到一個(gè)重要的理論支持，信息論在60—70年代不斷的在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的發(fā)展完善，到了90年代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入飛快發(fā)展的時(shí)代。信息論的特點(diǎn)是對(duì)不確定性的問(wèn)題進(jìn)行理論分析，到了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，原來(lái)的理論已經(jīng)不能直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理論分析，于是有人開(kāi)始提出網(wǎng)絡(luò)信息論的觀點(diǎn)，使其在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上得到推進(jìn)。在數(shù)學(xué)理論的支持下，網(wǎng)絡(luò)信息論的觀點(diǎn)在2000年后成為通信網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)大熱門(mén)，得到計(jì)算機(jī)、通信等專業(yè)的推崇，也為這些領(lǐng)域的發(fā)展立下了汗馬功勞。

（四）信息論對(duì)其他學(xué)科的影響

信息論不僅用于通信也同時(shí)在其他的領(lǐng)域上取得了很大進(jìn)步。在人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代的今天，信息理論在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的領(lǐng)域還會(huì)發(fā)揮出更大的作用。例如：香農(nóng)信息論基本的概念是信息熵，信息熵是不確定的度量，也是可預(yù)測(cè)的度量，熵估計(jì)是研究隨機(jī)信號(hào)或序列特性的基本技術(shù)，這時(shí)用常規(guī)的方法可能得不到唯一的結(jié)果，這就需要對(duì)信息論進(jìn)行深入探討其最大熵原理。最大熵原理的基本思想是在滿足一定的約束條件下，選擇信源熵最大的概率分布。這是一個(gè)具有廣泛應(yīng)用的基本原理。交叉熵是兩個(gè)信源熵相似性的度量，最小交叉熵原理也被認(rèn)為是最大熵的原理。熵估計(jì)、最大熵原理和最小交叉熵原理在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需求，人們不斷地將香農(nóng)信息論的基本原理應(yīng)用于通信之外的很多領(lǐng)域，并獲得了成功。香農(nóng)信息論所研究的基本問(wèn)題是信息傳輸，也可以應(yīng)用于通信之外其他領(lǐng)域的信息傳輸問(wèn)題。生物體內(nèi)信息傳輸也是當(dāng)前科技領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，香農(nóng)信息論在這個(gè)領(lǐng)域也發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)前，香農(nóng)信息論的基本原理和方法已經(jīng)滲透到通信領(lǐng)域外的很多領(lǐng)域，特別是在生物醫(yī)學(xué)、信號(hào)處理、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、氣象學(xué)、水力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面。隨著大家對(duì)這門(mén)科學(xué)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，信息論一定會(huì)被應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。

三、結(jié)論

馬克思是最早預(yù)見(jiàn)到科學(xué)的交叉滲透和統(tǒng)一的整體化趨勢(shì)，曾經(jīng)多次指出自然科學(xué)是一切知識(shí)的基礎(chǔ)，自然科學(xué)同哲學(xué)的結(jié)合使得自然科學(xué)將成為人文科學(xué)的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)指出：“自然科學(xué)往后將包括關(guān)于人的科學(xué)，正像關(guān)于人的科學(xué)將包括自然科學(xué)一樣，這將是一門(mén)科學(xué)?！保ā?844年經(jīng)濟(jì)學(xué)哲學(xué)手稿》，第81—82頁(yè)）。信息論、數(shù)學(xué)、通信這三門(mén)學(xué)科既能相互交叉、相互獨(dú)立、相互推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的發(fā)展，又都能得到升華。

通過(guò)上述對(duì)三門(mén)學(xué)科的分析，我們說(shuō)對(duì)于專業(yè)的研究不能僅僅局限于一個(gè)方向去探討，要想有所突破，可以去借鑒其他的學(xué)科知識(shí)，豐富自己，借鑒其他學(xué)科的觀點(diǎn)發(fā)展自己，這些是科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬克思.1844年經(jīng)濟(jì)學(xué)哲學(xué)手稿[M].北京：人民出版社，2002：81-82.

[2]王續(xù)琨，陳悅.交叉科學(xué)：兩大知識(shí)板塊的交融[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（2）.

[3]田寶玉.信息論基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]王續(xù)琨.社會(huì)科學(xué)交叉科學(xué)學(xué)科辭典[Z].大連海事大學(xué)出版社，1999.