1. 概率:q(x)q(x) 表示认为 xx 发生的可能性是多少;
  2. 信息:真正发生 xxlogq(x)-\log{q(x)} 表示这个结果的意外程度;
  3. 交叉熵:真实世界不断产生数据 xpx\sim p,平均的意外程度;h(p,q)=ep[logq(x)]h(p, q)=\mathbb{e}_{p}[-\log{q(x)}],表示按照模型 qq 面对真实的世界 pp,长期平均有多么意外;
  4. 熵:如果模型完美 p=qp=q,仍然存在 h(p)h(p),这是由于真实世界本身的随机性;
  5. KL 散度:DK(PQ)=H(P,Q)H(P)D_{K}(P||Q)=H(P,Q)-H(P),排除真实世界本身的不可预测性之后,由于模型错误产生的额外意外;

熵和互信息的关系·

相对熵(KL 距离)·

相对熵衡量的是同一事件空间中两个概率分布的差异,不是距离

在同一事件空间中,概率分布 P(X)P(X) 对应的每个事件如果用 Q(x)Q(x) 编码,平均每个基本事件编码长度增加了多少比特。

D(pq)D(p||q) 表示 KLKL 距离,计算公式为

D(pq)=xXP(x)log2P(x)Q(x)D(p||q) = \sum_{x\in X}P(x)\log_2{\dfrac{P(x)}{Q(x)}}

两分布相似度越高,相对熵越小。

  • 非负性(由吉布斯不等式可证)

i=1npi=i=1nqi=1\displaystyle\sum_{i=1}^{n}p_i=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}q_i=1,则 i=1npilogpii=1npilogqi-\displaystyle\sum_{i=1}^np_i\log{p_i}\leq -\displaystyle\sum_{i=1}^np_i\log{q_i},当且仅当 i,pi=qi\forall i,p_i=q_i​时取等

  • 不满足对称性(交叉熵 - 相对熵)
  • 不满足三角不等式

数据处理不等式·

如果 ZZ 的条件分布仅依赖 YY 的分布,与 XX 条件独立,随机变量 X,Y,ZX,Y,Z 构成马尔科夫链,满足 I(X;ZY)=0I(X;Z|Y)=0

记为 XYZX\rightarrow Y\rightarrow Z,则 I(X;Y)I(X;Z)I(X;Y)\geq I(X;Z)​。如果 Z=g(Y)Z=g(Y),则 I(X;Y)I(X;g(Y))I(X;Y)\geq I(X;g(Y)).

数据越传损失的越多;数据 YY 的函数不会增加关于 XX 的信息量~

如果 XYZX\rightarrow Y \rightarrow Z,则 I(X;Y)I(X;YZ)I(X;Y)\geq I(X;Y|Z)​。

通过观察 ZZXXYY 的依赖会降低~

Fano 不等式·

(+﹏+)~晕,待续……

渐进均分性·

收敛·

  • 收敛:图像逐渐趋近于某条横线

ε>0,NN+\forall \varepsilon > 0, \exist N\in N^+,当 n>Nn>N 时,满足 ana<ε|a_n-a|<\varepsilon,即 limnana=0\displaystyle\lim_{n\to \infty}{|a_n-a|}=0,记作 anaa_n\to a

  • 几乎确定收敛:图像逐渐趋近于某条横线,但是有几个点各色

ε>0,NN+\forall \varepsilon > 0, \exist N\in N^+,当 n>Nn>N 时,满足 P(ana<ε)=1P(|a_n-a|<\varepsilon)=1,即 P(limnanaε)=1P(\displaystyle\lim_{n\to \infty}{|a_n-a|}\leq \varepsilon)=1

  • 依概率收敛

δ>0,NN+\delta>0, \exist N\in N^+,当 n>Nn>N 时,满足 P(ana<ε)1δ|P(|a_n-a|<\varepsilon)-1|\leq \delta,即 limnP(anaε)=1\displaystyle\lim_{n\to \infty}P({|a_n-a|}\leq \varepsilon)=1,记作 anPaa_n\stackrel{P}\to a​.

大数定理·

  • 强大数定理μn\mu_n 一直向 μ\mu 靠近

ε>0,P(limnμnμ<ε)=1\forall \varepsilon > 0, P(\displaystyle\lim_{n\to \infty}{|\mu_n-\mu|<\varepsilon})= 1

  • 弱大数定理μn\mu_nμ\mu 靠近的可能性越来越大

ε>0,limnP(μnμ<ε)=1\forall \varepsilon > 0,\displaystyle\lim_{n\to \infty}P({|\mu_n-\mu|<\varepsilon})= 1

渐进均分定理(AEP)·

当序列足够长,其中一部分序列就会显示出某种固定的性质,即各个符号出现的频率接近于概率,而这些序列的的概率则趋近于相等,且它们的和非常接近于 11。这些序列就是 典型序列。其余不具备这种性质的序列,称之为 非典型序列,这些非典型序列的出现概率之和接近于零。序列的长度越长,典型序列的总概率就越接近于 11​,它的各个序列的出现概率越趋近于相等,这种现象称为 渐进均分性

数学定义为:若 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 满足 i.i.di.i.d

1nlog1P(X1,X2,Xn)PH(X)\frac{1}{n}\log{\dfrac{1}{P(X_1, X_2\cdots, X_n)}} \stackrel{P}\to H(X)

