Книга Кому нужна математика? Понятная книга о том, как устроен цифровой мир - Андрей Райгородский

Хэмминг заметил, что в коде, исправляющем ошибки, количество возможных кодовых слов неизбежно должно быть ограничено. Например, мы хотим построить код из слов длины 10, который исправляет две ошибки. Сколько разных кодовых слов мы можем использовать? Допустим, мы выбрали кодовое слово 0000011111, чтобы закодировать букву «а». Теперь все последовательности на расстоянии Хэмминга один или два от 0000011111, то есть в шаре радиуса 2 с центром 0000011111, нельзя использовать для кодирования никакой другой информации. Они нам нужны для исправления ошибок при передаче буквы «а». Такой шар содержит 56 последовательностей. Получается, что на каждое кодовое слово, которое что-то означает, приходится 56 слов на исправление ошибок. Поэтому мы можем закодировать не 1024, а всего лишь 1024/56, то есть 18 разных символов или сообщений. Если этого мало – например, мы хотим закодировать русский алфавит, – то длину кодовых слов придется увеличить. Это увеличит и количество килобайтов, но такова цена за исправление ошибок.

Рассуждая примерно так, как мы описывали в предыдущем параграфе, Хэмминг получил максимальное число слов любой длины с исправлением любого заданного количества ошибок. Эта формула называется границей Хэмминга[6].

Заметим, что граница Хэмминга – это максимально возможное число слов в коде, исправляющем ошибки. Но это еще не означает, что такой максимальный код можно найти. Представьте, что мы имеем дело с обычными шарами. Нельзя уложить круглые апельсины в ведро или коробку так, чтобы между соседними апельсинами не было пустот! Где же гарантия, что все последовательности из нулей и единиц можно разбить на шары Хэмминга так, чтобы они не пересекались и между ними не было свободного места? Оказывается, такое разбиение во многих случаях возможно. Мы не станем здесь описывать конструкцию, ее можно найти в специальной литературе (см.{6}).

Впрочем, сделано в этом направлении далеко не все. Конструкции есть, но только асимптотические, то есть такие, в которых длина кодового слова очень большая и увеличивается до бесконечности, а количество ошибок при этом маленькое и фиксированное. Однако во многих практических задачах чем длиннее кодовое слово, тем больше ошибок. В такой ситуации проблема отыскания правильных верхних границ и построения максимальных кодов по-прежнему открыта! Более того, в этой ситуации известно, что граница Хэмминга, как правило, не точна, и есть еще масса более аккуратных оценок, среди которых и оценка Владимира Иосифовича Левенштейна, замечательного российского математика, и границы линейного программирования. Эти конструкции очень сложны и выходят далеко за рамки нашей книги.

Особый интерес вызывают так называемые равновесные коды. В них все кодовые слова содержат одинаковое количество единиц. Для таких кодов можно найти границу, аналогичную границе Хэмминга. И снова возникает вопрос о существовании равновесного кода, достигающего полученной границы. В начале 80-х годов XX века Войцех Рёдль придумал очень хитрую вероятностную технику, позволившую доказать наличие равновесных кодов, в которых число кодовых слов асимптотически равно верхней границе{7}.

Буквально пару лет назад Питер Киваш из Оксфордского университета объявил о построении равновесных кодов, в которых количество слов достигает теоретической верхней границы. Это очень объемная и трудная математическая работа; она до сих пор тщательно проверяется и потому опубликована только в интернете{8}.

Что же касается случаев, когда число ошибок и число единиц в равновесном коде пропорциональны длине кодового слова, то здесь пока все безнадежно. А именно эти случаи особенно важны! Вот такая она, математика. На первый взгляд кажется, что все давно известно. А на самом деле вопросов, на которые по-прежнему нет ответов, несмотря на всю естественность их возникновения и важность для практики, гораздо больше, чем тех, ответы на которые уже получены.

Можем ли мы закодировать все подряд

Все описанное в этой главе в основном применимо к кодированию текстов. Другим видам информации присущи свои особенности.

Как, например, закодировать цвет? Наверное, вы не раз отправляли, получали или по крайней мере видели в интернете цветные фотографии. Значит, закодировать цвет можно, и люди уже этому научились. На самом деле это вовсе не тривиальная задача, и решить ее удалось только потому, что, оказывается, любой цвет можно разбить на три компонента: красный, зеленый и синий. Иными словами, любой оттенок определяется лишь интенсивностью этих трех основных цветов. Так устроен наш цветной мир, такой вот подарок для кодирования. Если бы природа цвета была иной, то никаких цветных фотографий мы не могли бы пересылать.

Если вам когда-нибудь приходилось использовать нестандартные цвета в обычных программах типа Word или PowerPoint, вы, возможно, заметили опцию, где интенсивность красного, зеленого и синего можно задать вручную. Обычно интенсивность определяется числом от 0 до 255. Всего 256 вариантов – ровно по количеству разных последовательностей нулей и единиц длины 8, то есть один байт. В результате нам нужно всего три байта, чтобы закодировать 256 × 256 × 256 = 16777216 – более шестнадцати с половиной миллионов оттенков компьютерной палитры.

Если обозначать интенсивность цветов цифрами в стандартном порядке красный-зеленый-синий, то 0–0–0 – это черный цвет, а 255–255–255 – белый. Если интенсивность красного, зеленого и синего одинаковая, то между черным и белым получится целых 254 оттенка серого. А желтый можно получить, если использовать красный и зеленый с одинаковой интенсивностью. В табл. 3.1 приводится пример красно-зелено-синего кода для цветов радуги.

Таблица 3.1. Пример цветового кода для цветов радуги. Интенсивность основных цветов (красного, зеленого и синего) определяется числом от 0 до 255

Дополнительные серьезные проблемы возникают при необходимости передать фильм. Если кодировать каждую точку каждого кадра, понадобится такое количество гигабайтов, что они не уместятся в памяти ни одного компьютера. Поэтому цифровое видео появилось относительно недавно.

Здесь требовалось решить задачу иного рода – задачу сжатия данных: как сделать код как можно короче и при этом не потерять информацию. Такие задачи часто возникают, когда нужно сохранить и использовать большое количество информации. Именно эту задачу решают программы для архивирования типа Zip.