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सूचना सिद्धांत

सूचना वह चीज़ है जो अनिश्चितता को घटाती है। हम इसे बिट में मापते हैं: एक बिट एक सही हाँ/ना सवाल का जवाब है। अगर N नतीजे बराबर संभावना वाले हों तो सूचना I = log2 N बिट (हार्टले)। अगर संभावनाएँ अलग हों तो औसत सूचना H = −Σ p log2 p बिट (शैनन)। सूचना बनती है, संचित होती है, संसाधित होती है और चैनल से भेजी जाती है, जिसमें शोर आ सकता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक गेंद 8 डिब्बों में से किसी एक में छिपी है। यानी 8 संभावित जगहें। 'सुराग दो' दबाइए। हर हाँ/ना सुराग संदेह को आधा कर देता है। तीन सुरागों में गेंद मिल जाती है: 3 बिट।
  2. सूचना चिकनी तरंग भी हो सकती है और सीढ़ियाँ भी। कंप्यूटर सीढ़ियाँ (असतत) इस्तेमाल करता है। स्तर चुनिए और देखिए सीढ़ियाँ तरंग की कितनी नक़ल करती हैं।
  3. सूचना स्रोत पर बनती है, संचित और संसाधित होती है, और चैनल से प्राप्तकर्ता तक जाती है। रास्ते में शोर (लाल पैकेट) उसे बिगाड़ सकता है। शोर वाला स्लाइडर चलाइए।
  4. हार्टले: N बराबर संभावना वाले विकल्पों में चुनने के लिए log2 N हाँ/ना सवाल चाहिए। N चुनिए और पीले बिट-बल्ब देखिए। 8 विकल्प के लिए 3 बिट, 16 के लिए 4।
  5. शैनन: कुछ संकेत आम हैं और कुछ दुर्लभ। दुर्लभ संकेत ज़्यादा सूचना देते हैं। इन चार संकेतों का औसत H 1.75 बिट है, और बराबर होने पर 2 बिट।
  6. खुला खेल: सिक्के के चित आने की संभावना बदलिए। सही सिक्का सबसे ज़्यादा सूचना देता है, 1 बिट। जो सिक्का लगभग हमेशा एक ही तरफ़ गिरे वह लगभग कुछ नहीं बताता।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

बिट हाँ/ना का जवाब क्यों है?

हाँ/ना सवाल के दो जवाब होते हैं, इसलिए वह विकल्पों को आधा कर सकता है। 3D में हर सुराग डिब्बों को आधा करता है।

कंप्यूटर चिकनी तरंग की जगह सीढ़ियाँ क्यों इस्तेमाल करते हैं?

सीढ़ियों को पूर्ण संख्याओं (बिट) में लिखा, ठीक-ठीक नक़ल किया और शोर के बाद सुधारा जा सकता है। स्तर बढ़ाकर देखिए, सीढ़ियाँ तरंग के और पास आ जाती हैं।

क्या शोर सूचना को नष्ट कर देता है?

वह बिट पलट सकता है, जो लाल पैकेट दिखाते हैं। प्रणालियाँ जाँच-बिट या दोहराव से गलती पहचानकर सुधारती हैं।

लघुगणक का आधार 2 ही क्यों?

क्योंकि हर सवाल के दो जवाब होते हैं। हर अतिरिक्त बिट विकल्पों को दोगुना कर देता है, इसलिए N = 2^बिट, और बिट = log₂ N।

दुर्लभ संकेत ज़्यादा सूचना क्यों देते हैं?

दुर्लभ संकेत ज़्यादा चौंकाता है और ज़्यादा संभावनाएँ हटाता है। स्तंभों में p = 1/8 पर 3 बिट हैं, जबकि p = 1/2 पर सिर्फ़ 1।

सही सिक्के का अनुमान सबसे कठिन क्यों है?

किसी भी तरफ़ का पलड़ा भारी नहीं। स्लाइडर चलाइए: वक्र p = 0.5 पर सबसे ऊँचा है और किनारों पर 0 तक गिरता है।

सूचना क्या है? आँकड़े, असतत संकेत और बिट

आँकड़े (डेटा) वे चिह्न हैं जिन्हें हम लिख सकते हैं: अक्षर, अंक, पिक्सल, ध्वनि। जब वे कुछ नया बताकर हमारा संदेह घटाते हैं तब वे सूचना बन जाते हैं।

बिट सूचना का सबसे छोटा टुकड़ा है: एक सही हाँ/ना सवाल का जवाब, जिसे 0 या 1 लिखते हैं। बाइट में 8 बिट होते हैं।

असतत और सतत

सतत संकेत, जैसे ध्वनि-तरंग, कोई भी मान ले सकता है। असतत संकेत अलग-अलग मान लेता है, जैसे सीढ़ियाँ। तरंग को कंप्यूटर में रखने के लिए हम उसे समय-समय पर मापते हैं (नमूना लेना) और हर मान को कुछ स्तरों में से एक में गोल करते हैं। 2 स्तर हों तो हर नमूने को 1 बिट; 16 स्तर हों तो 4 बिट।

