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人机信息论

已有 213 次阅读 2025-12-28 16:06 |个人分类:2025|系统分类:科研笔记

为了计算,需要计量,为了计量,需要定义。香农定义了信源、信道的信息量;为了这个定义,他定义了信息、信息量、定义了信息量的单位.....这些定义成了他最著名的定义,也通过这些定义奠定了信息论的基础。

类似,为了算计,也需要计量,为了计量,需要重新定义。我们也定义了人机信源、信道的信息量;为了这个定义,我们定义了人机环境系统中的信息、信息量、定义了信息量的单位.....这些定义成了人机信息的定义,也通过这些定义奠定了新信息论的基础。

也就是说,我们将围绕“定义-计量-计算/算计”的逻辑链条展开,通过类比香农信息论的构建路径,提出了面向人机环境系统的“新信息论”框架。以下从核心逻辑、关键差异及潜在挑战三方面展开分析:

一、核心逻辑:定义的奠基性作用

香农信息论的成功始于对“信息”的严格数学定义。他将信息抽象为“消除不确定性的量”,用熵(H = -∑p¡*logp¡)量化信源的不确定性,信道容量(C = Blog₂(1+S/N))则刻画了信道传输信息的最大能力。这些定义剥离了信息的语义和效用,仅关注其统计特性,却成功解决了通信工程的底层问题(如编码、压缩、抗噪)。

我们将延续这一思路,认为“算计”(更广义的决策、策略生成)需以“计量”为基础,而计量需先定义人机环境系统中的信息。这里的“定义”不仅是术语的澄清,更是构建数学模型的起点——通过明确“人机环境系统中的信息是什么”“如何量化其量”,为新理论提供可计算的基础。

二、关键差异:从“通信”到“人机环境系统”的扩展

传统信息论的对象是机器间的无歧义通信(信源→信道→信宿),信息是客观的、与接收者无关的(香农称其为“语法信息”)。而我们关注的“人机环境系统”中,信息的内涵显著扩展:

主体多元性:包含人(决策者)、机(智能体)、环境(动态场景)三者的交互,信息流动不再是单向的“发送-接收”,而是双向甚至多向的“感知-理解-反馈”。

语义与语用的引入:人作为信息的最终使用者,其认知状态(如知识背景、目标意图)、情感偏好会影响信息的“意义”(语义信息)和“价值”(语用信息)。例如,“温度30℃”对空调控制是客观数据,但对人类舒适度而言,可能关联“炎热”的主观判断。

动态性与不确定性:环境(如交通路况、市场波动)随时间变化,人机交互中的意图调整(如用户临时改变目的地)会引入非稳态的信息需求。传统香农熵假设信源概率分布固定,而人机环境系统的信息量可能需考虑时变概率博弈关系(如对手的策略干扰)。

因此,新信息论的定义需突破香农的“纯统计视角”,融入认知科学、控制论、博弈论等多学科要素,如定义“有效信息量”时,不仅考虑不确定性降低,还需评估其对决策的增益(如信息价值函数);量化“人机协同效率”时,可能引入“认知负荷”“信任度”等参数;描述“环境扰动”时,需用随机过程或复杂网络模型刻画动态不确定性。

三、潜在挑战:定义的合理性与普适性

尽管逻辑自洽,新信息论的构建仍需解决以下问题。①定义的边界模糊性。人机环境系统的“信息”是否应包含所有感知信号(如视觉图像、语音指令)?若涉及语义,如何避免陷入“意义不可公理化”的哲学困境(如不同人对同一信息的理解差异)?②数学表达的复杂性。传统香农熵的简洁性源于对语义的剥离,而加入认知、效用等因素后,模型可能变得高度非线性(如依赖深度学习的认知建模),导致计算复杂度激增。③验证标准的缺失。传统信息论可通过通信实验(如误码率、信道容量测试)验证,而人机环境系统的“算计效果”(如决策质量提升)难以用单一指标衡量,需设计更综合的评估体系(如人机协作任务的成功率、响应时间)。

