Claude Shannon

Claude Elwood Shannon (30 de abril de 1916 - 24 de fevereiro de 2001) foi um matemático, engenheiro elétrico, cientista da computação e criptógrafo americano conhecido como o "pai da teoria da informação".

Como estudante de mestrado de 21 anos no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), ele escreveu sua tese demonstrando que as aplicações elétricas da álgebra booleana poderiam construir qualquer relação numérica lógica. Shannon contribuiu para o campo da criptoanálise para defesa nacional dos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial, incluindo seu trabalho fundamental em quebra de códigos e telecomunicações seguras.

Biografia

Infância

A família Shannon morava em Gaylord, Michigan, e Claude nasceu em um hospital nas proximidades de Petoskey. Seu pai, Claude Sr. (1862–1934), foi empresário e, por um tempo, juiz de sucessões em Gaylord. Sua mãe, Mabel Wolf Shannon (1890–1945), era professora de idiomas, que também atuou como diretora da Gaylord High School. Claude Sr. era descendente de colonos de Nova Jersey, enquanto Mabel era filha de imigrantes alemães.

A maior parte dos primeiros 16 anos da vida de Shannon foram passados em Gaylord, onde ele frequentou a escola pública, graduando-se na Gaylord High School em 1932. Shannon mostrou uma inclinação para coisas mecânicas e elétricas. Suas melhores disciplinas eram ciências e matemática. Em casa, ele construiu dispositivos como modelos de aviões, um modelo de barco controlado por rádio e um sistema de telégrafo de arame farpado para a casa de um amigo a meia milha de distância. Enquanto crescia, ele também trabalhou como mensageiro para a empresa Western Union.

O herói de infância de Shannon foi Thomas Edison, que ele descobriu mais tarde ser um primo distante. Tanto Shannon quanto Edison eram descendentes de John Ogden (1609–1682), um líder colonial e ancestral de muitas pessoas ilustres.

Circuitos lógicos

Em 1932, Shannon ingressou na Universidade de Michigan, onde conheceu o trabalho de George Boole. Ele se formou em 1936 com dois diplomas de bacharel: um em engenharia elétrica e outro em matemática.

Em 1936, Shannon iniciou seus estudos de pós-graduação em engenharia elétrica no MIT, onde trabalhou no analisador diferencial de Vannevar Bush, um dos primeiros computadores analógicos. Enquanto estudava os complicados circuitos ad hoc deste analisador, Shannon projetou circuitos de comutação baseados nos conceitos de Boole. Em 1937, ele escreveu sua tese de mestrado, A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Um artigo desta tese foi publicado em 1938. Neste trabalho, Shannon provou que seus circuitos de comutação poderiam ser usados para simplificar o arranjo dos relés eletromecânicos que eram usados naquela época em comutadores de roteamento de chamadas telefônicas. Em seguida, ele expandiu esse conceito, provando que esses circuitos poderiam resolver todos os problemas que a álgebra booleana poderia resolver. No último capítulo, ele apresentou diagramas de vários circuitos, incluindo um somador completo de 4 bits.

O uso dessa propriedade dos interruptores elétricos para implementar a lógica é o conceito fundamental subjacente a todos os computadores digitais eletrônicos. O trabalho de Shannon tornou-se a base do projeto de circuitos digitais, uma vez que se tornou amplamente conhecido na comunidade de engenharia elétrica durante e após a Segunda Guerra Mundial. O rigor teórico do trabalho de Shannon substituiu os métodos ad hoc que prevaleciam anteriormente. Howard Gardner chamou a tese de Shannon de "possivelmente a mais importante e também a mais notável tese de mestrado do século".

Shannon recebeu seu PhD em matemática pelo MIT em 1940. Vannevar Bush sugeriu que Shannon deveria trabalhar em sua dissertação no Cold Spring Harbor Laboratory, a fim de desenvolver uma formulação matemática para a genética mendeliana. Essa pesquisa resultou na tese de doutorado de Shannon, chamada An Algebra for Theoretical Genetics.

Em 1940, Shannon tornou-se um National Research Fellow no Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. Em Princeton, Shannon teve a oportunidade de discutir suas ideias com cientistas e matemáticos influentes, como Hermann Weyl e John von Neumann, e também teve encontros ocasionais com Albert Einstein e Kurt Gödel. Shannon trabalhou livremente em todas as disciplinas, e essa habilidade pode ter contribuído para seu desenvolvimento posterior da teoria da informação matemática.

