Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness

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出版者:American Mathematical Society
作者:A. Shen
出品人:
页数:499
译者:
出版时间:2017-7-30
价格:0
装帧:Hardcover
isbn号码:9781470431822
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
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具体描述

书籍简介:《信息熵与计算边界:从香农到图灵的理论构建》 作者: [此处应填写作者姓名] 出版社: [此处应填写出版社名称] 出版日期: [此处应填写出版日期] --- 一、本书概述:构建信息与计算的基石 本书旨在深入剖析信息论、可计算性理论以及它们在现代计算机科学和数学哲学中扮演的核心角色。我们着重探讨从二十世纪中叶奠定基础的两位巨擘——克劳德·香农(Claude Shannon)和艾伦·图灵(Alan Turing)——所建立的理论框架。全书力求以严谨的数学视角,结合清晰的逻辑推导,勾勒出信息如何在物理世界中被量化、编码和传输,以及计算过程本身的内在限制。 本书并非对某一特定狭隘领域的机械罗列,而是一部宏观的理论史诗,它追溯了“信息”与“可计算性”如何从看似不相关的领域中交汇,并共同定义了我们理解世界和机器能力的边界。我们聚焦于信息源的特性、编码效率的极限,以及任何有限算法所能解决的问题集合的本质。 二、核心内容模块解析 本书的结构围绕三大核心支柱展开:信息量化的数学基础、信道编码的工程实践、以及计算模型与可判定性。 模块一:信息量化的数学基础——香农的信息源编码 本模块深入探讨信息论的奠基性工作,侧重于如何将不确定性转化为可测量的量化指标。 1. 概率论在信息度量中的应用: 我们从离散和连续随机变量的概率分布出发,详细阐述了自信息(Self-Information)的概念,即单个事件所携带的信息量,并探讨了其与事件发生概率的对数关系。 2. 熵的定义与性质: 重点分析香农熵(Shannon Entropy)作为信息源不确定性的量化指标。本书不仅展示了熵的公式推导,更侧重于解释其物理意义——它代表了无损压缩的理论下限。我们详细讨论了熵的可加性、最大值(均匀分布)、零值(确定性事件)等关键性质,并引入了联合熵(Joint Entropy)和条件熵(Conditional Entropy),为理解多变量系统中的信息关联性奠定基础。 3. 互信息与信息度量: 互信息(Mutual Information)作为衡量两个随机变量之间相互依赖程度的指标,被置于核心地位。我们对比了互信息与相关系数的根本区别,前者捕捉非线性依赖,后者仅关注线性关系。同时,本部分还将涉及交叉熵(Cross-Entropy)在模型评估中的应用,尽管这是更现代的实践,但其理论根源深植于香农的信息理论。 模块二:信道传输与编码的效率极限 在量化了信息之后,本模块转向信息在带有噪声的信道中如何可靠地传输。 1. 噪声信道模型: 详细描述了离散无记忆信道(DMC)的数学模型,引入转移概率矩阵的概念。这是理解错误发生的概率结构的关键。 2. 信道容量(Channel Capacity): 引入香农-哈特利定理的核心成果——信道容量。本书将此容量视为在给定信道特性下,信息可以被可靠传输的理论最大速率。我们推导了容量公式,并讨论了高斯白噪声信道(连续信道)中的容量限制,解释了带宽与信噪比(SNR)之间的权衡关系。 3. 编码与解码的理论: 虽然本书侧重于理论上限,但也会适度介绍实现这些上限的路径。我们将讨论源编码(如霍夫曼编码的原理,但不深入实现细节)如何逼近熵极限,以及信道编码(如前向纠错码的基本思想)如何利用冗余来对抗噪声,最终达到信道容量的界限。 模块三:计算的本质与界限——图灵模型的贡献 本模块将视角从信息量转向了信息处理的能力,即计算本身。 1. 图灵机模型的精确构建: 图灵机的形式化定义是理解现代计算机科学理论基石的必要步骤。我们细致描述了图灵机的状态、读写头、磁带、转移函数等组成部分,并阐述了其作为“通用计算模型”的地位——即任何可计算的过程都可以被图灵机模拟。 2. 可计算性与可判定性: 基于图灵模型,我们引入了递归函数(Recursive Functions)的概念,并论证了它们与图灵可计算性的等价性。本书的核心讨论点之一是停机问题(Halting Problem)。我们将运用对角线论证法,严格证明停机问题是不可判定的,从而确立了算法的内在局限性。 3. 丘奇-图灵论题(Church-Turing Thesis): 本部分深入探讨了这一强大的哲学性命题。我们讨论了为什么所有合理的计算模型(如λ演算、递归函数、寄存器机等)在计算能力上是等价的,并解释了该论题对科学计算和人工智能探索的深远意义。 三、本书的特色与目标读者 本书的撰写风格注重清晰的数学推导和概念的哲学反思,避免陷入繁琐的工程实现细节,而是聚焦于理论的深度和广度。它力求揭示香农的信息测度如何为图灵的计算极限提供了量化的背景和参照系——信息量是我们在计算中必须处理的“物质”,而计算的边界则定义了我们处理该物质的最终能力。 本书适合于高年级本科生、研究生、以及对理论计算机科学、信息论、数学逻辑和计算哲学有浓厚兴趣的研究人员。读者应具备扎实的微积分和离散数学基础。通过本书的学习,读者将能够掌握现代信息科学和计算理论的理论框架,理解当前领域研究的深层限制,并为探索更前沿的计算模型和信息处理范式打下坚实的基础。 ---

