微分熵是信息论中的一个量,定义于分布具有概率密度的随机变量。它是离散信息熵(香农熵)在连续情形下的对应概念,但在若干重要方面有所不同:它可以为负,依赖测量尺度,而且在一般坐标变换下并不保持不变。它描述的是相对于参考测度的不确定性,而不是精确指定一个连续取值所需的绝对比特数。(web.stanford.edu)
定义与存在性
设 的取值属于 ,相对于勒贝格测度的概率密度函数为 。其微分熵定义为
这个积分按照概率分布本身,对密度的负对数取平均;第二个表达式将其写成期望值的形式。这里约定 。以二为底的对数给出以比特为单位的熵,自然对数则给出以奈特为单位的熵。(ocw.mit.edu)
微分熵为有限值的一个充分条件是
微分熵也可能等于 或 。如果定义中的被积函数的正部和负部的积分均为无穷大,则微分熵没有定义。对于不具有勒贝格密度的分布,包括离散分布和奇异连续分布,这种基于密度的定义不适用,因此它们没有此意义下的微分熵。可见,参考测度的选择本身就是这一数学构造的一部分。(ocw.mit.edu)
示例与负值
对于区间 上的均匀分布,设区间长度为 ,则
因此,长度为一的区间上的均匀分布,其熵为零;长度小于一时,其熵为负。例如, 上的均匀分布的熵为 比特。这并不意味着不确定性为负:与概率不同,密度可以大于一,因此密度的负对数可以为负。(web.stanford.edu)
这个表达式不含均值;随着标准差增大,熵按对数规律增长。这些例子也表明,微分熵衡量的是指定尺度上的分散程度,而不仅仅是可能取值的数量。(web.stanford.edu)
对坐标的依赖
对于常数 和 ,
平移不改变熵,而缩放会改变熵。因此,用不同单位表示同一个物理测量量时,其微分熵的数值也会改变。进行比较时,必须采用一致的单位和坐标。(web.stanford.edu)
更一般地,设 ,其中 是可逆的连续可微变换,其雅可比矩阵 非奇异。在适当的可积性条件下,
对于可逆线性变换 ,修正项为 ,其中 是 的行列式。这一修正项反映了变换引起的局部体积变化。因此,可逆变换能够保留所有可恢复的信息,同时改变微分熵。(ocw.mit.edu)
联合熵、条件熵与信息
对于联合概率分布具有密度的变量,联合微分熵通过对所有坐标积分来定义。条件熵在连续情形下的对应概念是条件微分熵,它对条件密度的熵取平均:
当相关量均为有限值时,熵的链式法则给出
平均而言,给定条件不会增加微分熵;统计独立性则意味着 。与无条件微分熵一样,条件微分熵也可以为负。(ocw.mit.edu)
当熵之差有明确定义时,它等于
互信息非负,并且在可逆、可测且逆映射也可测的重新编码下保持不变。同样,当两个分布同时经过相同的可逆坐标变换时,散度也保持不变,因为密度变换产生的因子在两者的比值中相互抵消。这些定义避免了无穷大熵相减所带来的问题。(ocw.mit.edu)
最大熵性质
对于密度支撑于某个可测区域内的分布,若该区域的体积 有限且为正,则
当密度在该区域上均匀分布时,等号成立。(ocw.mit.edu)
在方差给定、有限且为正的实值分布中,高斯分布的微分熵最大。对于协方差矩阵 正定的 维随机向量,
当其服从多元正态分布时,等号成立。这些上界可通过将所考察的密度与相应的最大熵密度进行比较,并利用散度的非负性来推导。(web.stanford.edu)
量化与编码
微分熵将连续分布与有限分辨率的描述联系起来。若 表示标量 所落入的宽度为 的区间,则在适当的正则性和有限性假设下,
随着分辨率不断提高,离散熵通常趋于无穷大;去掉分辨率项后,微分熵给出了依赖于分布的偏移量。在 维情形下,使用大小相同的立方体网格单元会产生 这一项。这一关系是高分辨率数据压缩分析的基础。(ee.stanford.edu)
微分熵也用于信道容量的计算。对于加性高斯噪声信道,在功率约束下最大化输出的微分熵,即可得到高斯信道的容量公式。具有实际操作意义的量是互信息,而不是某个单独的微分熵。(web.stanford.edu)
参考来源
- EE/Stats 376A: Information Theory, Lecture 14web.stanford.edu
- EE/Stats 376A: Information Theory, Lecture 15web.stanford.edu
- 441S16: Chapter 1: Information Measures: Entropy and Divergenceocw.mit.edu
- 441S16: Chapter 2: Information Measures: Mutual Informationocw.mit.edu
- 441S16: Course Notesocw.mit.edu
- Gauss Mixture Quantization: Clustering Gauss Mixturesee.stanford.edu