Pesquisa em tempo de guerra

Shannon juntou-se à Bell Labs para trabalhar em sistemas de controle de fogo e criptografia durante a Segunda Guerra Mundial, sob um contrato com a seção D-2 (seção de sistemas de controle) do National Defense Research Committee (NDRC).

Shannon é creditado com a invenção dos gráficos de fluxo de sinal, em 1942. Ele descobriu a fórmula de ganho topológico enquanto investigava a operação funcional de um computador analógico.

Durante dois meses no início de 1943, Shannon entrou em contato com o importante matemático britânico Alan Turing. Turing foi enviado para Washington para compartilhar com o serviço criptanalítico da Marinha dos Estados Unidos os métodos usados pelo Código do Governo Britânico e Escola de Cifras em Bletchley Park para quebrar as cifras usadas pelos U-boats Kriegsmarine no norte do Oceano Atlântico. Ele também estava interessado na codificação da fala e, para esse fim, passou um tempo no Bell Labs. Shannon e Turing se encontraram na hora do chá no refeitório. Turing mostrou a Shannon seu artigo de 1936 que definiu o que hoje é conhecido como a "máquina de Turing universal". Isso impressionou Shannon, pois muitas de suas ideias complementavam as dele.

Em 1945, quando a guerra estava chegando ao fim, o NDRC estava emitindo um resumo de relatórios técnicos como último passo antes de seu eventual fechamento. Dentro do volume sobre controle de tiro, um ensaio especial intitulado Data Smoothing and Prediction in Fire-Control Systems, escrito em coautoria por Shannon, Ralph Beebe Blackman e Hendrik Wade Bode, tratou formalmente o problema de suavizar os dados em controle de fogo por analogia com "o problema de separar um sinal de interferência de ruído em sistemas de comunicação." Em outras palavras, ele modelou o problema em termos de processamento de dados e sinais e, assim, anunciou a chegada da Era da Informação.

O trabalho de Shannon sobre criptografia foi ainda mais relacionado com suas publicações posteriores sobre teoria da comunicação. No final da guerra, ele preparou um memorando classificado para Bell Telephone Labs intitulado "A Mathematical Theory of Cryptography", datado de setembro de 1945. Uma versão desclassificada deste artigo foi publicada em 1949 como "Communication Teoria dos sistemas de sigilo" no Diário Técnico do Sistema Bell. Este artigo incorporou muitos dos conceitos e formulações matemáticas que também apareceram em seu A Mathematical Theory of Communication. Shannon disse que seus insights de guerra sobre a teoria da comunicação e a criptografia se desenvolveram simultaneamente e que "eles estavam tão próximos que você não poderia separá-los". Em uma nota de rodapé próxima ao início do relatório confidencial, Shannon anunciou sua intenção de "desenvolver esses resultados... em um próximo memorando sobre a transmissão de informações".

Enquanto ele estava no Bell Labs, Shannon provou que o código único criptográfico é inquebrável em sua pesquisa classificada que foi publicada posteriormente em 1949. O mesmo artigo também provou que qualquer sistema inquebrável deve ter essencialmente as mesmas características do sistema único. time pad: a chave deve ser verdadeiramente aleatória, tão grande quanto o texto simples, nunca reutilizada no todo ou em parte e mantida em segredo.

Teoria da informação

Em 1948, o memorando prometido apareceu como "A Mathematical Theory of Communication", um artigo em duas partes nas edições de julho e outubro do Bell System Technical Journal. Este trabalho enfoca o problema de qual a melhor forma de codificar a mensagem que um remetente deseja transmitir. Shannon desenvolveu a entropia da informação como uma medida do conteúdo da informação em uma mensagem, que é uma medida da incerteza reduzida pela mensagem. Ao fazer isso, ele essencialmente inventou o campo da teoria da informação.