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《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名,像是一扇通往信息理论最深层奥秘的大门,它直接点明了两个核心概念:Kolmogorov复杂度与算法随机性。这两者是现代信息科学的基石,尤其是在理解数据本质、压缩极限以及信息度量方面,其重要性不言而喻。Kolmogorov复杂度的引入,将我们从传统意义上的信息量概念中解脱出来,引入了一种更加本质的、与计算过程相关的度量方式。它告诉我们,一个事物的复杂度,与其能够被压缩到何种程度、以及最简洁的描述它的算法有多么简短,是息息相关的。这是一种将数学的抽象性与计算的实践性完美结合的理论。而“算法随机性”则将这一概念进一步推向了新的高度,它用算法的不可预测性来定义随机,这与传统的概率论有着异曲同工之妙,却又提供了更为普适和深刻的理解框架。这本书的书名,预示着它将为读者提供一个系统、严谨的理论体系,去探索信息世界的最基本规律。

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当我看到《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名时,我立刻就被它所吸引了。Kolmogorov复杂度,这个概念在我看来,是理解信息世界的一种根本性方法。它不仅仅是关于如何压缩数据,更是关于如何揭示数据背后的结构和规律。一个对象的Kolmogorov复杂度,被定义为描述该对象的最小计算机程序长度。这意味着,一个事物越是“随机”,或者说越是缺乏内在结构,那么描述它的程序就越长,因为我们无法用简洁的指令来概括它。而“算法随机性”,则将这一思想进一步推向了极致,它用算法的不可压缩性来定义随机性,这是一种非常深刻且强大的视角。它表明,随机性并非是完全随机的,而是与我们所拥有的计算工具的局限性相关。这本书的书名,承诺了一次深入的探索,一次对信息本质的追寻,以及一次对“随机”这一古老概念的全新解读。

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仅仅是《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名,就足以勾起我对这本书内容的好奇心。Kolmogorov复杂度的概念,在我看来,是信息论领域最令人着迷的之一。它不仅仅是一种衡量字符串或数据复杂度的数学工具,更是一种关于“压缩”和“规律性”的哲学思考。一个对象的Kolmogorov复杂度,是描述该对象所需的最小信息量,或者说是描述该对象的最短计算机程序。这种将“简洁性”与“计算”联系起来的定义,是如此的优雅而强大。它意味着,如果一个对象可以被一个非常短的程序所生成,那么它就是“简单”的,反之,如果生成它的程序非常冗长,那么它就具备“复杂度”。而“算法随机性”则进一步扩展了这一概念,它用算法的视角来理解和定义随机性,而非仅仅依赖于概率。这种视角为我们理解那些看似无规律的数据,提供了一种全新的、基于计算的解释。这本书的书名,如同一个闪烁的信号,预示着一段深入探索信息本质的旅程。

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《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名,无疑是对信息论和理论计算机科学两大领域核心概念的精准概括。Kolmogorov复杂度,这个理论框架,它最核心的洞见在于,将“信息量”与“计算”的概念融为一体。简单来说,一个事物的Kolmogorov复杂度,就是生成该事物所需的最短计算机程序长度。这是一种对“本质”和“简洁”的极致追求,它揭示了任何可压缩性背后都隐藏着某种规律。如果一个字符串可以用一个非常短的程序生成,那么它就是“简单的”;如果需要一个极长的程序,那么它就具备“复杂度”。而“算法随机性”则进一步将这种思想扩展到对随机性的定义上,它认为一个序列是随机的,当且仅当它无法被任何比它本身更短的算法所生成。这种将随机性与算法的不可压缩性联系起来的视角,是如此的深刻,它为我们理解世界的无序性提供了全新的、基于计算的解释。

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初次翻开这本《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》,最直观的感受便是其深邃而又严谨的学术氛围。这本书的结构,从书名就可以窥见其对核心概念的聚焦,它不仅仅是知识的堆砌,更像是一种思维的训练,一种对“何为随机”以及“如何衡量复杂度”这一基本问题的全新解读。Kolmogorov复杂度的引入,如同一场思想的革命,它将对字符串、数据甚至过程的理解,从量化的计数提升到了质化的逻辑与压缩。每一页都仿佛是一次严谨的数学推导,每一次的定义都力求精准,每一次的定理都经过精心打磨。对于我来说,阅读这本书的过程,更像是在与一位大师进行一场关于计算本质的对话。它挑战了我固有的认知,迫使我去思考那些看似显而易见的概念背后所蕴含的深刻哲学。算法随机性,这个概念的提出,更是将理论计算机科学的疆域推向了一个全新的维度。它不仅仅是理论研究的成果,更可能预示着未来人工智能、数据压缩以及信息安全领域的发展方向。这本书并非易于速成的读物,它需要读者投入时间、耐心以及高度的专注,但正是这种挑战,使得最终的收获显得尤为珍贵。