典型集·

X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 是概率密度函数为 p(x)p(x)i.i.di.i.d,满足

1nlogP(X1,X2,Xn)H(X)ε    2n(H(X)+ε)P(X1,X2,,Xn)2n(H(X)ε)\begin{aligned} &|-\frac{1}{n}\log{P(X_1, X_2\cdots, X_n)} - H(X)| \leq \varepsilon\\ &\iff 2^{-n(H(X)+\varepsilon)}\leq P(X_1, X_2,\cdots, X_n)\leq 2^{-n(H(X)-\varepsilon)} \end{aligned}

称该序列为典型集,记作 Aε(n)A_{\varepsilon}^{(n)}.

性质

  • x1,x2,,xnAε(n)x_1,x_2,\cdots,x_n \in A_{\varepsilon}^{(n)},则 H(X)ε1nlogP(X1,X2,Xn)H(X)+εH(X)-\varepsilon\leq-\frac{1}{n}\log{P(X_1,X_2\cdots,X_n)}\leq H(X)+\varepsilon
  • Aε(n)2n(H(X)+ε)|A_{\varepsilon}^{(n)}|\leq 2^{n(H(X)+\varepsilon)}典型集中的元素个数
  • nn\to \infty 时,P(Aε(n))>1εP(A_{\varepsilon}^{(n)})>1-\varepsilon
  • nn\to \inftyAε(n)(1ε)2n(H(X)ε)|A_{\varepsilon}^{(n)}|\geq(1-\varepsilon)2^{n(H(X)-\varepsilon)}

数据压缩·

数据压缩时把一个完整的概率空间缩小到典型集,而典型集相对整个空间来说时非常小的,且高概率出现,这就起到了压缩的作用。

典型集的个数很少

如果全空间有 nn 个元素,根据性质 2 它大概有 2nH2^{nH} 个元素。

limn2nH(X)2n=limn2n(H(X)1)=0,(H(X)1)\displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{2^{nH(X)}}{2^n}=\displaystyle\lim_{n\to \infty}2^{n(H(X)-1)}=0,(H(X)\leq1)

这说明典型集的个数相对于全空间来说时很小的,但他确实高频率出现的。

数据压缩·

  1. 将集合元素按照某种顺序排列;
  2. 指定下标可表示 Aϵ(n)A_{\epsilon}^{(n)} 中的每个序列;
  3. Aε(n)2n(H+ε)|A_{\varepsilon}^{(n)}|\leq 2^{n(H+\varepsilon)} 需要 n(H+ε)+1n(H+\varepsilon)+1 比特;
  4. 编码加 00,则编码 Aε(n)A_{\varepsilon}^{(n)} 需要 n(H+ε)+2n(H+\varepsilon)+2​比特;
  5. 同理,对于非典型集 Aε(n)A_{\varepsilon}^{(n)} 需要 nlogX+1n\log{|\mathcal{X}|}+1 比特,编码加 11 需要 nlogX+2n\log{|\mathcal{X}|}+2 比特;
  6. 获得一个 Xn\mathcal{X}^n 一个编码方案;

其中非典型集的比特数是用全空间序列计算的,因为典型集个数很少,可以用全空间元素个数代替非典型集元素个数,误差可以忽略。

编码方案·

l(xn)l(x^n) 表示相应于 xnx^n 的码字长度,若 nn 充分大,使得 P(Aε(n))1εP(A_{\varepsilon}^{(n)})\geq 1-\varepsilon,于是码字长度的期望满足

E(1nl(Xn))H(X)+εE(\dfrac{1}{n}l(X^n)) \leq H(X)+\varepsilon

因此,从平均意义上,用 nH(x)nH(x) 比特可以表示序列 XnX^n

熵率·

前文中的渐进均分性(AEP)表示平均意义下使用 nH(X)nH(X) 比特足够描述 nni.i.di.i.d​的随机变量,但是随机变量不独立,比如平稳随机过程时……

马尔科夫链·

用马尔科夫链可以减少研究随机过程问题的维度。

马尔科夫过程的每一步结果最多只与上一步有关,与其它步骤无关,数学表示为

P(X1,X2,,Xn)=P(X1)P(X2X1)P(X3X2)P(XnXn1)P(X_1, X_2,\cdots, X_n) = P(X_1)P(X_2|X_1)P(X_3|X_2)\cdots P(X_n|X_{n-1})

马尔科夫链不是一个真正与历史无关的过程,通过链式法则,历史的信息可以传递到现在。

信道容量·

香农信道容量公式

C=Blog21+SNC = B \log_2{1 + \dfrac{S}{N}}

对于典型干扰环境 SN<<1\dfrac{S}{N}<<1,则有

CB1.44SN\dfrac{C}{B} \approx 1.44 \dfrac{S}{N}

  • 在信道中当传输系统的 SN\dfrac{S}{N} 下降时,可以用增加系统传输带宽 BB 的办法来保持信道容量 CC 不变;
  • 在高斯白噪声干扰情况下,在平均功率受限的信道上,实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。

参考资料·

  1. https://www.jiqizhixin.com/articles/0224
  2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/149188816