O livro The Mathematical Theory of Communication reimprime o artigo de Shannon de 1948 e a popularização de Warren Weaver, que é acessível ao não especialista. Weaver apontou que a palavra "informação" na teoria da comunicação não está relacionado com o que você diz, mas com o que você poderia dizer. Ou seja, a informação é uma medida da liberdade de escolha de uma pessoa ao selecionar uma mensagem. Os conceitos de Shannon também foram popularizados, sujeitos a sua própria revisão, em Symbols, Signals, and Noise de John Robinson Pierce.

A contribuição fundamental da teoria da informação para o processamento de linguagem natural e linguística computacional foi estabelecida em 1951, em seu artigo "Previsão e Entropia do Inglês Impresso", mostrando limites superiores e inferiores de entropia no estatísticas do inglês – dando uma base estatística para a análise do idioma. Além disso, ele provou que tratar o espaço em branco como a 27ª letra do alfabeto na verdade reduz a incerteza na linguagem escrita, fornecendo uma ligação quantificável clara entre a prática cultural e a cognição probabilística.

Outro artigo notável publicado em 1949 é "Communication Theory of Secrecy Systems", uma versão desclassificada de seu trabalho de guerra sobre a teoria matemática da criptografia, na qual ele provou que todas as cifras teoricamente inquebráveis devem ter o mesmo requisitos como o bloco de uso único. Ele também é creditado com a introdução da teoria da amostragem, que se preocupa em representar um sinal de tempo contínuo de um conjunto discreto (uniforme) de amostras. Essa teoria foi essencial para permitir que as telecomunicações passassem de sistemas de transmissão analógicos para digitais na década de 1960 e posteriormente.

Ele voltou ao MIT para ocupar uma cadeira em 1956.

Ensinando no MIT

Em 1956, Shannon ingressou no corpo docente do MIT para trabalhar no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE). Ele continuou a servir no corpo docente do MIT até 1978.

Mais tarde

Shannon desenvolveu a doença de Alzheimer e passou os últimos anos de sua vida em uma casa de repouso; ele morreu em 2001, deixando sua esposa, um filho e uma filha e duas netas.

Hobbies e invenções

O Minivac 601, um instrutor de computador digital projetado por Shannon

Fora das atividades acadêmicas de Shannon, ele se interessava por malabarismo, monociclo e xadrez. Ele também inventou muitos dispositivos, incluindo um computador numeral romano chamado THROBAC e máquinas de malabarismo. Ele construiu um dispositivo que poderia resolver o quebra-cabeça do cubo de Rubik.

Shannon projetou o Minivac 601, um treinador de computador digital para ensinar empresários sobre como os computadores funcionam. Foi vendido pela Scientific Development Corp a partir de 1961.

Ele também é considerado o co-inventor do primeiro computador vestível junto com Edward O. Thorp. O dispositivo foi usado para melhorar as chances ao jogar roleta.

Vida pessoal

Shannon casou-se com Norma Levor, uma intelectual rica, judia e de esquerda em janeiro de 1940. O casamento terminou em divórcio após cerca de um ano. Levor mais tarde se casou com Ben Barzman.

Shannon conheceu sua segunda esposa, Betty Shannon (nascida Mary Elizabeth Moore), quando ela era analista numérica no Bell Labs. Eles se casaram em 1949. Betty ajudou Claude na construção de algumas de suas invenções mais famosas. Eles tiveram três filhos.

Shannon apresentou-se como apolítico e ateu.

Homenagens

Existem seis estátuas de Shannon esculpidas por Eugene Daub: uma na Universidade de Michigan; um no MIT no Laboratório de Sistemas de Informação e Decisão; um em Gaylord, Michigan; um na Universidade da Califórnia, San Diego; um no Bell Labs; e outro no AT&T Shannon Labs. A estátua em Gaylord está localizada no Claude Shannon Memorial Park. Após a separação do Bell System, a parte dos Bell Labs que permaneceu com a AT&T Corporation foi nomeada Shannon Labs em sua homenagem.

De acordo com Neil Sloane, um AT&T Fellow que co-editou a grande coleção de artigos de Shannon em 1993, a perspectiva introduzida pela teoria da comunicação de Shannon (agora chamada de teoria da informação) é a base da a revolução digital, e todo dispositivo contendo um microprocessador ou microcontrolador é um descendente conceitual da publicação de Shannon em 1948: "Ele é um dos grandes homens do século. Sem ele, nada do que conhecemos hoje existiria. Toda a revolução digital começou com ele." A unidade de criptomoeda shannon (sinônimo de gwei) leva o nome dele.

