学习笔记 | Entropy

文章目录

1. 1. Entropy
   1. 1.1. 信息
   2. 1.2. 信息熵
   3. 1.3. 条件熵
   4. 1.4. 互信息
   5. 1.5. 相对熵
   6. 1.6. 以编码角度的思考
   7. 1.7. 参考

Entropy

熵是一种衡量系统不确定的指标，量化出了信息的作用。

信息

一条信息的信息量与其不确定性有着很直接的关系。如果要搞清楚一件非常不确定的事情，那么就需要大量的信息。相反已经对一件事情非常了解，则不再需要太多信息就可以搞清楚，那么这样老看，一条信息的信息量就等于不确定性的多少。

香农用 “比特”（Bit）来度量信息量，一个比特是一个二进制数，计算机中，一个字节就是 ${8}$ 个比特。

一个事物内部会存有随机性，也就是不确定性，而从外部消除这个不确定性唯一的办法就是引入信息。

信息熵

香农提出的信息熵的形式如下，对于随机变量 ${X}$，它的信息熵为：

$$
H = - \sum_{x \in X} p(x) \log p(x)
$$

变量的不确定性越大，熵也就越大。

条件熵

如果在 ${X}$ 信息熵之外，还知道一些关于 ${Y}$ 的信息，则条件熵表示为：

$$
H(X|Y) = - \sum_{x \in X, y \in Y} p(x, y) \log p(x | y)
$$

可以证明 ${H(X) \geq H(X|Y)}$，也就说明了，在知道 ${Y}$ 的情况之后，不确定性减少了。在统计语言模型中，二元模型的不确定性小于等于一元模型，进一步地可以证明：

$$
H(X|Y, Z) = - \sum_{x \in X, y \in Y, z \in Z} p(x, y, z) \log p(x|y, z)
$$
 ${H(X|Y) \geq H(X|Y, Z)}$，则说明了三元模型应该比二元模型要好。取等号的情况表示引入的信息对要研究的事务毫无关系。

互信息

那么如何确定是否有关系呢？互信息（mutual information）提供一个量化的度量。

$$
I(X;Y) = \sum_{x \in X, y \in Y} p(x, y) \log \frac{P(x, y)}{P(x) \cdot P(y)}
$$

可以发现 ${I(X;Y) = H(X) - H(X|Y)}$，而 ${I(X;Y)}$ 是一个取值在 ${0}$ 到 ${\min (H(X), H(Y))}$ 之间的数字，如果 ${X}$ 和 ${Y}$ 完全相关，则取值为 ${1}$，如果而且完全不相关，则取值为 ${0}$。

相对熵

相对熵用于衡量两个取值为整数的函数的相似性。

$$
\text{KL}(f(x)||g(x)) = \sum_{x \in X} f(x) \cdot \log \frac{f(x)}{g(x)}
$$

有三条结论：

1. 对于两个完全相同的函数，它们的相对熵等于零。
2. 相对熵越大，则两个函数的差异越大；反之，相对熵越小，两个函数的差异越小。
3. 对于概率分布或者概率密度函数，如果取值均大于零，相对熵可以度量两个随机分布的差异性。

$$
\text{KL}(f(x)||g(x)) \neq \text{KL}(g(x)||f(x))
$$

由于 ${\text{KL}}$ 散度是不对称的。假设有一个分布 ${p(x)}$，并且希望用另一个分布 ${q(x)}$ 来近似它。可以选择最小化 ${D_{KL}(p||q)}$ 或最小化 ${D_{KL}(q||p)}$。为了说明每种选择的效果，令 ${p}$ 是两个高斯分布的混合，令 ${q}$ 为单个高斯分布。选择使用 ${\text{KL}}$ 散度的哪个方向是取决于问题的。一些应用需要这个近似分布 ${q}$ 在真实分布 ${p}$ 放置高概率的所有地方都放置高概率，而其他应用需要这个近似分布 ${q}$ 在真实分布 ${p}$ 放置低概率的所有地方都很少放置高概率。${KL}$ 散度方向的选择反映了对于每种应用，优先考虑哪一种选择。