सूचना प्रक्रियाएँ: भंडारण, प्रसंस्करण, स्थानांतरण

सूचना कई तरह के चरणों से गुज़रती है।

असली चैनलों में शोर होता है जो बिट पलट सकता है। इसलिए प्रणालियाँ जाँच-बिट जोड़ती हैं या संदेश दोहराती हैं ताकि प्राप्तकर्ता गलती पहचानकर सुधार सके। चैनल की गति की भी सीमा होती है, जिसे बैंडविड्थ या बिट दर (बिट प्रति सेकंड) कहते हैं।

सूचना की माप: हार्टले का सूत्र

मान लीजिए N बराबर संभावना वाले नतीजे हैं। हर हाँ/ना सवाल विकल्पों को आधा कर सकता है। इसलिए ज़रूरी सवालों की संख्या वह घात है जिसमें 2 की घात N के बराबर हो:

I = log₂ N बिट (हार्टले का सूत्र)

8 विकल्प: log₂ 8 = 3 बिट। 64 विकल्प: 6 बिट। अगर N, 2 की घात नहीं है तो उत्तर भिन्न आता है, जैसे पासे के लिए log₂ 6 ≈ 2.58 बिट, और पूरे हाँ/ना सवालों के लिए ऊपर गोल करते हैं।

k संकेतों का संदेश, N संकेतों की वर्णमाला से: कुल सूचना = k × log₂ N बिट।

शैनन की एन्ट्रॉपी: असमान संभावनाएँ

अगर नतीजे बराबर संभावना वाले नहीं हैं तो दुर्लभ नतीजा हमें ज़्यादा चौंकाता है। संभावना p वाले एक नतीजे की सूचना −log₂ p बिट है (p = 1/2 पर 1 बिट, p = 1/8 पर 3 बिट)। प्रति संकेत औसत सूचना, जिसे एन्ट्रॉपी कहते हैं:

H = −Σ p·log₂ p (शैनन का सूत्र)

संभावनाएँ 1/2, 1/4, 1/8, 1/8: H = 0.5·1 + 0.25·2 + 0.125·3 + 0.125·3 = 1.75 बिट। चार बराबर नतीजों पर H = 2 बिट, जो हार्टले के मान के बराबर है। बराबर संभावनाओं पर H सबसे ज़्यादा होता है। पक्का नतीजा (p = 1) हो तो H = 0।

यह क्यों ज़रूरी है: अगर H छोटा है तो संदेश को लगभग H बिट प्रति संकेत तक संपीड़ित किया जा सकता है।

करके देखिए: बीस सवाल

दोस्त से 1 से 64 के बीच कोई संख्या सोचने को कहिए। सिर्फ़ हाँ/ना सवालों से उसे ढूँढिए। क्या 6 सवालों में हो जाता है? (संकेत: हमेशा पूछिए 'क्या यह ऊपर के आधे में है?')। अब 1 से 100 की संख्याओं से कीजिए। ज़्यादा से ज़्यादा कितने सवाल चाहिए?

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. गेंद 64 डिब्बों में से एक में है। उसे ढूँढने के लिए कितने बिट सूचना चाहिए?

I = log₂ 64 = 6 बिट (6 हाँ/ना सवाल)।

2. संदेश में 32 अक्षरों की वर्णमाला से 20 अक्षर हैं। संदेश कितने बिट का है?

हर अक्षर log₂ 32 = 5 बिट देता है। कुल = 20 × 5 = 100 बिट।

3. 8-स्तर वाले ग्रे पिक्सल में कितने बिट होते हैं, और ऐसे पिक्सलों की 10 × 10 तस्वीर में?

एक पिक्सल: log₂ 8 = 3 बिट। तस्वीर: 100 × 3 = 300 बिट।

4. संभावनाएँ 1/2, 1/4, 1/8, 1/8 वाले स्रोत की एन्ट्रॉपी निकालिए।

H = ½·1 + ¼·2 + ⅛·3 + ⅛·3 = 0.5 + 0.5 + 0.375 + 0.375 = 1.75 बिट।

5. संभावना 1/16 वाली घटना की सूचना निकालिए।

i = −log₂(1/16) = log₂ 16 = 4 बिट।

6. 2 Mbit/s के चैनल पर 10 MB की फ़ाइल भेजने में कितना समय लगेगा? (1 MB = 8 Mbit)

10 MB = 80 Mbit। समय = 80 ÷ 2 = 40 s।

7. सही पासे के एक फेंकने से कितनी सूचना मिलती है?

log₂ 6 ≈ 2.58 बिट।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. बिट क्या है?
2. 16 बराबर संभावना वाली चीज़ों में से एक चुनने के लिए कितने बिट चाहिए?
3. कौन-सा संकेत असतत है?
4. चैनल का शोर क्या कर सकता है?
5. सही सिक्के की उछाल की एन्ट्रॉपी कितनी है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

सूचना सिद्धांत सरल शब्दों में क्या है?

यह सूचना को मापने, संचित करने, संसाधित करने और भेजने का अध्ययन है। यह बताता है कि संदेश को कितने बिट चाहिए और चैनल कितना ढो सकता है।

हार्टले का सूत्र क्या है?

I = log₂ N: N बराबर संभावना वाले विकल्पों में से एक चुनने के लिए ज़रूरी बिट।

शैनन एन्ट्रॉपी क्या है?

असमान संभावनाओं वाले स्रोत की प्रति संकेत औसत सूचना: H = −Σ p log₂ p।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

रूस7 классTheoretical foundations
रूस10 классTheoretical foundations
रूस11 классTheoretical foundations

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