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定义Definition

互信息

Mutual information

用联合分布相对独立边缘乘积的 KL 散度量化统计依赖。

形式陈述 ​

随机元素 X,Y 的互信息定义为其联合分布与独立边缘乘积分布之间的KL 散度 I(X;Y)=D(PXY‖PX⊗PY)。相关离散熵有限时,还可用下述条件熵恒等式计算。有限或可数取值时,定义展开为:

I(X;Y)=D(PXY‖PXPY)=∑x,yp(x,y)log2⁡p(x,y)pX(x)pY(y).

若 p(x,y)>0,两个边缘必然也为正,所以离散比值在所有有贡献的点上有定义。本页默认单位为 bit;改用自然对数则单位为 nat。

在相关熵有限、没有 +∞−+∞ 的歧义时,条件熵给出等价恒等式

I(X;Y)=H(X)−H(X∣Y)=H(Y)−H(Y∣X)=H(X)+H(Y)−H(X,Y).

对一般随机元素,第一行 KL 定义仍适用:若 PXY≪̸PX⊗PY,则令 I(X;Y)=+∞。

若联合与两个边缘都有 Lebesgue 密度,且相应的 ∫f|log2⁡f| 均有限,则相应公式为 I(X;Y)=h(X)+h(Y)−h(X,Y)。微分熵页给出拆项条件,并说明单位变换增加的尺度项如何在互信息中抵消。

直觉

乘积分布 PXPY 描述“保留两个边缘、但抹掉一切依赖”后的基线。互信息比较真实联合规律与这条独立基线,因此捕捉所有统计依赖,而不只线性关系。离散且相关熵有限时,它还等于观察 Y 后 X 的平均不确定性减少量。

虽然“Y 告诉我们多少关于 X 的信息”听起来有方向,KL 展开对交换 x,y 不变,所以 I(X;Y)=I(Y;X)。它仍不是距离:对离散 X,I(X;X)=H(X) 通常非零,也没有普通距离的三角不等式。

联合分布偏离独立基线

非负性与零点的证明机制 ​

KL 的 Gibbs 不等式立即给出

I(X;Y)=D(PXY‖PXPY)≥0.

等号当且仅当 PXY=PXPY(几乎处处),也就是 X,Y 独立。当各项可积时,把对数比拆成 log⁡p(x,y)−log⁡pX(x)−log⁡pY(y) 并分别边缘化,就得到熵恒等式。可数无限空间中,原 KL 和式仍可能是良定义的非负扩展实数,但拆成三个发散的熵再相减不合法;例如独立的两个无限熵变量仍有互信息 0,因为每个非零概率点的对数比都是 log⁡1=0。

例子与边界

可复算例:BSC 的均匀输入 ​

令 X 为公平比特,Y=X⊕N,其中 N∼Bernoulli(0.1) 独立。联合概率是

p(0,0)=p(1,1)=0.45,p(0,1)=p(1,0)=0.05,

而四个边缘乘积都为 0.25。因此

I(X;Y)=2(0.45)log2⁡0.450.25+2(0.05)log2⁡0.050.25≈0.5310 bit.

另一种复算是 I(X;Y)=1−h2(0.1)=1−0.4690=0.5310 bit。

一次观察可能增加不确定性 ​

“平均减少量”不意味着每个观察结果都减少熵。令 Pr[Y=0]=0.9,且此时 X=0;令 Pr[Y=1]=0.1,且此时 X 为公平比特。于是 Pr[X=1]=0.05,所以 H(X)=h2(0.05)≈0.2864。

观察到罕见的 Y=1 时,H(X∣Y=1)=1,反而高于事前熵;但平均条件熵为 0.9⋅0+0.1⋅1=0.1,故 I(X;Y)≈0.1864>0。非负性约束的是按观察概率加权的平均值,不能逐个条件事件套用。

边界与失败情形 ​

零协方差不推出零互信息。令 X 在 {−1,0,1} 上均匀并取 Y=X2。由对称性 Cov(X,Y)=0,但 Y 是 X 的非平凡确定函数,所以

I(X;Y)=H(Y)=h2(1/3)≈0.9183 bit.

若 X 为非原子连续变量且 Y=X,联合分布集中在对角线上,而 PX⊗PY 给对角线零质量;于是互信息为 +∞。此时把微分熵形式 h(X)−h(X∣Y) 当作两个普通有限数相减会掩盖奇异性。

有限样本上的分箱、近邻或神经估计值只是估计量,可能有偏并依赖调参;它们不自动成为真实互信息的上界或下界。

推论与应用

若 X→Y→Z 构成 Markov 链,数据处理不等式给出 I(X;Z)≤I(X;Y)。信道容量进一步对输入分布最大化 I(X;Y),把单次互信息变成长期可靠速率的阈值。

在统计与学习下界中,互信息把样本能揭示多少候选索引与Fano 不等式的译码错误联系起来。应用时必须指定联合分布、观测通道和条件信息;“输出只有一 bit”本身并不能代替条件互信息的链式计算。

参考资料
  • Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2nd ed., Wiley, 2006, §§2.3, 2.8.
  • Imre Csiszár and János Körner, Information Theory: Coding Theorems for Discrete Memoryless Systems, 2nd ed., Cambridge University Press, 2011, §§2.1–2.2.
  • Claude E. Shannon, “A Mathematical Theory of Communication,” Bell System Technical Journal 27, 1948, Part I, §§6–12.
  • 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32 个相邻概念 · 2 类关系

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