• （左）最小化 ${D_{KL}(p||q)}$ 的效果。在这种情况下，选择一个 ${q}$ 使得它在 ${p}$ 具有高概率的地方具有高概率。当 ${p}$ 具有多个峰时，${q}$ 选择将这些峰模糊到一起，以便将高概率质量放到所有峰上。优化方向等价于极大似然估计，较为激进。
• （右）最小化 ${D_{KL}(q||p)}$ 的效果。在这种情况下，选择一个${q}$使得它在 ${p}$ 具有低概率的地方具有低概率。当 ${p}$ 具有多个峰并且这些峰间隔很宽时，最小化 ${\text{KL}}$ 散度会选择单个峰，以避免将概率质量放置在 ${p}$ 的多个峰之间的低概率区域中。说明当 ${q}$ 被选择成强调左边峰时的结果。也可以通过选择右边峰来得到 ${\text{KL}}$ 散度相同的值。如果这些峰没有被足够强的低概率区域分离，那么 ${\text{KL}}$ 散度的这个方向仍然可能选择模糊这些峰。较为保守，宁愿只拟合一侧，也不接近概率密度为 ${0}$ 的地方。

为了让 ${\text{KL}}$ 散度能够有对称的形式，提出了 ${\text{JS}}$ 散度的概念。

$$
\text{JS}(f(x)||g(x)) = \frac{1}{2}[\text{KL}(f(x)||g(x)) + \text{KL}(g(x)||f(x))]
$$

以编码角度的思考

熵可以看做，对 ${X}$ 中的样本进行编码所需要的编码长度的期望值。

现在有两个分布，真实数据分布 ${p}$ 和非真实分布 ${q}$，样本来自真实分布 ${p}$。

• 按照真实分布 ${p}$ 来编码样本所需的编码长度的期望为 ${\sum_{i}p(i)*\log\frac{1}{p(i)}}$，即信息熵 ${H(p)}$。
• 按照不真实分布 ${q}$ 来编码样本所需的编码长度的期望为 ${\sum_{i}p(i)*\log\frac{1}{q(i)}}$，即交叉熵 ${H(p, q)}$。
• 这里引申出 ${KL}$ 散度 ${D(p||q) = H(p,q) - H(p) = \sum_{i}p(i)*\log\frac{p(i)}{q(i)}}$，也叫做相对熵，它表示两个分布的差异，差异越大，相对熵越大。

在离散型变量的情况下，${\text{KL}}$ 散度衡量的是，当使用一种被设计成能够使得概率分布 ${Q}$ 产生的消息的长度最小的编码，发送包含由概率分布 ${P}$ 产生的符号的消息时，所需要的额外信息量 (如果使用底数为 ${2}$ 的对数时，信息量用比特衡量，但在机器学习中，通常用奈特和自然对数。)

机器学习中，用非真实分布 ${q}$ 去预测真实分布 ${p}$，因为真实分布 ${p}$ 是固定的，${D(p||q) = H(p,q) - H(p)}$ 中 ${H(p)}$ 固定，也就是说交叉熵 ${H(p,q)}$ 越大，相对熵 ${D(p||q)}$ 越大，两个分布的差异越大。所以交叉熵用来做损失函数就是这个道理，它衡量了真实分布和预测分布的差异性。

而从编码的角度，可以这样简单总结，信息熵是最优编码（最短的平均码长），交叉熵是非最优编码（大于等于最短的平均码长），${KL}$ 散度是两者的差异（距离最优编码的差距）。

参考

1. 《数学之美》吴军
2. 花书《深度学习》
3. 信息熵，交叉熵和相对熵
4. 知乎：信息熵是什么？
5. 知乎：如何通俗的解释交叉熵与相对熵?