信息论与编码核心知识：平均互信息及其应用

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平均互信息

平均互信息定义

$$I(X;Y)=E[I(x,y)]=H(X)-H(X\mid Y)$$

1. Y 末知, $\mathrm{X}$ 的不确定度为 $\mathrm{H}(\mathrm{X})$
2. Y 已知, $\mathrm{X}$ 的不确定度变为 $\mathbf{H}(\mathbf{X}\mid \mathbf{Y})$

互信息 = 先验不确定性 – 后验不确定性 = 不确定性减少的量

通信系统中若发端的符号为 X 收端的符号为 Y。如果是 一一对应信道, 接收到 Y 后对 X 的不确定性将完全消除： H(X|Y) = 0，一般情况 H(X|Y) < H(X), 即了解 Y 后对 X 的不确定度将减少。

通过信道传输消除了一些不确定性, 获得了一定的信息， 故$0\le I(X;Y)\le H(X)$

$I(X;Y)={\sum }_i{\sum }_{j}p(x_i{y}_j)\log \frac{p(x_i\mid y_j)}{p(x_i)}$

$={\sum }_i{\sum }_{j}p(x_i{y}_j)\log \frac{p(x_i{y}_j)}{p(x_i)p(y_j)}={\sum }_i{\sum }_{j}p(x_i{y}_j)\log \frac{p(y_j\mid x_i)}{p(y_j)}$

$=I(Y;X)$

由上，平均互信息具有互易性:

$$I(X;Y)=I(Y;X)$$

例 假设一条电线上串联了 8 个灯泡 $x_1,x_2,\dots x_8$ 如图, 这 8 个灯泡损坏的概率相等 $p(x_{\mathbf{i}})=1/8$ , 现 假设只有一个灯泡已损坏, 致使串联灯泡都不能点亮。

未测量前, 8 个灯泡都有可能损坏, 它们损坏的先验概率: $p(x_{\mathrm{i}})=1/8$ , 这时存在的不确定性

$$\mathrm{I}({\mathrm{x}}_i)=\log \frac{1}{\mathrm{p}({\mathrm{x}}_i)}={\log }_{2}8=3\text{ bit }$$

测量 1 次后, 可知 4 个灯泡是好的, 另 4 个灯泡中有一个是坏的,这时后验概率 $p(x_{\mathrm{i}}\mid y)=1/4$ ，尚存在的不确定性：

$$\mathrm{I}({\mathrm{x}}_i\mid \mathrm{y})=\log \frac{1}{\mathrm{p}({\mathrm{x}}_i\mid \mathrm{y})}={\log }_{2}4=2\text{ bit }$$

所获得的信息量就是测量前后不确定性减少的量, 测量1次获得的信息量:

$$I(x_i;y_j)=I(x_i)-I(x_i\mid y)=3-2=1bit$$

平均互信息与各类熵的关系

$$\begin{array}{c}I(X;Y)=H(X)-H(X\mid Y)=H(Y)-H(Y\mid X)\\ =H(X)+H(Y)-H(XY)\\ H(XY)=H(X)+H(Y\mid X)=H(Y)+H(X\mid Y)\\ H(XY)\le H(X)+H(Y)\end{array}$$

熵只是平均不确定性的描述，不确定性的消除两熵之差才等于接收端所获得的信息量；

获得的信息量不应该和不确定性混为一谈。

I(X;Y)表示X和Y之间的密切程度，越大，越密切。

下表有12条训练数据，记录了女性的择偶标准，每条数据包含了4个特征。这4个特征对结果的体现程度是不一样的。如何度量这种不同? 用平均互信息

4 个特征和结果的概率分布分别为

$$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{l}{X}_1\\ P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{ 帅 }& \text{ 不帅 }\\ 2/3& 1/3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_2\\ P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\text{ 好 }& \text{ 不好 }& \text{ 非常好 }\\ 1/2& 1/3& 1/6\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{X}_3\\ P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\text{ 矮 }& \text{ 高 }& \text{ 中 }\\ 7/12& 1/4& 1/6\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_4\\ P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ll}\text{ 上进 }& \text{ 不上进 }\\ 2/3& 1/3\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{l}Y\\ P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\text{ 嫁 }& \text{ 不嫁 }\\ 1/2& 1/2\end{array}\right]\end{array}$$