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这本书的作者在Kolmogorov复杂度领域的造诣,通过这本《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》的书名,已经得到了充分的彰显。这个书名,精准地概括了整个学科的核心内容,Kolmogorov复杂度的理论框架,它提供了一种衡量信息内容的标准,这种标准是基于最短的计算机程序来定义的,这本身就是一个极其深刻且富有启发性的视角。它意味着,一个事物的“随机性”或者“复杂度”并非是内在固有的,而是与我们用来描述它的“语言”或“工具”紧密相关的。而“算法随机性”则进一步将这种思想深化,它从算法的角度去审视和定义随机性,从而为我们理解那些看似无序的现象提供了一种全新的、基于计算的视角。这种视角的重要性不言而喻,它不仅对理论计算机科学具有基础性的意义,更可能在密码学、数据压缩、机器学习等多个应用领域带来突破性的进展。作为一名对信息论和计算理论充满热情的学习者,这本书的书名本身就足以吸引我,它承诺的不仅仅是知识的传授,更是一种思维方式的启迪。

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这本书的名字,《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》,对于任何对信息科学、理论计算机科学和数学基础有兴趣的人来说,都是一个极具吸引力的标志。Kolmogorov复杂度的概念,对我而言,一直代表着一种衡量“真实”信息含量或“内在结构”的终极尝试。它摆脱了传统统计学中对随机性的依赖,转而用计算的语言来定义一个对象的复杂度:即描述该对象所需的最小计算机程序长度。这意味着,一个对象越是“有序”,或者说越是可以被简洁地生成,它的Kolmogorov复杂度就越低。反之,一个“随机”的对象,则需要一个冗长且无法进一步压缩的程序来描述。而“算法随机性”则是在此基础上,将这种思想应用到对序列的随机性定义上,它强调的是一个序列无法被比其本身更短的算法所生成。这本书的书名,预示着一次关于信息本质、计算极限以及随机性定义的深刻探索。

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《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名,本身就蕴含着一种深邃的学术魅力。Kolmogorov复杂度,作为信息理论的基石,它提供了一种衡量信息内容的新颖而强大的方法。它不再局限于统计学的视角,而是将“信息”与“计算”紧密地联系起来。一个字符串的复杂度,取决于描述它的最短计算机程序有多短。这是一种将“简洁性”提升到核心地位的理论,它揭示了规律性与压缩能力的内在联系。如果一个事物可以被简洁地描述,那么它就蕴含着规律;反之,如果无法被简洁描述,它就可能显得“随机”。而“算法随机性”的概念,则将这一思想进一步深化,它用算法的不可压缩性来定义随机性。这意味着,一个序列的随机性,在于无法被任何比它本身更短的算法所生成。这种将随机性与计算的局限性联系起来的视角,是如此的深刻,它为我们理解世界提供了一种全新的工具。

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《Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness》这个书名,仿佛是一份精准的导航图,直接指引着读者深入信息科学的核心领域。Kolmogorov复杂度,这个概念的提出,本身就是一场思维的革命,它将信息量的度量方式从宏观的统计转向了微观的计算。一个字符串或一个数据的复杂度,不再是简单地计算其长度或重复次数,而是要看描述它的最短程序有多短。这是一种对“本质”的追求,对“简洁”的崇尚。任何可以被简洁描述的事物,在其背后都蕴藏着某种规律性。而“算法随机性”,则在此基础上,用计算的语言来诠释“随机”的内涵。它意味着,一个序列的随机性,与其无法被任何更短的算法生成相关。这种将随机性与算法的不可压缩性联系起来的视角,为我们理解宇宙的无序性提供了全新的工具。这本书的书名,预示着它将为读者提供一个严谨的理论框架,去探索信息与计算的边界。

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这本书的名字本身就充满了吸引力, Kolmogorov Complexity and Algorithmic Randomness。仅仅是这两个词的组合,就足以让任何对理论计算机科学、信息论、甚至是数学基础本身怀有浓厚兴趣的读者眼前一亮。Kolmogorov复杂度,这个概念如同一把瑞士军刀,能够剖析数据、程序甚至算法本身的“本质”复杂度。它不仅仅是衡量一个字符串的简洁性,更是一种对内在规律性、压缩极限的深刻理解。试想一下,如果我们能为每一个概念、每一个现象找到其最简洁的描述,那将是对宇宙本身奥秘的一次又一次的揭示。而“算法随机性”则进一步拓展了这个边界,它将我们从经典的概率论中解放出来,用计算的概念来定义和理解随机性。这种视角是如此的革命性,它意味着随机性不再是某种外在的、难以捉摸的属性,而是可以被算法的不可压缩性所捕捉的。这本书的书名,就像一座知识的灯塔,指引着通往信息世界最深层结构和本质的道路,让人迫不及待地想要深入探索。我个人对这种将数学的严谨与计算的动态相结合的领域一直充满好奇,而这本书的书名则承诺了这样一个引人入胜的旅程。

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