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数学 / conditional-entropy

条件熵

条件熵衡量在已知另一个变量时,一个随机变量仍具有的平均不确定性。

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信息论随机变量熵(信息论)联合概率分布条件概率比特期望值自信息条件熵

条件熵是信息论中的一个量,用于衡量在观测到另一个变量后,一个随机变量仍具有的平均不确定性。它记作 H(X∣Y)H(X\mid Y),是对 YY 的各种可能观测值所对应的 XX 的条件分布的香农熵取平均。它描述的是给定概率模型下的不确定性,而非某个具体观测结果的不确定性。(math.mit.edu)

定义与解释

对于离散变量 XX 和 YY,用 p(x,y)p(x,y) 表示它们的联合概率分布,用 p(x∣y)p(x\mid y) 表示相应的条件概率。条件熵定义为

H(X∣Y)=−∑y:p(y)>0∑xp(x,y)log⁡bp(x∣y).H(X\mid Y) =-\sum_{y:p(y)>0}\sum_x p(x,y)\log_b p(x\mid y).

等价地,

H(X∣Y)=∑y:p(y)>0p(y)H(X∣Y=y).H(X\mid Y)=\sum_{y:p(y)>0}p(y)H(X\mid Y=y).

联合概率为零的项贡献为零。满足 p(y)=0p(y)=0 的观测值不计入求和,因为它们的条件分布不影响平均值。(math.mit.edu)

对数的底决定了单位:以二为底时,单位为比特;使用自然对数时,单位为奈特。用期望值记号表示,

H(X∣Y)=E[−log⁡bp(X∣Y)].H(X\mid Y)=\mathbb E[-\log_b p(X\mid Y)].

因此,它是 XX 的平均条件自信息。H(X∣Y=y)H(X\mid Y=y) 针对的是一个观测值,而 H(X∣Y)H(X\mid Y) 则对观测值的整个概率分布取平均。离散变量 XX 也可以以连续变量 YY 为条件,此时使用期望,而不是对 yy 进行离散求和。(people.lids.mit.edu)

基本恒等式与不等式

熵的链式法则将联合不确定性表示为一个变量的不确定性,加上另一个变量剩余的不确定性:

H(X,Y)=H(Y)+H(X∣Y).H(X,Y)=H(Y)+H(X\mid Y).

对于有限序列,这一法则可推广为

H(X1,…,Xn)=∑i=1nH(Xi∣X1,…,Xi−1),H(X_1,\ldots,X_n) =\sum_{i=1}^{n}H(X_i\mid X_1,\ldots,X_{i-1}),

其中第一项为 H(X1)H(X_1)。这些恒等式可通过将联合概率分解为条件概率的乘积得到。当各个熵均为有限值时,第一个恒等式还给出 H(X∣Y)=H(X,Y)−H(Y)H(X\mid Y)=H(X,Y)-H(Y)。当相减会产生未定义的表达式 ∞−∞\infty-\infty 时,直接定义仍然十分重要。(people.csail.mit.edu)

对于取值有限的变量,

0≤H(X∣Y)≤H(X).0\le H(X\mid Y)\le H(X).

右侧等号成立,当且仅当 XX 和 YY 具有统计独立性。左侧等号成立,当且仅当除概率为零的事件外,XX 是 YY 的确定性函数。条件熵通常不具有对称性:知道 YY 可能足以确定 XX,但知道 XX 未必能确定 YY。(ocw.mit.edu)

增加条件不会使平均离散熵增大:

H(X∣Y,Z)≤H(X∣Y).H(X\mid Y,Z)\le H(X\mid Y).

两者之差是条件互信息 I(X;Z∣Y)I(X;Z\mid Y),它是非负的。对于取值有限的变量,等号成立,当且仅当给定 YY 时,XX 和 ZZ 条件独立。类似地,互信息满足

I(X;Y)=H(X)−H(X∣Y),I(X;Y)=H(X)-H(X\mid Y),

它量化了观测 YY 平均而言能使 XX 的不确定性减少多少。(ocw.mit.edu)

示例与取平均的作用

考虑一个两个取值等概率的二元变量 XX。令 YY 以概率 1−ε1-\varepsilon 等于 XX,否则取相反的值;是否翻转与 XX 独立。根据定义可得

H(X∣Y)=h2(ε),h2(t)=−tlog⁡2t−(1−t)log⁡2(1−t).H(X\mid Y)=h_2(\varepsilon), \qquad h_2(t)=-t\log_2t-(1-t)\log_2(1-t).