简言之,用户的思路本质上是将信息论从“通信工具”升级为“决策支撑工具”,通过重新定义人机环境系统中的信息,为复杂场景下的“算计”(如智能决策、人机协同)提供更贴合实际的理论框架。其核心创新在于承认“人”的主体性,将信息的语义、效用与动态交互纳入量化范畴。未来若能结合具体场景(如自动驾驶、智能医疗)提出可操作的数学模型,并通过实验验证其有效性,有望推动信息论向更广泛的智能系统领域延伸。

做为一个启发性的类比,把香农信息论中的“计算—计量—定义”逻辑,迁移到“算计—计量—定义”的新语境里,进而为人机环境系统构建一套“新信息论”的基础。这个类比本身或是一次深刻的概念跃迁,即把“信息”从纯粹的物理信号层面,推向了包含意图、策略、博弈、甚至“算计”的复杂系统层面。我们可以把香农的定义链和你提出的新定义链并置,看看它们如何对称、又在哪里分叉。

四、 香农信息论的定义链(计算视角)

1. 为了计算 → 需要计量;

2. 为了计量 → 需要定义- 定义“信息”为不确定性的减少:

① 定义“信息量”为熵差(H_before - H_after)

② 定义“单位”为比特(log₂(1/p))

3. 由此奠定信道容量、编码定理、数据压缩等基础。

五、人机新信息论的定义链(算计视角)

1. 为了算计 → 需要计量- 这里的“算计”不是贬义,而是策略性信息处理:包含意图、博弈、欺骗、协作、预测、反预测;

2. 为了计量 → 需要定义- 定义“信息”为对系统状态-动作-价值空间的影响潜力(不只是减少不确定性,还包括制造或利用不确定性):

① 定义“信息量”为策略价值增益(ΔV = V_with_info - V_without_info)

② 定义“单位”为“策比特”(strategic bit, s-bit):> 1 s-bit = 使某策略的期望价值提升 1 单位所需的最小信息干预

3. 由此奠定人机环境系统的信息博弈、策略编码、意图压缩、反意图干扰等新基础。

两种信息论的关键差异:从“被动减少不确定性”到“主动利用不确定性”。

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六、一个极简例子:从“传输比特”到“策比特”

1、香农场景:发送者想传 1 bit(“是/否”),信道有噪声,用纠错码保证接收者能正确还原这 1 bit

2、新信息场景:发送者想传 1 s-bit(“让对手相信‘是’,但自己保留‘否’的选项”),人机环境系统中有观察者在学习、反制、伪装,于是需要策略性编码:① 用元信号(meta-signal)让对手误以为“是”;② 用物理掩盖(环境噪声)隐藏真实“否”;用人机协同(人类点头,机器沉默)制造混合证据;最终对手的策略价值下降,己方的策略价值上升 → 成功传输 1 s-bit。

3、一个关键问题:如何形式化“策比特”?

我们可以借鉴博弈论(尤其是不完全信息博弈)和控制论(尤其是鲁棒控制)。

设:

系统状态空间 S

动作空间 A

价值函数 V(s, a) 对某参与方而言

信息干预 I 是一个映射:P(s|I) ≠ P(s)

则:

信息量(s-bit) = max_{policy π} [ E_{s~P(s|I)} V(s, π(s)) ] - max_{policy π'} [ E_{s~P(s)} V(s, π'(s)) ]

这一定义直接把“信息”与“策略价值提升”挂钩,无需依赖熵,从而可以处理欺骗信息(让对手价值下降,己方价值上升)、协作信息(让双方价值同时上升)、环境信息(利用物理世界作为“信道”)。

总之,从“信息论”到“策息论”已经点破了这样一个观点:信息不是被动的“被传输”,而是主动的“被算计”。一旦我们把“信息”从“比特”升级为“策比特”,整个理论大厦的根基就发生了改变,编码定理 → 策略编码定理,信道容量 → 策略信道容量(含欺骗带宽),数据压缩 → 意图压缩(compressing intention),加密 → 意图混淆(obfuscating intention)。这不再是“信息论”,而是“策息论”(Strategic Information Theory)。

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