A Mind at Play, uma biografia de Shannon escrita por Jimmy Soni e Rob Goodman, foi publicada em 2017.

Em 30 de abril de 2016, Shannon foi homenageado com um Google Doodle para comemorar sua vida no que seria seu 100º aniversário.

The Bit Player, longa-metragem sobre Shannon dirigido por Mark Levinson estreou no World Science Festival em 2019. Com base em entrevistas realizadas com Shannon em sua casa na década de 1980, o filme foi lançado em Amazon Prime em agosto de 2020.

A teoria matemática da comunicação

Contribuição do Weaver

Shannon's The Mathematical Theory of Communication, começa com uma interpretação de seu próprio trabalho por Warren Weaver. Embora todo o trabalho de Shannon seja sobre a própria comunicação, Warren Weaver comunicou suas ideias de tal forma que aqueles não acostumados com teorias e matemáticas complexas pudessem compreender as leis fundamentais que ele apresentou. O acoplamento de suas habilidades e ideias comunicativas únicas gerou o modelo Shannon-Weaver, embora os fundamentos matemáticos e teóricos emanem inteiramente do trabalho de Shannon após a introdução de Weaver. Para o leigo, a introdução de Weaver comunica melhor A teoria matemática da comunicação, mas a lógica, a matemática e a precisão expressiva subsequentes de Shannon foram responsáveis por definir o problema em si.

Outros trabalhos

Shannon e seu mouse eletromecânico Estes... (nomeado após Teseu da mitologia grega) que ele tentou ter resolvido o labirinto em uma das primeiras experiências em inteligência artificial

Rato de Shannon

'Theseus', criado em 1950, era um mouse mecânico controlado por um circuito de relé eletromecânico que permitia que ele se movesse por um labirinto de 25 quadrados. A configuração do labirinto era flexível e podia ser modificada arbitrariamente, reorganizando as partições móveis. O mouse foi projetado para procurar pelos corredores até encontrar o alvo. Tendo percorrido o labirinto, o camundongo poderia então ser colocado em qualquer lugar onde estivesse antes e, por causa de sua experiência anterior, poderia ir diretamente para o alvo. Se colocado em território desconhecido, era programado para procurar até chegar a um local conhecido e então seguir para o alvo, acrescentando o novo conhecimento à sua memória e aprendendo um novo comportamento. O mouse de Shannon parece ter sido o primeiro dispositivo de aprendizado artificial desse tipo.

Estimativa de Shannon para a complexidade do xadrez

Em 1949, Shannon concluiu um artigo (publicado em março de 1950) que estima a complexidade da árvore de jogo do xadrez, que é de aproximadamente 10¹²⁰. Esse número agora é frequentemente chamado de "número de Shannon" e ainda é considerado hoje como uma estimativa precisa da complexidade do jogo. O número é frequentemente citado como uma das barreiras para resolver o jogo de xadrez usando uma análise exaustiva (ou seja, análise de força bruta).

Programa de xadrez de computador de Shannon

Em 9 de março de 1949, Shannon apresentou um artigo chamado "Programando um computador para jogar xadrez". O documento foi apresentado na convenção do National Institute for Radio Engineers em Nova York. Ele descreveu como programar um computador para jogar xadrez com base na pontuação da posição e na seleção do movimento. Ele propôs estratégias básicas para restringir o número de possibilidades a serem consideradas em um jogo de xadrez. Em março de 1950 foi publicado na Philosophical Magazine, e é considerado um dos primeiros artigos publicados sobre o tema da programação de um computador para jogar xadrez, e usar um computador para resolver o jogo.

Seu processo para fazer o computador decidir qual movimento fazer era um procedimento minimax, baseado em uma função de avaliação de uma determinada posição no xadrez. Shannon deu um exemplo aproximado de uma função de avaliação na qual o valor da posição preta foi subtraído da posição branca. Material foi contado de acordo com o valor relativo usual da peça de xadrez (1 ponto para um peão, 3 pontos para um cavalo ou bispo, 5 pontos para uma torre e 9 pontos para uma rainha). Ele considerou alguns fatores posicionais, subtraindo ½ ponto para cada peão dobrado, peão atrasado e peão isolado; A mobilidade foi incorporada adicionando 0,1 ponto para cada movimento legal disponível.

