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定义Definition

联合熵

施工中 · 内容逐步修订

Joint entropy

随机变量元组不确定性的 Shannon 熵。

形式陈述 ​

设离散随机变量 (X,Y) 的联合分布为 p(x,y)。本页默认以 2 为对数底,并约定 0log⁡0=0。联合熵就是把随机变量对视为一个随机对象后的Shannon 熵:

H(X,Y)=−∑x,yp(x,y)log2⁡p(x,y)∈[0,+∞].

对每个 pX(x)>0 的 x,令 p(y∣x)=p(x,y)/pX(x);零概率 x 上的条件分布可任取,因为它在平均中权重为零。定义

H(Y∣X)=∑x:pX(x)>0pX(x)[−∑yp(y∣x)log2⁡p(y∣x)].

链式法则以扩展非负数的等式成立:

H(X,Y)=H(X)+H(Y∣X)=H(Y)+H(X∣Y).

对 n 个变量,反复应用可得

H(X1,…,Xn)=∑i=1nH(Xi∣X1,…,Xi−1),

其中 i=1 的条件为空。只有在被减项有限时,才应把链式法则改写成 H(Y∣X)=H(X,Y)−H(X),以免出现 +∞−+∞。

直觉

要描述一对结果,可以先描述 X,再在已知 X 的码本中描述 Y。第一段平均花费 H(X),第二段平均花费 H(Y∣X);共享的不确定性因此不会计算两次。次序可交换,所以同一联合熵也等于 H(Y)+H(X∣Y)。

链式法则的证明机制 ​

在 p(x,y)>0 的点上,概率分解 p(x,y)=pX(x)p(y∣x) 给出

−log2⁡p(x,y)=−log2⁡pX(x)−log2⁡p(y∣x).

对联合分布取期望,第一项边缘化成 H(X),第二项正是 H(Y∣X)。零质量点由 0log⁡0=0 处理。证明不需要独立性;独立只会进一步令 p(y∣x)=pY(y)。

例子与边界

可复算例:相关比特 ​

令联合质量表为

Y=0Y=1X=00.40.1X=10.10.4.

两个边缘都均匀,所以 H(X)=H(Y)=1 bit。给定任一 X=x,Y=x 的概率为 0.8,故

H(Y∣X)=h2(0.2)=−0.8log2⁡0.8−0.2log2⁡0.2≈0.7219.

链式法则给 H(X,Y)≈1.7219 bit;直接计算也得到

−2(0.4log2⁡0.4)−2(0.1log2⁡0.1)≈1.7219.

边界与失败情形 ​

对有限熵的离散变量,

max{H(X),H(Y)}≤H(X,Y)≤H(X)+H(Y).

左侧来自条件熵非负,右侧来自条件化平均不增熵。若 Y=X,左端取等;若 X,Y 独立,右端取等。若有熵为无穷,不能用差值公式随意相消。

H(X,Y) 不等于把数值变量相加后的 H(X+Y);后者会合并不同有序对。对连续变量,联合微分熵也可能为负并受坐标变换影响,离散非负界不能照搬。

推论与应用

联合熵把熵扩展到随机向量;条件熵是链式法则中的新增成本,互信息则可写成

I(X;Y)=H(X)+H(Y)−H(X,Y)

(相关熵有限时)。多变量链式法则用于相关信源压缩、联合典型性、网络信息论和秘密共享中的熵论证;每一步都必须保留条件变量的次序与联合分布,不能只凭边缘熵重建依赖关系。

参考资料
  • Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2nd ed., Wiley, 2006, §§2.1–2.5.
  • Claude E. Shannon, “A Mathematical Theory of Communication,” Bell System Technical Journal 27, 1948, Part I, §§6–8.
  • David J. C. MacKay, Information Theory, Inference, and Learning Algorithms, Cambridge University Press, 2003, §2.4.
关系图谱10 个相邻概念 · 1 类关系

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