Claude Shannon – Biografia, Historia i Wynalazki

Claude Shannon to słynny amerykański matematyk, inżynier elektronik i genetyk, czasami tytułowany ojcem teorii informacji.

Claude Elwood Shannon (1916-2001) był wybitnym studentem i po otrzymaniu w 1936 roku dwóch tytułów licencjata (jednego z inżynierii elektrycznej i jednego z matematyki) na Uniwersytecie Michigan, rozpoczął studia magisterskie w Massachusetts Institute of Technology (MIT), gdzie uzyskał tytuł magistra inżynierii elektrycznej i doktorat z matematyki w 1940 roku. Będąc w MIT, pracował nad analizatorem różniczkowym Vannevara Busha (mechaniczny komputer analogowy, przeznaczony do rozwiązywania równań różniczkowych przez całkowanie).

Podczas studiowania skomplikowanych obwodów analizatora różniczkowego Shannon dostrzegł, że koncepcje Boole’a mogą być tam wykorzystane do wielkiej użyteczności. W numerze 1938 Transactions of the American Institute of Electrical Engineers opublikował pracę, zaczerpniętą z jego pracy magisterskiej z 1937 roku – Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Praca ta przyniosła Shannonowi nagrodę Alfreda Noble’a Amerykańskiego Instytutu Inżynierów w 1940 roku. Niektórzy nazwali pracę Shannona prawdopodobnie najważniejszą, a także najsłynniejszą pracą magisterską stulecia

W swojej pracy Shannon udowodnił, że algebra Boole’a i arytmetyka binarna mogą być użyte do uproszczenia układu przekaźników elektromechanicznych używanych wówczas w przełącznikach telefonicznych, a następnie odwrócił tę koncepcję do góry nogami i udowodnił, że powinno być możliwe wykorzystanie układów przekaźników do rozwiązywania problemów algebry Boole’a. Wykorzystanie tej właściwości przełączników elektrycznych do tworzenia układów logicznych jest podstawową koncepcją, na której opierają się wszystkie elektroniczne komputery cyfrowe. Praca Shannona stała się podstawą praktycznego projektowania układów cyfrowych, gdy stała się szeroko znana w środowisku inżynierów elektrycznych w czasie i po II wojnie światowej. Teoretyczny rygor pracy Shannona całkowicie zastąpił metody ad hoc, które wcześniej dominowały.

W 1940 roku Shannon został National Research Fellow w Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey. W Princeton, Shannon miał możliwość przedyskutowania swoich pomysłów z wpływowymi naukowcami i matematykami, takimi jak Hermann Weyl i John von Neumann. Shannon pracował swobodnie w różnych dyscyplinach i zaczął kształtować idee, które stały się teorią informacji.

Podczas II wojny światowej Shannon pracował nad systemami kontroli ognia i kryptografią w Bell Labs. W 1943 r. nawiązał kontakt ze słynnym brytyjskim matematykiem i kryptoanalitykiem Alanem Turingiem, który przebywał wówczas w Waszyngtonie, aby podzielić się ze służbami kryptoanalitycznymi Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych metodami stosowanymi przez brytyjską rządową szkołę szyfrów i kodów do łamania niemieckich szyfrów. Turing pokazał Shannonowi jego przełomową pracę z 1936 r. On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem, która definiowała to, co jest obecnie znane jako uniwersalna maszyna Turinga, co zrobiło na nim wrażenie, ponieważ wiele z jej pomysłów było komplementarnych do jego własnych.

W 1948 r. Shannon opublikował kolejną przełomową pracę-A Mathematical Theory of Communication. W tej pracy zdefiniował temat teorii informacji i zaproponował liniowy schematyczny model systemu komunikacyjnego, co było nowym pomysłem. Komunikacja była wówczas postrzegana jako wymagająca przesyłania fal elektromagnetycznych przewodem. Pomysł, że można przesyłać obrazy, słowa, dźwięki itp., wysyłając strumień 1 i 0 przewodem. Wprowadzając po raz pierwszy słowo bit, Shannon pokazał, że dodanie dodatkowych bitów do sygnału pozwala na korekcję błędów transmisji. Był osobą, która dostrzegła, że cyfra binarna jest podstawowym elementem w całej komunikacji. To było naprawdę jego odkrycie, i od niego cała rewolucja komunikacyjna powstała.

Pomysły w pracy Shannona zostały wkrótce podchwycone przez inżynierów komunikacji i matematyków na całym świecie. Zostały one opracowane, rozszerzone i uzupełnione o nowe powiązane pomysły. Temat kwitł i rozrastał się, by stać się dobrze zaokrąglonym i ekscytującym rozdziałem w annałach nauki.

Późniejsze prace Shannona dotyczyły pomysłów w sztucznej inteligencji. W 1950 roku opublikował przełomową pracę na temat szachów komputerowych, zatytułowaną Programming a Computer for Playing Chess (Programowanie komputera do gry w szachy), która doprowadziła do pierwszej pełnej partii rozegranej przez komputer MANIAC w Los Alamos w 1956 roku. W tym samym 1950 roku stworzył elektroniczną mysz Tezeusz (patrz zdjęcie obok), która mogła rozwiązywać problemy labiryntów. Była to mysz magnetyczna sterowana przez obwód przekaźnikowy, który umożliwiał jej poruszanie się po labiryncie składającym się z 25 kwadratów. Konfiguracja labiryntu była elastyczna i mogła być dowolnie modyfikowana. Mysz została zaprojektowana tak, aby przeszukiwała korytarze, aż znajdzie cel. Po przebyciu labiryntu, mysz była umieszczana w dowolnym miejscu, w którym była wcześniej, a dzięki wcześniejszemu doświadczeniu mogła trafić bezpośrednio do celu. Jeśli umieszczono ją na nieznanym terytorium, programowano ją, by szukała tak długo, aż dotrze do znanej lokalizacji, a następnie udawała się do celu, dodając nową wiedzę do swojej pamięci, a więc ucząc się. Wydaje się, że mysz Shannona była pierwszym tego rodzaju urządzeniem uczącym się.

Shannon zastosował swój geniusz wynalazczy również w innych dziedzinach, np. wymyślając dwumiejscową wersję swojego ukochanego unicykla, i prawdopodobnie prawdą jest, że nikt nie chciał się z nim podzielić. Późniejszy wynalazek, unicycle z niecentryczną piastą, wyciągał ludzi na korytarze, by obserwowali go, jak na nim jeździł, kiwając się w górę i w dół jak kaczka.

.