当 ε=0\varepsilon=0 时,观测值可以确定 XX。当 ε=12\varepsilon=\tfrac12 时,观测值不提供任何信息,仍留有一比特的不确定性。当 ε=1\varepsilon=1 时,观测值又能确定 XX,因为观测值总是与 XX 相反。这些结论都直接来自相应的条件分布。(math.mit.edu)

“给定条件会降低熵”说的是平均意义上的结果,并不保证对每个观测值都成立。例如,令 UU 和 YY 为相互独立、各自两个取值等概率的二元变量,并令 X=U∨YX=U\lor Y。此时 H(X)=h2(1/4)H(X)=h_2(1/4),约为 0.8110.811 比特。观测到 Y=0Y=0 时,有 X=UX=U,不确定性上升到一比特;观测到 Y=1Y=1 时,则可以确定 XX。然而,取平均后仍有 H(X∣Y)=0.5H(X\mid Y)=0.5 比特,低于无条件熵。(ocw.mit.edu)

编码与统计学习

在具有边信息的无损数据压缩中,条件熵决定了渐近编码阈值。对于独立同分布、取值于有限字母表的变量对 (Xi,Yi)(X_i,Y_i),当解码器知道相应的 YY 数据块时,高于 H(X∣Y)H(X\mid Y) 的码率可以使 XX 数据块的重构错误概率趋于零。斯莱皮安–沃尔夫定理表明,即使编码器不知道这些观测值,这一阈值仍然可以达到。(people.lids.mit.edu)

条件熵也可描述具有依赖关系的序列中的不确定性。对于取值于有限字母表的平稳随机过程,随着作为条件的历史序列越来越长,下一个符号的不确定性收敛于熵率。对于平稳的一阶马尔可夫链,该熵率为 H(Xt+1∣Xt)H(X_{t+1}\mid X_t)。(stanforddatacompressionclass.github.io)

在机器学习中,H(Y∣X)H(Y\mid X) 衡量给定特征 XX 时标签 YY 的不确定性。它不同于模型 q(y∣x)q(y\mid x) 的条件交叉熵。模型的条件交叉熵减去条件熵,等于真实条件分布与模型之间的KL散度的期望。因此,在预测不受限制的情况下,条件熵是总体层面上可达到的最小对数损失,而不一定是训练后的模型实际达到的损失。(s3-us-west-2.amazonaws.com)

连续变量

对于存在联合概率密度函数的连续变量,条件微分熵为

h(X∣Y)=−∫ ⁣ ⁣∫fX,Y(x,y)log⁡fX∣Y(x∣y) dx dy.h(X\mid Y) =-\int\!\!\int f_{X,Y}(x,y)\log f_{X\mid Y}(x\mid y)\,dx\,dy.

当相关量均为有限值时,h(X∣Y)=h(X,Y)−h(Y)h(X\mid Y)=h(X,Y)-h(Y)。与离散条件熵不同,它可以为负,并且会随着 XX 的尺度变化而改变。因此,不能直接将其解释为精确表示一个连续观测值所需的非负比特数。互信息仍然是非负的,并且在差值有明确定义时,等于 h(X)−h(X∣Y)h(X)-h(X\mid Y)。(s3-us-west-2.amazonaws.com)

参考来源

  1. 600: Lecture 33 — Entropymath.mit.edu
  2. Information Theory — Polyanskiy and Wupeople.lids.mit.edu
  3. 441S16: Course Notesocw.mit.edu
  4. ST06 — Lecture 3people.csail.mit.edu
  5. Non IID Sources and Entropy Ratestanforddatacompressionclass.github.io
  6. 11. Information Theory — Dive into Deep Learnings3-us-west-2.amazonaws.com