Máxima de Shannon

Shannon formulou uma versão do Kerckhoffs' princípio como "O inimigo conhece o sistema". Nesta forma, é conhecida como "máxima de Shannon".

Comemorações

Centenário de Shannon

Claude Shannon centenário

O centenário de Shannon, 2016, marcou a vida e a influência de Claude Elwood Shannon no centésimo aniversário de seu nascimento em 30 de abril de 1916. Foi inspirado em parte pelo Ano de Alan Turing. Um comitê ad hoc da IEEE Information Theory Society, incluindo Christina Fragouli, Rüdiger Urbanke, Michelle Effros, Lav Varshney e Sergio Verdú, coordenou eventos mundiais. A iniciativa foi anunciada no painel de história do 2015 IEEE Information Theory Workshop Jerusalem e no IEEE Information Theory Society Newsletter.

Uma lista detalhada de eventos confirmados estava disponível no site da IEEE Information Theory Society.

Algumas das atividades planejadas incluem:

• Bell Labs organizou a Primeira Conferência Shannon sobre o Futuro da Idade da Informação em 28 a 29 de abril de 2016, em Murray Hill, Nova Jersey, para celebrar Claude Shannon e o impacto contínuo de seu legado na sociedade. O evento inclui discursos de notas-chave de luminárias e visionários globais da era da informação que explorarão o impacto da teoria da informação sobre a sociedade e nosso futuro digital, recolhimentos informais e apresentações técnicas líderes em trabalhos relacionados subsequentes em outras áreas, como bioinformática, sistemas econômicos e redes sociais. Há também uma competição de estudantes
• Bell Labs lançou uma exposição Web em 30 de abril de 2016, narrando a contratação de Shannon em Bell Labs (sob um contrato NDRC com o governo dos EUA), seu trabalho subsequente lá de 1942 a 1957, e detalhes do Departamento de Matemática. A exposição também exibiu bios de colegas e gerentes durante seu mandato, bem como versões originais de alguns dos memorandos técnicos que posteriormente se tornaram bem conhecidos em forma publicada.
• A República da Macedônia está planejando um selo comemorativo. Um selo comemorativo da USPS está sendo proposto, com uma petição ativa.
• Um documentário sobre Claude Shannon e sobre o impacto da teoria da informação, O jogador de bits, está sendo produzido por Sergio Verdú e Mark Levinson.
• Uma celebração transatlântica do bicentenário de George Boole e do centenário de Claude Shannon que está sendo liderado pelo University College Cork e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Um primeiro evento foi um workshop em Cork, When Boole Meets Shannon, e continuará com exposições no Boston Museum of Science e no MIT Museum.
• Muitas organizações em todo o mundo estão realizando eventos de observância, incluindo o Museu de Ciência de Boston, o Museu Heinz-Nixdorf, o Instituto de Estudo Avançado, Technische Universität Berlin, Universidade do Sul da Austrália (UniSA), Unicamp (Universidade Estadual de Campinas), Universidade de Toronto, Universidade Chinesa de Hong Kong, Universidade do Cairo, Telecom ParisTech, Universidade Técnica Nacional de Atenas, Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim
• Um logotipo que aparece nesta página foi crowdsourced no Crowdspring.
• The Math Encounters presentation of May 4, 2016, at the National Museum of Mathematics in New York, titled Salvar rosto: informações truques para amor e vida, focado no trabalho de Shannon em Teoria da Informação. Uma gravação de vídeo e outro material estão disponíveis.

Lista de prêmios e homenagens

O Prêmio Claude E. Shannon foi estabelecido em sua homenagem; ele também foi seu primeiro destinatário, em 1972.

Trabalhos selecionados

• Claude E. Shannon: Uma análise simbólica dos circuitos de retransmissão e comutação, tese de mestrado, MIT, 1937.
• Claude E. Shannon: "Uma teoria matemática da comunicação", Jornal Técnico do Sistema Bell, Vol. 27, pp. 379–423, 623–656, 1948 (abstract).
• Claude E. Shannon e Warren Weaver: A Teoria Matemática da Comunicação. A Universidade de Illinois Press, Urbana, Illinois, 1949. ISBN 0-252-72548-4