特征和结果之间的条件概率为 :

$$\begin{array}{l}P\left(Y\mid X_2\right)=\left[\begin{array}{cc}1/2& 1/2\\ 1/4& 3/4\\ 1& 0\end{array}\right]P\left(Y\mid X_3\right)=\left[\begin{array}{cc}1/7& 6/7\\ 1& 0\\ 1& 0\end{array}\right]\\ P\left(Y\mid X_4\right)=\left[\begin{array}{ll}5/8& 3/8\\ 1/4& 3/4\end{array}\right]\end{array}$$

从而联合概率为 :

$$\begin{array}{l}P\left(X_1,Y\right)=\left[\begin{array}{ll}1/4& 5/12\\ 1/4& 1/12\end{array}\right]P\left(X_2,Y\right)=\left[\begin{array}{cc}1/4& 1/4\\ 1/12& 1/4\\ 1/6& 0\end{array}\right]\\ P\left(X_3,Y\right)=\left[\begin{array}{cc}1/12& 1/2\\ 1/4& 0\\ 1/6& 0\end{array}\right]P\left(X_4,Y\right)=\left[\begin{array}{ll}5/12& 1/4\\ 1/12& 1/4\end{array}\right]\end{array}$$

得条件熵: $H(Y\mid X_1)=0.9067,H(Y\mid X_2)=0.7704,H(Y\mid X_3)=0.3451,H(Y\mid X_4)=0.9067$

平均互信息为: $I(X_1;Y)=0.0933,I(X_2;Y)=0.2296,I(X_3;Y)=0.6549,I(X_4;Y)=0.0933$ .

结论：身高是最主要特征, 其次是性格。只保留这两项即可。

维拉图

$$\begin{array}{l}I(X;Y)=H(X)-H(X\mid Y)\\ =H(Y)-H(Y\mid X)\\ =H(X)+H(Y)-H(XY)\\ H(XY)=H(X)+H(Y\mid X)\\ =H(Y)+H(X\mid Y)\\ H(XY)\le H(X)+H(Y)\\ H(X)\ge H(X\mid Y)\\ H(Y)\ge H(Y\mid X)\end{array}$$

若信道是无噪一一对应信道,信道传递概率：

$$\begin{array}{c}p(y\mid x)=\{\begin{array}{ll}0& y\ne f(x)\\ 1& y=f(x)\end{array}\\ p(x\mid y)=\frac{p(xy)}{p(y)}=\frac{p(x)p(y\mid x)}{\sum p(x)p(y\mid x)}=\{\begin{array}{ll}0& y\ne f(x)\\ 1& y=f(x)\end{array}\end{array}$$

计算得:

$$H(X\mid Y)=0;H(Y\mid X)=0$$
$$I(X;Y)=H(X)=H(Y)$$

若信道输入端 $\mathbf{X}$ 与输出端 $Y$ 完全统计独立

$$\begin{array}{cc}p(y\mid x)=p(y)& p(x\mid y)=p(x)\\ H(X\mid Y)=H(X);& H(Y\mid X)=H(Y)\end{array}$$

则: $I(X;Y)=0$

条件熵

$H(X|Y)$: 信道疑义度，损失熵

• 信源符号通过有噪信道传输后所引起的信息量的损失。

信源X的熵等于接收到的信息量加上损失掉的信息量。

$H(Y|X)$: 噪声熵，散布熵

• 它反映了信道中噪声源的不确定性。

输出端信源Y的熵 $H(Y)$ 等于接收到关于X的信息量 $I(X;Y)$ 加上 $H(Y|X)$ ,这完全是由于信道中噪声引起的。

平均互信息的性质

非负性： $I(X;Y)\ge 0$

互易性： $I(X;Y)=I(Y;X)$

凸函数性：

• I(X ; Y) 为概率分布 p(x) 的上凸函数
• 对于固定的概率分布 p(x), I(X ; Y) 为条件概率 $p(y\mid x)$ 的 下凸函数

极值性：$I(X;Y)\le H(X);I(X;Y)\le H(Y)$

若信道是下图所示的无躁一一对应信道，则有

$$\begin{array}{l}H(X\mid Y)=0\\ H(Y\mid X)=0\\ I(X;Y)=H(X)\\ I(X;Y)=H(Y)\end{array}$$

参考文献：

1. Proakis, John G., et al. Communication systems engineering. Vol. 2. New Jersey: Prentice Hall, 1994.
2. Proakis, John G., et al. SOLUTIONS MANUAL Communication Systems Engineering. Vol. 2. New Jersey: Prentice Hall, 1994.
3. 周炯槃. 通信原理（第3版）[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2008.
4. 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理（第7版） [M]. 北京：国防工业出版社, 2012.