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定义Definition

Shannon 熵

Shannon entropy · Information entropy

随机变量不确定性的平均信息量,以最优编码所需位数为基本解释。

形式陈述 ​

设离散随机变量 X 具有有限或可数取值集,记 p(x)=Pr[X=x]。对数底 b>1 下的 Shannon 熵为

Hb(X)=∑xp(x)logb⁡1p(x)=−∑xp(x)logb⁡p(x),

其中约定 0log⁡0=0,即把 tlog⁡t 在 t=0 处按连续极限补为 0。本页默认 b=2 并简写为 H(X),单位为 bit;取自然对数时单位为 nat,且

He(X)=(ln⁡2)H2(X).

每一项都非负,所以有限字母表上熵有限;可数无限字母表上允许 H(X)=+∞。熵只由 X 的分布决定,与结果采用什么名称无关。

这里定义的是离散熵。具有 Lebesgue 密度的连续变量使用微分熵;它可以为负、随坐标缩放改变,与离散熵的关系要通过指定分辨率的量化建立。

直觉

结果 x 的自信息是 ıX(x)=−log2⁡p(x):概率减半,自信息增加一 bit。熵是随机自信息的期望 H(X)=E[ıX(X)]。罕见结果一旦发生很“惊讶”,但其平均贡献还要乘上较小的发生概率。

在有限字母表的独立同分布源中,若支持至少含两个符号,对长为 n 的块作二元前缀无损编码,最优平均码长 Ln∗ 满足 nH(X)≤Ln∗<nH(X)+1。退化源只有一个可能块时,外部给定块数可用空描述;未知块数的串联唯一可译约定则需一个正码字,最优块长为1,其每符号成本 1/n 仍趋零。对前面的非退化源,除以 n 后每符号的整数码长开销不足 1/n;退化源在两种块数约定下也都得到极限 H(X)=0。因此熵是长块平均码长的极限,不是每个样本各自携带的固定标签。它不等于某个文件的最短压缩长度,也不衡量单次最佳猜测;后一个问题通常由最大点概率定义的最小熵控制。

二元分布的熵

基本界的证明机制 ​

若支持大小为 m,对凹函数 log2 使用Jensen 不等式可得

H(X)=E[log2⁡1p(X)]≤log2⁡E[1p(X)]=log2⁡m.

其中最后一步使用 ∑x:p(x)>0p(x)/p(x)=m。因此 0≤H(X)≤log2⁡m。下界由每项非负得到,且仅确定分布取等;Jensen 的等号条件说明上界仅均匀分布取等。这个论证也说明,最大熵结论依赖“支持至多有 m 个点”这一约束。

例子与边界

可复算例:偏置比特 ​

若 P(X=1)=0.9、P(X=0)=0.1,两个结果的自信息与加权贡献分别为

x−log2⁡p(x)p(x)(−log2⁡p(x))10.15200.136803.32190.3322

故 H(X)≈0.4690 bit。公平比特把两项都变成 12⋅1,总熵为 1 bit;确定比特的熵为 0。

熵小于一 bit,为什么单个比特仍难再压缩 ​

对上述偏置比特,单符号的无损二元前缀码仍需给两个结果分配非空码字,最优平均长度为 1,不是 0.4690。把两次独立样本合成一块,概率为 0.81,0.09,0.09,0.01;依次分配码字 0,10,110,111,平均块长为

0.81⋅1+0.09⋅2+0.09⋅3+0.01⋅3=1.29.

每符号变为 0.645 bit,已低于 1,但仍高于熵。码长受整数与前缀约束;块变长后才能摊薄开销。这也解释了“单次输出有两种可能”与“长期每次不足一 bit”并不矛盾。

边界与失败情形 ​

可数支持不保证有限熵。例如在 k≥2 上令

pk=ck(ln⁡k)2,

其中 c 是归一化常数。概率和收敛,但熵的主导项与 ∑k1/(kln⁡k) 同阶,因而 H(X)=+∞。

连续均匀变量 U∼Unif[0,1/4] 的微分熵为 h(U)=−2,但按格宽 1/1024 量化后的离散熵为 8 bit。微分熵页完整计算这个例子的单位变换与量化关系;2h(U) 在这里不能解释为离散结果数。

名称相近的度量熵与覆盖数也不是 Shannon 熵:前者对给定尺度计算覆盖度量空间所需集合数的对数,不需要概率分布。

推论与应用

联合熵把同一定义施于随机变量元组,条件熵描述获得侧信息后的剩余不确定性,互信息描述减少量。这三者的链式恒等式构成后续信息不等式的代数基础。

把经典分布放在正交状态上,ρ=∑jpj|j⟩⟨j| 的特征值就是 pj。von Neumann 熵由此将 Shannon 熵扩展为密度算子特征值分布的熵;对非正交纯态的混合,则必须先求谱,制备标签和指定测量结果各自仍用 Shannon 熵描述。

对离散无记忆源,AEP把样本平均自信息收敛到 H(X),无噪声编码定理再把它解释为长块无损压缩的每符号极限。有记忆源通常要改用熵率;允许误差、失真或预测攻击时,还必须分别说明相应模型,不能只引用单字母 Shannon 熵。

若某些源值允许共用描述、另一些必须区分,就需要在概率之外增加冲突结构。图熵对包含真实顶点的随机独立集最小化互信息;完全图恢复 H(X),无边图则为0。它的OR幂平均描述解释与严格零错强幂的最坏固定长率不同,不能仅凭“熵”字互换。

参考资料
  • Claude E. Shannon, “A Mathematical Theory of Communication,” Bell System Technical Journal 27, 1948, Part I, §§6–8.
  • Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2nd ed., Wiley, 2006:§2.1 定义离散熵,§2.6 用 Jensen 推导基本界,§§5.3–5.4 讨论最优码与平均码长界,§8.1 定义微分熵,§8.3 区分微分熵与离散熵。
  • Yury Polyanskiy and Yihong Wu, Lecture Notes on Information Theory, MIT 6.441, 2016, Chs. 1–2(熵、散度与互信息的定义和适用条件)。
关系图谱24 个相邻概念 · 3 类关系

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